【太陽能采暖】太陽能復合采暖系統(tǒng)在新農村城鎮(zhèn)化改造中的應用

       太陽能光熱利用技術和產品是把太陽輻射到地面的輻射能轉換成的技術和產品，根據(jù)工作溫度的不同，太陽能熱利用的分類可劃定為低溫、中溫、高溫三類。低溫（40℃～80℃）熱利用，主要為生活用熱；中溫（80℃～250℃）熱利用，應用領域為工業(yè)用熱；高溫（300℃～800℃）熱利用，可用于太陽能熱發(fā)電。

       太陽能光熱利用，除常用的太陽能熱水器外，還有太陽房、太陽灶、太陽能溫室、太陽能干燥系統(tǒng)、太陽能海水、太陽能空調、太陽能泳池加熱、太陽能采暖、太陽能開水器、太陽池、太陽爐以及太陽能工業(yè)應用等。

       由于污染嚴重，我國大部分地區(qū)都出現(xiàn)嚴重霧霾天氣，國家正花力氣治理環(huán)境污染問題，太陽能是清潔的可能源，在替代傳統(tǒng)能源減少污染物排放、治理霧霾、凈化空氣方面有重大貢獻。尤其在廣大農村地區(qū)，電能和氣供應不足，開發(fā)和利用太陽能資源更是解決我國采暖去煤炭化的重要途徑之一。本文介紹的是北京市郊區(qū)社會主義新農村建設中利用太陽能和低溫空氣源熱泵結合，用來滿足用戶全年熱水供應和冬季采暖使用，要求夏天每天供應300L溫度50℃生活熱水，冬季每天供應200L溫度50℃生活熱水和保證室內溫度18℃。

       本項目為與建筑結合的嵌入式平板分體復合太陽能熱水系統(tǒng)，平板集熱器嵌入安裝在建筑物的南坡屋面上，集熱器的四周略高于坡屋面的釉面瓦。太陽能集熱系統(tǒng)為承壓間接分離式，循環(huán)工質為換能液，循環(huán)管路為紫銅管，所有接口為承插焊接，保證系統(tǒng)在高溫高壓下可以穩(wěn)定運行。本項目的末端散熱器為地埋管，既保證了采暖效果又節(jié)約室內空間。

一、系統(tǒng)組成和工作原理

       該新型農村社區(qū)太陽能與建筑一體化采暖與生活熱水范項目，總建筑面積16529平方米，其中地上12780㎡，地下4309㎡，結構形式磚混結構，地上3層，地下1層。該項目內共有9棟住宅和1棟村委會樓，住宅樓一梯兩戶，其中建筑面積75㎡A戶型33套，建筑面積95㎡B戶型57套，建筑面積115㎡C戶型36套，小區(qū)總計126戶，建筑物布局圖見圖1.

       夏季生活熱水以太陽能為主，陰雨天氣采用空氣源熱泵輔助加熱，冬季優(yōu)先采用太陽能，當太陽能熱量不足時用空氣源熱泵補充。本系統(tǒng)的工作狀態(tài)可以在太陽能生活熱水、太陽能采暖、空氣源熱泵采暖、空氣源熱泵為生活熱水輔助加熱之間自動切換。該系統(tǒng)按工作功能分為太陽能集熱儲熱部分、生活熱水供應保障系統(tǒng)、采暖和室內溫度調節(jié)系統(tǒng)、為保證系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的準確可靠，本系統(tǒng)還帶有能量檢測和數(shù)據(jù)傳輸功能。

圖2系統(tǒng)運行原理圖

       1、太陽能集熱和儲熱系統(tǒng)工作原理

       該系統(tǒng)采用溫差強制循環(huán)工作方式，當集熱器出口介質溫度比水箱溫度高一定值時集熱循環(huán)泵啟動，把太陽能集熱器獲得的能量通過換熱器轉儲到儲熱水箱中，當集熱器出口溫度和水箱溫差降低到設定數(shù)值時，停止集熱循環(huán)泵，系統(tǒng)運行原理圖見圖2

       2、輔助能源功能

       本系統(tǒng)具有電加熱和空氣源熱泵雙輔助能源系統(tǒng)。空氣源熱泵在冬季既可以作為采暖的主要能源也可以作為生活熱水的輔助熱源，在夏季如果用戶不使用空氣源熱泵，本系統(tǒng)的儲熱水箱還內置了2kw的電加熱作為輔助能源。

       為節(jié)約常規(guī)能源，其工作方式為定時加熱方式，在設定時間段當水箱熱水溫度低于設置溫度時，啟動輔助能源（電加熱或空氣源熱泵，這兩者可以通過控制器菜單選擇）；當水溫達到設定溫度則停止輔助能源；

