太阳能空气源热泵空调系统的可行性分析.pdf

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1、太阳能空气源热泵空调系统的可行性分析 正阳诚信太阳能节能设备有限公司 目录 随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，我国正面临着越来越大的能源压力，特别是用于采暖、空调建筑能耗的增加，已成为我国不少城市缺电的诱因。地球上的化石燃料煤、石油、天然气等将逐渐开采枯竭，开发包括太阳能、风能在内的可再生能源利用的任务已十分迫切。所以，在提高太阳能热利用应用技术水平的同时，应积极创造条件，将现有成熟技术在实际工程中推广应用，以积累经验，通过实践进行技术的改善、提高，起到样板和示范作用。一、热泵的低位热源 被热泵吸收热量的物体一般称为热泵的低位热源。热泵的低位热源有很多种，主要有：空气、地下水、河湖水、土

2、壤热、太阳能、工业废热。这些热源可以大量的无偿获得。表 1 热泵的各种热源 热源 项目 空气 地下水 河湖水 土壤热 太阳能 工业废热 作为热源的适用性 良好/大量使用 良好主要热源 良好主要热源 一般/已有应用 良好/潜力巨大 应状态而异 存 在 问 题 供热时，热泵供热量与建筑物热负荷要注意水垢 及 腐蚀；注意回灌及运注意水垢和腐蚀；冬季水温下降 投资大；腐 蚀 问题；故障检修困难 与其他设备结合应用；注意蓄热问题 注 意 水质，水垢及腐蚀问题；是否矛盾；室外温度低时易结霜 行过程中的水污染问题 供应稳定 选择低位热源时，一般要综合考虑以下几个原则：1、低位热源要有较高的品位和足够的容量。

3、热泵的热源温度的高低是影响热泵运行性能的与经济性能的主要因素之一。在一定的供热温度下，热泵热源温度与供热温度之间的温差越小，热泵的理论能效比就越大。2、应该没有任何的附加费用或附加费用极少。3、输送热量的载体的动力消耗要尽可能的少，以减少系统的输送费用，提高系统的综合性能。4、热泵热源的载体要价廉易得，对环境友善，对换热器及管路的腐蚀性要小。5、热源温度的时间特性与供热的时间性能应尽量一致。二、空气作为热泵的低位热源 1、空气源热泵的优缺点 近年来，空气源热泵作为空调的冷热源得到了广泛的应用，使用地域由南向北，从长江流域逐渐扩展的我国的北方地区。空气源热泵以空气作为热泵的低位热源具有无可比拟的

4、优点。空气取之不尽用之不竭；机组占地面积少，自动化程度高；机组可冬夏共用；设备安装和使用都比较方便。但这种形式的热泵有着显着的缺点。室外空气状态（温度、湿度）随着地域、季节、昼夜均有很大的变化，而热泵的制热量和制热性能系数受室外状态影响较大。当室外空气温度降低时，系统的蒸发压力降低，压缩机制冷剂流量减少，压缩机的压缩比增大，热泵的运行工况变差，热泵的制热量减少，与之相反的是时建筑热负荷随着室外温度降低变大，热泵的制热量与建筑物的热负荷相矛盾。如图 1，建筑热负荷随室外温度降低而升高，热泵制热量随室外温度的降低而减少，两者的交点称为平衡点，即在此室外温度下，热泵制热量等于建筑物热负荷。在平衡点之

5、右，表示热泵制热量有余；在平衡点之左，表示热泵制热量不足，必须补充加热量。所以在选择空气源热泵作为建筑供热设备时，为满足较低室外温度下的供热量要求时，需要选择大容量的热泵机组或增设辅助加热装置。图 1 空气源热泵的供热性能 空气源热泵的另一个缺点就是结霜。空气是有一定湿度的，空气流过蒸发器被冷却时，当蒸发器表面温度低于室外空气的露点温度时，蒸发器表面凝露，当蒸发器表面温度继续降低且低于 0时，蒸发器表面开时结霜。蒸发器翅片间的霜层不仅使空气流动阻力增大，而且随着霜层的增厚，换热器的热阻增大，传热恶化。结霜到一定程度要除霜，现有的方法一般是使用四通换向阀换向，进入制冷工况，压缩机排气直接进入翅片

