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太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行方式的探討

09-03 12:40:42  瀏覽次數:995次  欄目:暖通空調
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  1引言

  能源和環境是影響國民經濟可持續發展的關鍵因素,能源供應形勢直接關系到國家的安全和社會穩定。建筑領域消費的能源,主要是煤炭、石油和天然氣等石化能源。這些能源,資源有限,不可再生,終究要枯竭,而且傳統能源會對環境造成嚴重的污染。我國人口眾多,人均資源占有量低于世界平均水平,與經濟發展和人民生活消費的需求相比,能源供應的缺口很大,而且能源消費結構不合理,以煤為主的能源供給造成了嚴重的大氣污染和溫室氣體排放,我國目前的CO2排放量居世界第二位。我國是京都議定書的簽約國,目前的這種能源消費方式,已受到國際社會的高度關注,加大了我們保護環境和改變經濟增長模式的壓力。因此,節約能源和開發利用清潔、可再生能源的任務十分緊迫。

  由于能源問題對國家安全和經濟發展所起的重要作用,中央提出了建設節能省地型住宅的政策方針,因此,可再生能源在建筑中的應用是建筑業技術進步和行業發展的需要。隨著2006年1月《可再生能源法》的正式頒布與實施,太陽能、地熱能在建筑行業中的應用越來越受到人們的重視。

  地源熱泵技術是可再生能源應用的主要應用方向之一,即利用淺層地熱能資源進行供熱與空調,具有良好的節能與環境效益,近年來在國內得到了日益廣泛的應用。隨著《地源熱泵系統工程技術規范》的實施,地源熱泵系統工程的市場更加規范化,能更好的發揮其節能、環保效益。但地源熱泵系統存在土壤溫度場的恢復問題,即隨著地源熱泵系統連續長期的運行,會從地下過多的取熱或過多的散熱,造成地下溫度場的波動,降低機組的COP值,增加系統的能耗。

  太陽能技術也是可再生能源應用的主要應用方向之一。北京屬于太陽能資源比較豐富的區域,太陽能年輻射總量在5600MJ/m2~6000MJ/m2,年日照時數在2600小時~3000小時,所以太陽能技術在北京有很好的發展前景,并且太陽能在建筑中的應用是現階段太陽能應用中最具有發展潛力的領域。太陽能是永不枯竭的清潔能源,量大,資源豐富,綠色環保。但太陽能也具有一些缺點:(1)太陽能的能流密度低。雖然到達地球表面的太陽能有102000TW,但即使在太陽能資源較豐富的沙漠地區,考慮到太陽集熱系統的效率和熱損失,每平米集熱器面積實際采集到的年平均太陽能輻射照度不到100W,而且它因地而異,因時而變。(2)太陽能具有間歇性和不可靠性。太陽能的輻照度受氣候條件等各種因素的影響不能維持常量,如果遇上連續的陰雨天氣太陽能的供應就會中斷。此外,太陽能是一種輻射能,具有即時性,太陽能自身不易儲存,必須即時轉換成其它形式能量才能利用和儲存。

  地源熱泵技術和太陽能技術自身存在的這些局限性,如果兩種能源能夠聯合使用,這樣能互相彌補自身的不足,提高資源利用率。

  2太陽能-地源熱泵技術應用的條件

  應用太陽能-地源熱泵技術的原則:(1)在經濟許可的前提下最大限度地利用太陽能。太陽能是完全免費的,在利用過程中,僅消耗水泵能耗,運行費用最低,所以在經濟許可的情況下,盡可能增大太陽集熱器的面積,以提高太陽能的利用率。

  (2)太陽能-地源熱泵技術適宜供全年生活熱水、冬季供暖、夏季制冷的全年綜合利用。在實際工程中,采用新能源后,系統初投資較高,尤其是對太陽集熱器,全部是增量成本,最好能全年綜合利用。例如:太陽集熱器冬季供熱、夏季制冷,在過渡季,不設空調時,太陽能除提供生活熱水外,將多余的熱量儲存起來,供冬季供熱。這樣的做法既可以做到太陽能的綜合利用,又可以避免太陽集熱器的空曬,增加了太陽集熱器的壽命。

  (3)新能源利用的前提是必須采用節能建筑,以降低系統的初投資。太陽能的能流密度較低,太陽集熱系統的價格在目前仍然偏高;地源熱泵系統與常規系統相比,初投資也較高。為了盡可能減少系統的初投資,必須保證建筑圍護結構符合節能規范的要求,以降低供暖、空調系統的負荷需求。

  (4)與供水溫度要求低的末端系統配套使用。目前高溫型的地源熱泵機組COP值較低,對于常規地源熱泵機組來說,供熱時,出水溫度較低。同時,太陽集熱系統的集熱效率與集熱系統的出水溫度有關,溫度越高熱損失越大,集熱效率降低,因此在選擇供暖系統時應優先選擇供水溫度要求低的形式。

