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西藏地区水源热泵与太阳能集热系统联合供暖介绍

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发表于 2017-10-27 10:42:57 | 显示全部楼层 |阅读模式

利用环保的可再生能源作为供暖系统的热源,是未来供暖行业发展的方向,也符合国家的节能减排政策。水源热泵系统与太阳能集热系统作为可再生能源应用的技术典型,越来越广泛的应用在各类建筑中。本文以某工程为例,说明水源热泵与太阳能技术联合应用于供暖系统的优势、系统组成与控制方式。

    随着高耗能产业快速发展和人民生活水平提高,近年来我国能源消耗逐年攀升,目前已成为世界第二大能源消费国。我国的能源结构主要依靠矿物燃料,供热仍是以煤炭为主要燃料。矿物燃料燃烧将产生大量污染物,包括大量二氧化硫、氮氧化物等有害气体以及二氧化碳等温室效应气体,大量燃烧矿物燃料所引起的环境问题已日益成为世界关注的焦点。基于对能源和环保要求,在建筑供暖方面利用可再生且无污染的能源已引起人们高度的重视。

    我国地域广阔,蕴藏着丰富的浅层地能资源和太阳能资源,所以地源热泵、太阳能系统在建筑中的应用是综合利用可再生能源、走可持续发展道路成熟而有效的手段。既节约了能源,又保护了环境,符合国家资源和环境战略。


1、太阳能与地源热泵系统联合运行的优势由太阳能供暖系统和水源热泵供暖系统组成的复合式供暖系统,利用环保的可再生能源作为热源,且两种系统取长补短,提高系统的COP值,节省运行费用。


2、地源热泵与太阳能系统介绍

2.1、地下水源热泵供暖系统

    地下岩土是一个巨大的天然集热器,收集了约47%的太阳辐射能量,相当于人类每年利用能量的500倍,且不受地域和资源限制,地下温度相对稳定全年波动较小,不受季节影响,地下水的水温常年保持不变,一般比当地平均气温还要高几度,那曲地区地下水温度可达15℃左右。与空气温度相比,冬季的温度较高,夏季温度较低,因此地下水是良好的冷热源。

    但对于西藏那曲地区不需要考虑制冷需求而是全年供暖,长时间运行会造成地下水温度降低,影响热泵系统效率。因此水源热泵系统与太阳能系统联合运行可以使水井间歇运行,使地下水温度得到及时恢复。地下水地源热泵根据水质情况可采用直接地下水系统或间接地下水方式,直接地下水方式适用于水质好地区,由抽水井取出的地下水,经处理后直接流经水源热泵机组热交换后返回地下同一含水层;间接式地下水系统的地下水与中间换热器热交换后返回地下同一含水层。但间接式地下水系统经过热交换后热泵机组的进水水温较低,降低了热泵机组的运行效率。本工程所在地区经测试地下水资源丰富,推荐采用直接地下水系统。


2.2、太阳能供暖系统

    太阳每年辐射到地球表面的能量巨大,其利用潜力很大,且利用太阳能不会对地球生态环境造成污染。因此太阳能是一种取之不尽,用之不竭的可再生环保能源。我国太阳能资源丰富,北方地区年日照时间一般在2000h以上,那曲地区更是高达2860h,属太阳能利用较有利地区。

    太阳能供暖系统是指以太阳能作为供暖系统的热源,利用太阳能集热器将太阳辐射能转换成热能,供给建筑物冬季供暖和全年其他用热的系统。但太阳能供暖系统受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件限制和阴雨天气等随机因素影响较大。因此,仅利用太阳能系统供暖,需要较大的集热面积和蓄能装置,增加设备的初投资,全部使用太阳能供暖受到了限制。因此可以利用水源热泵与之联合运行,当太阳能系统的热量不能满足建筑热负荷需求时使用水源热泵来满足。

    太阳能供暖可分为主动式和被动式两种方式。被动式太阳能供暖通过建筑的朝向和周围环境的合理布置,内部空间和外部形体的巧妙处理,以及建筑材料和结构构造的恰当选择,使建筑物在冬季能充分收集、存储和分配太阳辐射热。主动式太阳能供暖系统主要由太阳能集热系统、蓄热系统、末端供热系统、自动控制系统和其他能源辅助加热、换热的设备集合构成,相比于被动式太阳能供暖,其供热工况更加稳定,但同时,投资费用也增大,系统更加复杂。随着经济和社会的发展,主动式太阳能供暖开始大规模应用。根据本工程特点,推荐采用主动式太阳能供暖系统。