圖3集熱器布置效果圖

       3、太陽能熱水輔助采暖功能：

       在采暖季電動三通閥V2的1-2通，采暖工質經分、集水器循環(huán)。當房間溫度低于設定溫度時溫控器給出采暖信號，這時采暖循環(huán)泵P2啟動，地板采暖盤管中的工質開始循環(huán)；控制系統(tǒng)根據(jù)儲熱水箱的溫度決定是采用太陽能采暖還是直接啟動空氣源熱泵采暖，且始終堅持太陽能優(yōu)先且保證生活熱水供應。

       當水箱溫度高于設定溫度一定值時，電動三通閥V1的1-3通，太陽能水箱的熱量經水箱中的上部盤管換熱器換熱后向分集水器提供能量，這種狀態(tài)下空氣源熱泵的壓縮機不啟動。當水箱溫度低于設定值時，電動三通閥V1的1-2通，切斷采暖系統(tǒng)和太陽能水箱的通道，太陽能系統(tǒng)不再提供采暖所需能量，啟動空氣源熱泵的壓縮機，空氣源熱泵為制熱狀態(tài)，通過空氣源熱泵向房間供暖。

圖4坡屋面嵌入式安裝效果圖

       4、空氣源熱泵加熱生活熱水功能：

       在夏季溫控器沒給出采暖需求信號前提下，電動三通閥V2的1-3通，電動三通閥V1的1-3通，采暖工質不再經分集水器但經過水箱上部盤管換熱器循環(huán)。在設定的輔助能源加熱時間內當水箱熱水溫度低于設定溫度一定值時，控制系統(tǒng)啟動空氣源熱泵對水箱進行加熱。

圖5坡屋面集熱布置設計圖

       5、采用帶溫控開關和壓力平衡閥的分集水器來單獨控制各房間的溫度，可個性化設置各房間的溫度，在保證舒適度的同時節(jié)能大化。

圖6集熱器和瓦屋面結合節(jié)點圖

       6、本項目是太陽能與建筑結合的典型應用，集熱器嵌入平鋪在坡屋面上，集熱器上表面略高于瓦面（因為本建筑所用瓦是圓弧狀釉面瓦），四周用專用鋁合金型材做防水結構，鋁型材下部以及四周和瓦接觸部分用聚合物混凝土砂漿填實抹平，抹平后的鋁型材四周用防紫外線油性防水涂料涂刷數(shù)遍以提高防水性能。左右兩塊集熱器之間由于有連接接頭，因此間距比較大，采用L型密封條和專用鋁型材密封，專用鋁型材和集熱器鋁型材外框接觸部分用耐候膠密封，上下兩塊集熱器之間的間距較小，采用專用硅膠密封條和耐候膠密封。

圖表7集熱器橫向布置及連接節(jié)點圖

       7、本項目所有集熱管道和測溫探頭及測溫導線都敷設在瓦下面的保溫層內，保證屋面整潔美觀。圖6.1是上下兩塊集熱器間密封設計圖紙，兩塊集熱器之間是專用Ｔ型硅膠密封條，圖6.2是集熱器布置橫向剖切圖，左右兩塊集熱器之間用專用Ｃ型鋼定位用專用Ｌ型材及Ｌ型密封條密封，圖6.3是集熱器嵌入式安裝成型效果圖。

二、社會效益和環(huán)保效益

       該項目設計太陽能之處采暖季太陽能保證率為26%，經測試太陽能保證率為25.8%，基本達到設計要求。采用該項目后每年節(jié)約的常規(guī)能源折合標準煤為404噸，年減排年減排CO2：1074.6噸，減排粉塵量：80.8噸（20%粉塵率）年減排SO2：9696kg，年減排氮氧化合物：2828kg，該項目的投資回報期為5.2年。

三、結論

       1、根據(jù)2015年1月3日~2015年3月28日的實測結果，太陽能加低溫空氣源熱泵的符合太陽能采暖系統(tǒng)是能滿足北京市北部郊區(qū)冬季采暖需求的。

       2、采用本設計方案的與建筑結合的太陽能集熱系統(tǒng)外表美觀，與建筑渾然一體，防水性能練好，可以做到與建筑物同壽命。

       3、冬季采暖時太陽能系統(tǒng)的光熱轉換效率比測試中心的測試效率要低，這主要是因為環(huán)境溫度低、集熱器進出口溫度比測試標準要高很多，系統(tǒng)的熱損比理想工況時大等因素造成的，在進行太陽能太陽能采暖設計時要考慮集熱器集熱效率下降所需要的集熱面積補償因素。

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