  3工程概況該示范工程

  位于北京市通州區,有3棟建筑,為了管理方便,將3棟建筑分為南、北兩區。南區建筑面積6625m2;北區建筑面積2835m2.主要功能為辦公和試驗。圍護結構的性能參數如下:(1)外墻采用性能優良,技術成熟的墻體外保溫構造,基墻墻體主要采用400mm厚加氣混凝土砌塊,其導熱系數為0.14W/(mok),墻體的平均傳熱系數為0.4W/(m2ok);框架、異形柱采用加氣混凝土砌塊,短肢剪力墻、剪力墻采用聚苯擠塑板薄抹灰保溫體系;架空層板底粘貼30mm厚的擠塑板,傳熱系數K≤0.5W/(m2ok)。

  (2)外窗斷熱型材鋁合金窗K=2.0W/(m2ok)

  斷熱型材玻璃幕墻K=2.0W/(m2ok)

  保溫夾心板鋼制門K=1.5W/(m2ok)

  空氣滲透性能等級3級(3)屋面屋面的節能措施主要包括兩種平屋面的保溫體系。屋面主要包括80mm厚彩色壓型鋼板(聚氨酯保溫夾心)和倒置式屋面保溫構造,其屋面傳熱系數為0.275W/(m2ok)。此外,部分平屋面采用屋頂綠化技術,結合保溫材料和防水技術,以達到節能和改善頂部房間室內熱環境的良好效果。

  (4)地面地面采用50mm厚擠塑聚苯板保溫,其導熱系數為0.029W/(mok),其平均傳熱系數為0.25W/(m2ok)。

  在上述措施下,本工程的建筑節能目標達到65%。

  4太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行的方式

  南、北兩區均采用地源熱泵系統、太陽能系統作為空調采暖系統的冷熱源。辦公區域夏季采用風機盤管加新風系統;冬季,北區采用地面輻射采暖系統,南區采用風機盤管加新風系統;試驗區域夏季不設空調,冬季采用輻射型散熱器采暖系統,保證值班采暖溫度。設計工況下的負荷為:北區冬季熱負荷110kW,夏季冷負荷55kW;南區冬季熱負荷298kW,夏季冷負荷140kW. 4.1太陽能系統與地源熱泵系統聯合供熱太陽能系統與地源熱泵系統聯合供熱的原則是;以地源熱泵系統為主,太陽能系統為輔助熱源,但在運行控制上要優先采用太陽能,并加以充分利用。在供熱運行模式下,北區試驗區域采用的散熱器采暖系統與辦公區域采用的地面輻射采暖系統串聯運行,以提高太陽能的利用率。

  (一)太陽集熱系統北區采用140m2平板型太陽集熱器,采用太陽能與建筑一體化技術,使太陽集熱器與建筑完美結合。本示范工程將太陽集熱器設置在建筑的南立面上,與玻璃幕墻融為一體,這樣既豐富了建筑的立面效果,又起到了利用太陽能的作用。北區冬季熱負荷大于夏季冷負荷,可以采用太陽能輔助供熱,解決地下的熱量不平衡問題,提高地源熱泵系統的運行效率。

  在北區,太陽能除冬季與地源熱泵系統聯合供熱外,其它季節,在不供熱時,采用季節性蓄熱技術將熱量儲存在蓄熱水池中,供冬季采暖使用。

  (二)聯合供熱方案比較太陽能系統與地源熱泵系統聯合供熱的方式有兩種:并聯和串聯方式。并聯方式示意圖如圖1所示:圖1太陽能系統與地源熱泵系統并聯供熱方式串聯方式示意圖如圖2所示:并聯運行模式與串聯運行模式相比,存在以下弊端:(1)當太陽能系統與地源熱泵系統同時運行時,系統的循環水量為兩者之和,太陽能系統能否直接供熱,直接影響系統的循環水量,進而影響熱泵機組的可靠性。

  (2)在并聯運行模式下,當Tg溫度低于50℃時,太陽能不能被直接利用,只能去加熱土壤,提高熱泵機組蒸發器側的溫度。而在串聯模式下,當Tg溫度低于50℃,而高于40℃時,可以與地源熱泵機組串聯運行,充分提高地源熱泵機組的COP值。

  基于串聯運行模式的優點,本示范工程采用串聯運行模式。其運行策略為:在供暖初始時,由于采用了季節性蓄熱的技術,同時,在室外溫度較高的情況下,采暖負荷較小,此時,經過太陽能加熱后的供水溫度Tg較高,若溫度高于50℃,則利用太陽能直接采暖;若供水溫度低于48℃,并且高于40℃,則太陽能采暖系統與地源熱泵系統串聯運行,即經過太陽能加熱后的水再經過地源熱泵系統提升(達到50℃)后,供給末端。若供水溫度低于40℃,并且高于20℃,則太陽能系統接入地源熱泵系統的地下換熱器,加熱土壤的溫度,同時提高熱泵機組蒸發器側的進水溫度,以提高熱泵機組的效率。若供水溫度低于20℃,則太陽能系統直接接入熱泵機組的蒸發器側。

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