供暖系统初步方案

一、工程概况

1.本工程位于西藏那曲地区,建筑功能为办公楼,总建筑面积为11000平方米,其中一期工程3000平方米,二期工程约7000平方米。那曲地区气候寒冷干燥,年平均气温较低,全年七个月以上需要供暖。工程一期原有两台制热量710kw的燃油锅炉,系统运行费用较高,且污染环境,现一、二期工程均考虑节能、环保的供暖系统太阳能与水源热泵联合供暖系统。

2.供暖系统要求:满足供暖季的采暖需求。

3.供暖系统设计方案:根据建筑只有供暖需求,末端系统设计采用地板辐射供暖系统。空调系统热源方案如下:本次设计考虑利用原有两台燃油锅炉作为备用热源,主要应用太阳能及水源热泵。

4.建筑负荷(指标法估算)
供暖热负荷:10000平方米×120w/平方米=1200kw
热泵承担负荷:1200kw×55%=660kw
太阳能承担负荷:1200kw×45%=540kw

二、供暖系统方案:水源热泵+太阳能+锅炉系统(备用)

1.水源热泵设计计算

(1)太阳能综合承担65%建筑负荷,水地源热泵承担建筑35%负荷,燃油锅炉作为备用热源。系统运行过程中太阳能优先运行,水地源热泵其次,当出现极端气候条件或前二者检修维护时,开启燃油锅炉。本方案三个供暖系统可以互为备用,水地源热泵系统基本不受气候条件影响,运行费用只相当于电供暖系统的1/5;太阳能系统受外界环境影响明显,但运行费用最低廉;燃油锅炉运行费用高,且污染环境,作为第三级备用。

(2)供暖设备选择

选择6台水源热泵机组,单台机组制热量为108kw,总制热量为648kw。可以承担部分供暖需求。

(3)水井设计

应用水地源热泵技术的前提条件是建筑场地具备必要的电源和水源。电源用以驱动热泵机组的压缩机做功,水源作为热泵机组从中获取热能的热源或向其排放热量的冷源。

热泵机组对热源的要求条件是:水温适度、水质适宜、水量充足,供水稳定可靠。本项目是否可行,可以从地下水类型、地下水水温、地下水水质、含水层富水性等因素进行分析论证。

根据计算,该工程水源热泵机组供暖时需井水水量为45立方米/h。

根据水地源热泵设计规范要求,需对地下水做抽水及回灌试验,试验方法及要求参见GB50296及GB50366。根据测试结果设计抽水井及回灌井数量。

2.太阳能系统计算

(1)根据气象数据,那曲地区的的辐照强度为H(集热器倾角等于当地纬度)。
T——月平均室外温度℃;(见表1)


气象数据

气象数据


H——等纬度角太阳月平均日辐射量(MJ/平方米d);

(2)供暖及供暖热负荷分析

设计计算条件:

建筑热指标:120W/平方米

建筑物供暖时间:24h

建筑物建筑面积:10000平米

10000平方米建筑供暖期热负荷值(见表2)


筑供暖期热负荷值

筑供暖期热负荷值


考虑其他因素,太阳能系统的供暖贡献率应在45%左右,以上计算太阳能系统效率按45%计算。

3.供暖末端系统的选择

    地板辐射供暖相比传统供暖方式有无可比拟的优势,具有舒适、节能、环保等优点。地板辐射式供暖如今在北方地区已经被广泛应用,与传统的取暖方式不同,热能从地面开始散出,然后辐射、对流至居室四周。

    (1)高效节能:在室内采用地板辐射供暖时,沿高度方向温度分布比较均匀,温度梯度小,减少了无效热损失。实践证明,地板辐射供暖房间的热效率比较高,在1.8米以下形成一个热气层,热量集中在人体受益的高度内。在同样满足温暖舒适条件下,地板供暖的温度设置可比其他供暖方式低2至3摄氏度,有关技术资料显示,如室内温度降低1摄氏度,可节能近10%。利用水源热泵或地源热泵进行地板辐射供暖、供冷,每平方米装机电量不大于15瓦,比空调低30~50瓦,可有效缓解高峰供电紧张状况。由于地板本身是热辐射面,因此减少了围护结构近1/5的冷面吸热耗能。

    (2)舒适美观:对人体的健康和供暖效率而言,最佳的效果是从下到上逐渐变凉的方式,地板辐射供暖是最接近这种效果的理想供暖方式,给人以脚暖头凉的良好感觉。当人们滞留在温暖的地板上时,加热人体最容易感觉寒冷的足部区域,脚暖而身体上部又不受冷辐射的作用,符合人体生理学需求,故感到十分舒适。不占用室内空间,可充分展示装修个性。