6、盘管换热器一除去换热器表面的霜层，因此除霜运行时热泵只耗能不供热。2、空气源热泵供热分析 室外温度的降低和潜在的结霜都会使热泵的供热量减少，而同时建筑热负荷却增大。由于存在这一矛盾，热泵及辅助加热器容量的选择与匹配涉及到平衡点温度的问题。平衡点温度取的低，要求配置的热泵容量就大，但是可以减少甚至不设辅助加热器。平衡点取得高，要求配置的热泵容量就小，但是辅助加热器的容量就要增大。这是一个技术经济比较问题。一般可以用制热季节性能系数 HSPF 来评价热泵和辅助供热系统用于某以地区在采暖季运行的热力经济性。HSPF 主要与供热负荷和当地的温度频度有关。HSPF=整个供热季消耗的能量量整个供热季节建筑

7、耗热=量供热季辅助加热的耗能量供热季热泵消耗的总能供热季辅助加热量供热季节热泵供热量 若建筑物的维护结构一定，择建筑维护结构热负荷仅取决于室内外温差。若室内温度维持在设定值，择维护结构热负荷只与室外温度有关。空气源热泵的制热量随着室外环境温度的变化而变化。以北京为例。北京冬季空调室外设计温度-12，该住宅的热负荷。用空气源热泵供热并且辅助加热为单级，则在不同平衡点温度下热泵与辅助加热的容量如下表 容量 平衡点温度 额定容量（kw）热泵-12时制热量 （kw）辅助加热量（kw）-5 0 5 以上是采用辅助加热的情况。低温下热泵的运行工况会很快恶化并且运行不稳定，考虑除霜影响，蒸发器有时根本不从环

8、境中吸热，相当于压缩机耗电功进行供热，这种情况下，有时会考虑关闭热泵机组，完全辅助加热设备供热，这样辅助供热容量要增大。对此种住宅供暖，考虑以下方案：1、室外温度大于-2，热泵机组运行；2、室外温度在-6-2之间，热泵机组与一档电加热同时开启；3、室外温度小于-6，热泵机组关闭，二档电加热开启。图 2 平衡点与辅助加热 由上图可看出，不同的平衡点温度及不同的运行模式需要配置的热泵和辅助加热的容量不同，热泵和辅助加热运行的时间分配不同。有于低温下性能问题，空气源热泵用于建筑供热时要么选用大容量的热泵机组，要么增设辅助供热设备，这将导致一系列的问题：供热设备的初投资增大，设备占地面积增大，设备负载

9、增大；另一方面，在热泵应用的大部分地区冬季大部分时间室内室外气温较高，此时既不需要热泵在全负荷下运行，也不需要启用辅助加热设备，为满足较短时间的室外低温而配置的大容量热泵或热泵辅助加热器的利用率低，设备长时间处于部分负荷运行。三、太阳能作为热泵的低位热源 1.太阳能的优点 太阳能是一种巨大的能源，太阳每年辐射到地球上的辐射能大标准煤，相当于全世界需要能量的 5000 倍，每天达到地球表面的太阳辐射能大约相当于亿桶石油。太阳能是一种可持续能源，根据目前太阳辐射总功率及太阳上的氢总量来计算，太阳上可以维持 1000 亿年。在工业越来越发达而环境越来越污染的今天，太阳能是一种情节能源。2.太阳能的缺

10、点 分散性 虽然到达地球表面的太阳辐射总量很大，但太阳能的能流密度很低，一般可以接收到太阳辐射强度不超过 1000w/。平均来说，北回归线附近夏季晴天中午的太阳辐射最强，约为 11001200w/，冬季只有一半左右，阴天只有 1/5。要得到一定量的太阳辐射，需要的集热器面积较大，设备成本较高。间歇性与不稳定性 为使太阳能成为一种连续稳定的自然能源，不受昼夜、季节、纬度、海拔等自然条件的限制和阴雨天气等等随机因素的影响，必须解决太阳能的储存和辅助热源的问题，要把晴天太阳辐射能收集并储存起来，供夜间和阴雨天使用。3.作为热泵的低温热源 太阳能作为热泵的低温热源是利用太阳能的一种大胆而有益的尝试，为

