探讨太阳能与地源热泵结合系统设计

北京清华阳光能源开发有限公司/张理静

　　1设计理念

　　使建筑能够融入周围的景观环境中，通过对大空间的逐层控制，从而达到线性空间序列的变化体验，为小区居民创造出良好的小区人文环境。总体规划传承对称稳重均衡的布局原则，充分考虑建筑与景观相结合。

　　2项目概况

　　小区占地10.8万m2，总建筑面积16.5万m2，绿化率达65%的法式生活居住地。项目分为两期，一期为高档住宅，二期为酒店式公寓和5A级写字楼以及大型餐饮娱乐等公建配套，是一个集健身、休闲、居住、度假为一体的巴厘岛风情社区。

　　该小区本着低碳环保的绿色生态理念，小区7栋建筑共15个单元全部采用太阳能全年提供24小时生活热水和分时段洗浴热水。每户设计水量120L，总水量79.68吨，采用清华阳光横式联集器224组，集热面积1568平米，平均每吨水集热面积19.86平米（标准配置为14平米/吨），实际产出的热水量为设计值的1.4倍，能极大地补偿阴雨天等没太阳情况下的热水使用量。

　　项目采用太阳能提供生活热水，使用横式联集器集中集热集中供热热水系统。小区1#楼~7#楼每个单元配置设计、设备供应、施工安装。1#楼~7#楼配置情况如表1所示。

　　3系统概况

　　太阳能系统用于提供生活热水，该小区总热水用水量为79.68t，热水温度为45℃～55℃，采用清华阳光SLL4715/56型集热器每块集热器集热面积为4m2。系统配备304－2B内胆不锈钢水箱，用于储存太阳能一次热水，太阳能系统采用定温出水与温差循环工作方式对水箱中的水进行加热。水箱中的一次热水通过变频泵主管路循环，各用户分别减压到合适压力后（压力在1公斤左右不用减压）送入室内，实现热水即开即热，系统水温达不到设定温度时系统自动开启电辅助加热，加热至设定温度时自动停止。

　　3.1供水方式

　　一次热水系统采用自动增压供水系统。户内热水为分户减压后并热水表计量直接供水。

　　4数据计算

　　太阳能集热面积计算：根据国家现行标准《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB/T18713-2002中的计算公式，计算过程如下：

　　4.1一次侧集热面积计算公式（以1000L公斤终端用水为例）

　　4.2初步计算结果

　　经计算得出，太阳能系统的理论集热面积为13.5m2；即每吨用户终端的热水需要13.5m2集热面积提供热量。根据上表得出，玫瑰园需要集热面积共计1200m2集热面积，共计SLL集热器150块。

　　集热器基础采用混凝土基础制成（甲方预留），混凝土含预埋件，预埋铁上螺栓连接贯穿的国标槽钢，槽钢上连接无焊缝的国标热镀锌角钢支架。

　　5储热水箱容积与材质

　　5.1计算原则

　　一般来说，对应于每平方米太阳集热器采光面积，需要的贮热水箱容积为40~100L，通常情况下，推荐采用的比例关系通常为每平方米太阳集热器采光面积对应75L贮热水箱容积。对于集中储热分户供热系统，实际需要水箱容量较小，水箱容积计算：

　　水箱容积按下式计算：

　　5.2水箱容量如表2所示

　　5.3储热水箱材质

　　水箱内胆SUS304不锈钢集成，厚度1.0mm以上制成，水箱外壳采用0.4mm镀铝锌板组装模块，内胆与外壳之前有保温层，保温材质为聚氨酯发泡，厚度为80mm。

　　5.3.1分户减压配置

　　根据设计院水专业设计供水管路达到用水要求，此项可由总包完成，屋面预留供水、回水管。

　　6系统运行原理

　　6.1运行原理概述

　　屋面布置太阳能集热器阵列，设备间放置保温水箱，保温水箱内为一次水，加热后用于加热用户端水箱。

太阳能系统运行采用温差循环（强制循环）与定温出水的工作方式，不断加热太阳能水箱中的水，当太阳能水箱需要补水时，系统启动电磁阀进行补水，将水补充到设定水位时停止。

　　系统一次水循环方式采用自动增压供水泵进行加压循环。

　　用户需加装减压阀，用于控制供入不同楼层的水压。

　　6.2太阳能系统运行原理流程（参照运行原理图）

　　1.太阳能系统采用定时补水方式，打开E2自动补水，补充完毕后系统自动关闭补水电磁阀E2。太阳升起后，对集热器进行加热。当T1大于水箱实际水温7℃(可调)时打开水泵P1a，对储热水箱内水循环加热，进行温差循环，当T1小于水箱实际水温水温3℃时停止，此过程为温差循环（又称强制循环）；水箱不满并且水箱温度满足要求时，当集热器温度到达设定温度时，电磁阀E1打开，用自来水将集热器中的热水顶回到水箱，当集热器水温低于设定温度时，电磁阀E1停止。此种方式一直将水箱中的水补满为止，此控制过程为定温出水（又称直流系统）。

　　2.当集热器底部的温度传感器T2低于5℃时，启动循环水泵，进行防冻循环，同时启动电伴热带，保证管道防冻安全。

　　3.系统一次循环供水采用自动增压装置。

　　4.单户减压加装热水表后供入用户室内。

　　6.3运行原理图（如图1所示）

　　7效益分析

　　太阳能、热泵的有效结合，优势互补，再加上全智能化控制系统，实现了零能耗+低能耗无污染的运行方式，太阳能+热泵做为一种环保节能制热方式，综合节能率可达85%以上，符合节能减排的大政策，为用户创造了舒适的生活环境，系统值得进一步研究和推广。

　　按照世界气象组织提供的太阳常数为1367W/m2测算，每平方米太阳能集热器年可节约标煤150kg~80kg，相当于450~500kW·h。同时，减排二氧化碳300kg，二氧化硫2kg，二氧化氮2kg，粉尘3kg。按目前我国环保治理费标准计算，每平方米太阳能集热器产生热水每年的环境效益为75元，太阳能热水器10年寿命期的总效益为750元。每生产1m3热水耗能70kg标煤，而太阳能热水在10年寿命期内节能1500kg标煤以上，能源转换率高达95.5%。

　　依照上述计算寿光玫瑰园小区玫瑰园采用太阳能热水+地源热泵辅助热水系统，全年能节约用电约16万kW·h，减少二氧化碳、各类有害气体及粉尘排放约112t。玫瑰园1568m2集热面积按照10年寿命计算，寿命期内能产生总效益117.6万元。

　　8结语

　　该小区在冬季太阳辐照量不足的情况下与地源热泵结合，这套系统中太阳能采用热水专用集热器，集热效率高，系统能稳定性强。辅助能源为热泵机组（水/地源热泵机组、低温空气源热泵机组），它弥补了太阳能的间歇性和随季节变化带来的不稳定性。