    (3)节约维修费用:由于地板供暖盘管全部暗埋在楼板中,所以在运行中如果不是人为破坏,几乎不存在维修的问题,使用寿命在50年以上,不腐蚀、不结垢,只需定期清洗过滤器,可节约维修费用。

    4.水源热泵与太阳能地板辐射供暖的工作原理典型的太阳能地板辐射供暖系统由太阳能集热器、控制器、集热泵、蓄热水箱、辅助热源、供回水管、关断阀、三通阀、过滤器、循环泵、温度计、分水器、加热器组成。

    当T1>50℃时,控制器就启动水泵1,水进入集热器进行加热,并将集热器的热水压入水箱,水箱上部温度高,下部温度低,下部冷水再进入集热器加热,构成一个循环。当T1<40℃,水泵停止工作,为防止反向循环及由此产生的集热器的夜间热损失,则需要一个止回阀。当蓄热水箱的供水水温T2>45℃时,可开启泵2和3进行供暖循环。和其它太阳能的利用一样,太阳能集热器的热量输出是随时间变化的,它受气候变化周期的影响,所以,太阳能系统不能保证在任何情况下都有足够的能量供给。当阴雨天或是夜间太阳能供应不足时,可开启三通阀,利用热泵或用户原有的锅炉加热。当室温波动时,可根据以下几种情况进行调节。如果可利用太阳能,而建筑物不需要热量,则把集热器得到的能量加到蓄热水箱中去;如果可利用太阳能,且建筑物需要热量,把从集热器得到的热量用于地板辐射供暖;如果不可利用太阳能,建筑物需要热量,而蓄热水箱中已储存足够的能量,则将储存的能量用于地板辐射供暖;如果不可能利用太阳能,而建筑物又需要热量,且蓄热水箱中的能量已经用尽,则打开三通阀,利用热泵或锅炉进行加热。 

5.应用太阳能-地源热泵技术的原则:

    (1)在经济许可的前提下最大限度地利用太阳能。太阳能是完全免费的,在利用过程中,仅消耗水泵能耗,运行费用最低,所以在经济许可的情况下,可适当增大太阳集热器的面积。

    (2)太阳能-地源热泵技术适宜全年供生活热水以及冬季供暖、夏季制冷的全年综合利用。在实际工程中,采用新能源后,系统初投资较高,尤其是太阳集热器,全部是增量成本,最好能全年综合利用。例如:太阳集热器冬季供热、夏季制冷,在过渡季不使用空调时,除提供生活热水外,将多余的太阳能热量储存起来,供冬季供热。这样既可以综合利用太阳能,又可以避免太阳集热器的空晒,增加了太阳集热器的寿命。
    (3)新能源利用的前提是用于节能建筑,以降低系统的初投资。太阳能的能流密度较低,集热系统的价格在目前仍然偏高;地源热泵系统与常规系统相比,初投资比较高。为了尽可能减少系统的初投资,必须保证建筑围护结构符合节能规范的要求,以降低供暖、制冷负荷。

    (4)与供水温度要求低的末端系统配套使用。目前高温型的地源热泵机组COP值较低,常规地源热泵机组供热时,出水温度较低。同时,太阳集热系统的集热效率也与出水温度有关,温度越高热损失越大,集热效率降低,因此在选择供暖末端系统时应优先选择供水温度要求低的形式。

6.太阳能系统与地源热泵系统联合运行的方式

太阳能系统与热泵系统联合供热的原则是:以热泵系统为主,太阳能系统为辅助热源,但在运行控制上要优先采用太阳能,并加以充分利用。

    (1)在集热器末端设置温度传感器T1,储热水箱设置温度传感器T2,当T1-T2达到设定温差上限时,程序控制器命令循环泵启动,太阳能系统对储热水箱的水进行加热,当T1-T2达到设定差值的下限值时,循环泵停止。以上过程是一个反复过程,只要满足条件太阳能系统就在集热循环状态,体现最大限度和优先利用太阳能的原则。

    (2)在阴天或太阳辐射差的条件下,并且储热水箱的温度也不能满足系统供暖需求,系统将自动切换到热泵系统。同时由于采用分散式热泵,系统可以根据实际的供暖需求,不同的区域,不同的温度需求和不同的季节灵活调节机组运行数量,进一步提高能源的有效利用。

太阳能系统与热泵系统联合供热如图1所示:


太阳能系统与热泵系统

太阳能系统与热泵系统


三、结语

    本工程设计为水源热泵系统与太阳能集热系统联合供暖,是比较有代表性的可再生能源利用形式,虽然系统的初期投资相对较高,但经过经济分析,系统静态投资回收期约为5年,与原来的燃油锅炉相比较,系统节能减排效果明显。因此,本工程推荐使用此联合供暖系统。




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