11、此太阳能热泵这一理论被提出。太阳能热泵是以新型的空调供热技术，他把太阳能和热泵技术结合起来，可以解决空气源热泵低温下的性能问题并由于减少结霜或不结霜提高了空气源热泵的可靠性稳定性，在能源和环境污染日益严重的今天，它以其节能、高效、利用太阳能等诸多优点引起了人们的注意。早在 20 世纪中叶，太阳能热泵利用的先驱就指出太阳能热泵的优越性，即可同时提高热泵和太阳能集热器的性能系数。太阳能供暖与供冷使太阳能不仅可以满足用户的热水需求，还可以给建筑物供冷供暖。尤其是将这三者结合考虑，可调整和弥补不同季节的需求与供给差异，实现最大限度利用太阳能的设计思想，建造真正环保、经济的新型节能建筑。单独的太阳能供暖

12、是不经济的。主要原因是能源需求与能源供应的不匹配，即供暖需求最大的冬季恰恰是太阳能资源最少的时候，这样单独用太阳能供暖就需要安装大量的集热器，成本很高。更可行的方法是将太阳能集热器与热泵结合，利用热泵将太阳能提供的低品位热源提升，满足建筑物采暖需求。太阳能供冷在需求与供应的匹配上是最合适的，也必将成为将来发展的趋势。毋庸置疑，能源和环境问题已经成为当今社会最受关注的焦点问题之一，能源是现代社会存在和发展的基础，可以说现代文明是建立在对能源和物质的大量消耗的前提下。随着世界人口和经济的迅速增长，人的生存质量不断提高，能源消耗急剧增加，伴随的能源的巨大消耗，大量未经处理的废物排放到环境中，导致环境

13、污染日益严重。有限的资源经不住巨大的消耗，引发世界范围内的能源危机。本世界以来，特别是二次世界大战以来能源消耗总量直线上升。1950 年全世界能源总耗量为亿吨标准燃料，平均每人标准燃煤；1975 年世界能源总耗量为亿 t 标准燃料，平均每人。近 25 年来，世界能源消耗增长率平均每年为 14%，大约十多年增长一倍。在能源消耗总量中，建筑耗能占很大比重。在发达国家，建筑耗能占总能耗的 25%-40%。而在建筑耗能中，供暖、空调、制冷、供热水的能耗占建筑能耗很大一部分。以美国为例，建筑物（包括住宅和商业楼）消耗的能量占总消耗能量的%，其中用于采暖%（占总能耗的%），热水供应 12%（占总能耗的 4

14、%），空调%（占总能耗的%），制冷%（占总能耗的%），其他%（占总能耗的 7%）。也就是说，建筑物耗能中约有 80（占总耗能的%）用于采暖、空调与热水供应。我国的建筑物能耗占总能耗的比重也达 1520%。因此，在建筑物种采用高效节能的空调供热方式对于缓解目前能源紧张和环境污染问题具有重要意义。我国是一个发展中国家，随着经济的发展，城市化进程的推进，我国的新建筑将大大的增加。据统计，在 19952000 期间，我国新住宅55 亿，到年，新建住宅将达到 150 亿。如此巨大的建筑面积将带来巨大的建筑耗能。近年来，我国房间空调器产量持续以年 40%的增长率上升，长江中下游地区的空调器和热泵的大量使用

15、已导致该地区供电出现部分紧张和短缺。太阳能用于建筑采暖、空调等方面对于缓解目前能源紧张的局面具有重要意义。世界各国将发展太阳能作为一项重要的能源政策，积极鼓励利用太阳能。自 1990 年来，世界太阳能市场年增长 16%，而同期石油市场增长速度仅有%，即太阳能也以 10 倍于石油业的年增长速度发展。我国是一个太阳能资源十分丰富的国家。我国地处北半球，幅员广大，大部分地区位于北纬 45 以南。我国各地区我国各地区的太阳能辐照量大致在33488371MJ/a 之间，平均 5860MJ/a，年日照小时 2000-3000小时。太阳能的热利用技术见过多年的发展，已成为太阳能利用技术中最成熟、应用最广泛、

16、产业化发展最快的领域。这些都是太阳能热泵应用的有利条件。四、太阳能在建筑采暖中的利用 1.太阳能采暖系统 在太阳能的利用进程中已有不少厂商将太阳能应用在建筑采暖上，让太阳能产出高温水向建筑物供暖，并以付诸实施，不排除其中的商业运作。但实际效果并不理想，主要原因是：其一在冬季让太阳能产高温水的效率是很抵的；其二能源需求与能源供应的不匹配，即供暖需求最大的冬季恰恰是太阳能资源最少的时候，这样单独用太阳能供暖就需要安装大量的集热器，成本很高；其三在雨雪天气，太阳能处于停滞状态，要满足建筑物的符合要求，这样就要给系统增容，一般是附加电加热装置，导致耗电量增加。2.太阳能热泵采暖系统 太阳能热泵采暖系统

17、是利用集热器进行太阳能低温集热（此时太阳能集热器的集热效率较高），然后通过热泵，将热量传递到温度为 35-50的采暖热媒中去。冬季太阳辐射量较小，环境温度很低，使用热泵则可以直接收集太阳能进行采暖。将太阳能集热器作为热泵系统中的蒸发器，换热器作为冷凝器，这样就可以得到较高温度的采暖热媒。太阳能热泵采暖系统主要特点是花费少量电能就可以得到几倍于电能的热量，同时可以有效地利用低温热源，减少集热面积，这是太阳能采暖的一种有效手段。但是单纯的太阳能热泵系统也存在这其自身难以解决的缺点，即在夜晚或雨雪天气里，该系统无法提供热能来源，导致系统无法工作。此时就需要配置大功率的辅助供热装置，如电加热。这样系统

18、要增容，能耗升高，投资成本增大。五、太阳能空气源热泵采暖制冷系统 1、太阳能空气源热泵的技术经济优势 综合上述太阳能采暖及空气源热泵系统的优势及不足，如何扬长避短，充分发挥太阳能的和空气源热泵的优势，规避其不足是我们要研究的问题。通过对太阳能采暖和空气源热泵冷暖系统优势和不足的分析将其两者有机的结合起来，将大大提高系统对能源利用的效率，减少运行成本。该系统除具备单纯太阳能热泵系统和空气源热泵系统的全部优点外，还能起到太阳能在时间上的转移作用，使系统投资成本降低、运行更合理、能节能。其技术经济优势主要表现在以下几点：太阳能热泵系统利用太阳能作为一种地位热源，是一种巨大的、可持续的、清洁的能源。可

19、利用廉价的低温集热器，集热器蓄热作为热泵的低位热源，这样集热器可工作的较低的温度，集热器的集热效率较高，在相同的负荷条件下，太阳能空气源热泵较纯粹的太阳能采暖系统要小的多。此外我国的太阳能热水器产业和空气源热泵产业已相当成熟，可利用现有产品。太阳能空气源热泵可利用太阳能作为辅助低位热源，克服了目前广泛应用的空气源热泵在低温下性能差和结霜的问题。热泵本身是一种节能型的空调供暖系统，太阳能空气源热泵在室外低温时可使用太阳能作为热泵的低位热源，热泵的制热性能系数会有较大的提高，其节能特性会有进一步升高。太阳能空气源热泵系统可冬季供暖、夏季制冷、春夏秋三季供应生活热水，设备利用率高。2.系统整体方案说

20、明 太阳能空气源热泵采暖系统是利用太阳能集热器在白天晴好天气集热并储存起来，等到夜晚或低温天气里使用。在白天室外温度较好的情况下使用空气源向建筑物供暖低位热源；在室外温度恶化的时候，空气源热泵运行工况恶化，能效比急剧下降，此时停止空气源部分的工作，转而启动太阳能系统，作为向建筑物供暖的低温热源。始终保持热泵的高能效比。在非采暖季节，太阳能部分可用来产生生活热水；夏季机组可转换成制冷模式向建筑物供冷。3.系统技术说明 由于太阳能供暖系统中太阳能在冬季能流密度小同时受天气影响必须配备常规辅助能源，常规能源的功率需保证在完全没有太阳能时满足建筑供暖需求。空气源源热泵供暖系统在冬季运行时室外换热系统效

21、率低热源侧气温低影响热泵机组性能系数。本系统将太阳能系统与空气源热泵系统优化组合在一个系统，对于太阳能部分提高了太阳能系统的供暖保障率，降低了常规能源配备功率，对于空气源热泵系统提高了热泵机组的工作效率。本系统设计在满足建筑供暖、制冷的基础上，在春夏秋三季可以提供生活热水。4、太阳能空气源热泵的系统形式 根据使用侧实施形式可分为太阳能空气源热泵多联机系统和太阳能空气源热泵水源系统。使用侧直接为氟路循环的我们称之为太阳能空气源热泵多联机系统；使用侧为水路换热循环的我们称之为太阳能空气源热泵水源系统。如图：四通阀压缩机室内机空气源蒸发器集热水箱太阳能循环泵储液罐 太阳能空气源热泵多联机系统 系统组

22、成：1 太阳能集热器（平板型、真空管型）2 辅助常开电磁阀 3 排空常开电磁阀 4 太阳能循环泵 5 集热水箱 6 水源侧电磁阀（常闭）7 氟水换热器 8 气源侧电磁阀（常闭）9 空气源换热器 10 电子膨胀阀 11 变频压缩机 T1 集热器温度传感器 T2 集热水箱温度传感器 12 储液罐 13 四通阀换向阀 14 室内机 14D 联动电磁阀 太阳能空气源热泵水源系统 系统组成：1 太阳能集热器（平板型、真空管型）2 辅助常开电磁阀 3 排空常开电磁阀 4 太阳能循环泵 5 集热水箱 6 水源侧电磁阀（常闭）7 氟水换热器 8 气源侧电磁阀（常闭）9 空气源换热器 10 电子膨胀阀 11 变

23、频压缩机 T1 集热器温度传感器 T2 集热水箱温度传感器 12 储液罐 13 四通阀换向阀 14 室内机 5、系统工作原理 以太阳能空气源多联机系统为例来说明其工作原理 太阳能循环部分 有 1、2、3、4、5 组成太阳能集热温差循环，具体工作方式为，当 T1 太阳能集热器温度与 T2 集热水箱温度的差值达到设定上限（T1-T27）时，4 太阳能循环泵启动，当两者差值达到下限（T1-T23）时，4 停止；3 排空常开电磁阀与 4 太阳能循环泵联动启停，即在 4 得电运行时，3 得电关闭，4 停止时 3 失电开启，此时系统管路中的水会通过排回水箱，这样既起到了冬季排空防冻的功能又避免了水锤对太阳

24、能循环泵影响，延长了水泵的使用寿命。制冷循环：在夏天制冷时电磁阀 6 关闭，电磁阀 8 开启，此模式下 7 水源换热器不工作；室内机采用一拖多的形式，可根据建筑物要求配备室内机的数量。室内机 14 与联动电磁阀 14D 联动控制，当室内机开启时，电动电磁阀开启，室内机产生的制冷剂蒸汽经 13 四通换向阀和 12 储液罐呗 11 压缩机抽走升温升压后再经 13 四通换向阀到 9 气源换热器冷凝冷却成制冷剂液体，经 8 气源侧电磁阀，到 10 电子膨胀阀节流降压，变成低温低压的制冷剂液体（含少量的闪发性气体），在进入室内机吸热气化，制冷剂气体又被压缩机抽走，如此循环实现制冷。制热循环：又四通换向阀

25、来切换制冷制热模式，在天气状况较好的情况下，气源换热器工作，此时只提取空气中热量来向房间供热，而太阳能部分用来蓄热，等到夜晚空气源工况恶化时启用水源换热器。8 气源电磁阀与 9 气换热器联动控制，制冷剂在气源蒸发器中气化成气体后经13、12 被压缩机 11 抽走升温升压变成高温高压的制冷剂蒸汽后，经 13、14D 到14 室内机冷凝冷却放热，（向房间供给热量），制冷剂蒸汽液化后，经 10 电子膨胀阀节流降压成低温低压的制冷剂液体（含少量的闪发性气体），使制冷剂在低温下气源换热器吸收热量成为可能，制冷剂在气源换热器吸热气化后被压缩机抽走，如此循环实现制热。当水源换热器启动的时候，辅助电磁阀 2

26、关闭，排空电磁阀 3 开启，太阳能循环泵 4 启动，目的是为了加强水箱内水的循环流动曾强换热器的换热效果。非采暖季节太阳能部分可用来产生生活热水。太阳能空气源热泵水源系统的工作原理与多联机系统基本相同在此不再赘述。6.系统设计关键点：设计本系统首先要准确计算建筑供暖热负荷，其次根据太阳能集热器单位面积得热量及热泵所需热源的供热量计算系统所需的集热器面积。同时考虑夏季多余热量的使用问题。系统特点：该系统通过太阳能集热系统空气源系统同为热泵机组提供低位热源，有效的提升了单一采用太阳能或空气源热泵系统供暖的能源利用率。通过太阳能集热器的高效工作在冬季可以为热泵提供热源，再通过热泵这一高效能量提升设备

27、在太阳能采暖系统中的应用可以使太阳能集热器在25度以下的温度区间工作提高了太阳能集热的效率，同时也相应提高了太阳能采暖系统配常规能源方式的能源利用效率。本系统在夏季工作时会产生大量的生活热水，除能满足本户使用外还可以向外供应。7、系统特点（1）节省占地，整套系统结构紧凑，无需设置设备机房，系统设备放置在房顶即可；（2）环保，供热时省去了锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排烟污染，供冷时省去了冷却塔，避免了冷却塔噪音及霉菌污染；（3）与建筑物易结合，整体效果协调、美观；（4）充分利用太阳能，价廉易得无污染，属可再生能源；（5）安全：无燃烧设备，从而不存在爆炸，燃烧的隐患；（6）全套系统采用智能微电

28、脑控制，可实时监测其集热器温度、集热水箱水温、房间温湿度等，数据经处理后由控制器发出命令到各控制末端，使机组达到最佳的运行效果，提高房间的舒适程度。机组运行、切换灵活，具备各种故障报警及保护功能；（7）全自动运行、无人值守；（8）少维护、寿命长（可达 25 年）、安全可靠。六、经济性分析 以北京 100m2的家庭 125 天总耗热量为例：房间热负荷取 50w/平方米，则整个采暖季所需的热能为：100m2125d24h3600=5400 万 kJ，为获得这么多热量，选用不同的采暖方式，耗用的燃料不同，燃烧效率不同，能源成本不同。现将 100m2的家庭采用不同方式供暖成本计算如下：能源 煤炭 天然

29、气 石油 柴油 电锅炉 空 气 源热泵 地 源 热泵 太 阳 能空 气 源热泵 单位 Kg M3 M3 Kg Kwh Kwh Kwh Kwh 热值（KJ）20900 36000 48566 43124 3600 3600 3600 3600 效率 2 4 5 单价（元）3 3 100 总费用（元）1291 2622 3706 4174 7105 3375 1350 由上表可见，燃煤供暖最经济，但是由于北京地区已经限制燃煤使用，且燃煤需要占用较大的燃料堆放面积，使用过程中存在着污染和安全隐患，综合比较采用太阳能空气源热泵为最佳选择。七、结论 太阳能和空气源作为可再生能源，对其的提取和利用无需任何的成本，在建筑节能领域的应用发挥着越来越重要的作用。从大的方面来讲它是解决我国能源和环境问题的重要措施之一；从小的方面来讲它是解决居民在采暖、制冷、制备生活热水问题上的最节能、最环保、最经济的选择。太阳能空气源热泵系统其相对低廉的造价和能源的高效利用必将在建筑中得到广泛的应用。