【太陽(yáng)能采暖】太陽(yáng)能復(fù)合采暖系統(tǒng)在新農(nóng)村城鎮(zhèn)化改造中的應(yīng)用

       太陽(yáng)能光熱利用技術(shù)和產(chǎn)品是把太陽(yáng)輻射到地面的輻射能轉(zhuǎn)換成的技術(shù)和產(chǎn)品，根據(jù)工作溫度的不同，太陽(yáng)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(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)用熱；高溫（300℃～800℃）熱利用，可用于太陽(yáng)能熱發(fā)電。

       太陽(yáng)能光熱利用，除常用的太陽(yáng)能熱水器外，還有太陽(yáng)房、太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能溫室、太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)、太陽(yáng)能海水、太陽(yáng)能空調(diào)、太陽(yáng)能泳池加熱、太陽(yáng)能采暖、太陽(yáng)能開水器、太陽(yáng)池、太陽(yáng)爐以及太陽(yáng)能工業(yè)應(yīng)用等。

       由于污染嚴(yán)重，我國(guó)大部分地區(qū)都出現(xiàn)嚴(yán)重霧霾天氣，國(guó)家正花力氣治理環(huán)境污染問題，太陽(yáng)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(xiàn)。尤其在廣大農(nóng)村地區(qū)，電能和氣供應(yīng)不足，開發(fā)和利用太陽(yáng)能資源更是解決我國(guó)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(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)中利用太陽(yáng)能和低溫空氣源熱泵結(jié)合，用來滿足用戶全年熱水供應(yīng)和冬季采暖使用，要求夏天每天供應(yīng)300L溫度50℃生活熱水，冬季每天供應(yīng)200L溫度50℃生活熱水和保證室內(nèi)溫度18℃。

       本項(xiàng)目為與建筑結(jié)合的嵌入式平板分體復(fù)合太陽(yáng)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(yáng)能集熱系統(tǒng)為承壓間接分離式，循環(huán)工質(zhì)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(yùn)行。本項(xiàng)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(nèi)空間。

一、系統(tǒng)組成和工作原理

       該新型農(nóng)村社區(qū)太陽(yáng)能與建筑一體化采暖與生活熱水范項(xiàng)目，總建筑面積16529平方米，其中地上12780㎡，地下4309㎡，結(jié)構(gòu)形式磚混結(jié)構(gòu)，地上3層，地下1層。該項(xiàng)目?jī)?nèi)共有9棟住宅和1棟村委會(huì)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(jì)126戶，建筑物布局圖見圖1.

       夏季生活熱水以太陽(yáng)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(yáng)能，當(dāng)太陽(yáng)能熱量不足時(shí)用空氣源熱泵補(bǔ)充。本系統(tǒng)的工作狀態(tài)可以在太陽(yáng)能生活熱水、太陽(yáng)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(dòng)切換。該系統(tǒng)按工作功能分為太陽(yáng)能集熱儲(chǔ)熱部分、生活熱水供應(yīng)保障系統(tǒng)、采暖和室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、為保證系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，本系統(tǒng)還帶有能量檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸功能。

圖2系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

       1、太陽(yáng)能集熱和儲(chǔ)熱系統(tǒng)工作原理

       該系統(tǒng)采用溫差強(qiáng)制循環(huán)工作方式，當(dāng)集熱器出口介質(zhì)溫度比水箱溫度高一定值時(shí)集熱循環(huán)泵啟動(dòng)，把太陽(yáng)能集熱器獲得的能量通過換熱器轉(zhuǎn)儲(chǔ)到儲(chǔ)熱水箱中，當(dāng)集熱器出口溫度和水箱溫差降低到設(shè)定數(shù)值時(shí)，停止集熱循環(huán)泵，系統(tǒng)運(yùn)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(chǔ)熱水箱還內(nèi)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(shí)加熱方式，在設(shè)定時(shí)間段當(dāng)水箱熱水溫度低于設(shè)置溫度時(shí)，啟動(dòng)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(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定溫度則停止輔助能源；

圖3集熱器布置效果圖

       3、太陽(yáng)能熱水輔助采暖功能：

       在采暖季電動(dòng)三通閥V2的1-2通，采暖工質(zhì)經(jīng)分、集水器循環(huán)。當(dāng)房間溫度低于設(shè)定溫度時(shí)溫控器給出采暖信號(hào)，這時(shí)采暖循環(huán)泵P2啟動(dòng)，地板采暖盤管中的工質(zhì)開始循環(huán)；控制系統(tǒng)根據(jù)儲(chǔ)熱水箱的溫度決定是采用太陽(yáng)能采暖還是直接啟動(dòng)空氣源熱泵采暖，且始終堅(jiān)持太陽(yáng)能優(yōu)先且保證生活熱水供應(yīng)。

       當(dāng)水箱溫度高于設(shè)定溫度一定值時(shí)，電動(dòng)三通閥V1的1-3通，太陽(yáng)能水箱的熱量經(jīng)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(jī)不啟動(dòng)。當(dāng)水箱溫度低于設(shè)定值時(shí)，電動(dòng)三通閥V1的1-2通，切斷采暖系統(tǒng)和太陽(yáng)能水箱的通道，太陽(yáng)能系統(tǒng)不再提供采暖所需能量，啟動(dòng)空氣源熱泵的壓縮機(jī)，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(hào)前提下，電動(dòng)三通閥V2的1-3通，電動(dòng)三通閥V1的1-3通，采暖工質(zhì)不再經(jīng)分集水器但經(jīng)過水箱上部盤管換熱器循環(huán)。在設(shè)定的輔助能源加熱時(shí)間內(nèi)當(dāng)水箱熱水溫度低于設(shè)定溫度一定值時(shí)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)空氣源熱泵對(duì)水箱進(jìn)行加熱。

圖5坡屋面集熱布置設(shè)計(jì)圖

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

圖6集熱器和瓦屋面結(jié)合節(jié)點(diǎn)圖

       6、本項(xiàng)目是太陽(yáng)能與建筑結(jié)合的典型應(yīng)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?yàn)楸窘ㄖ猛呤菆A弧狀釉面瓦），四周用專用鋁合金型材做防水結(jié)構(gòu)，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(shí)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(diǎn)圖

       7、本項(xiàng)目所有集熱管道和測(cè)溫探頭及測(cè)溫導(dǎo)線都敷設(shè)在瓦下面的保溫層內(nèi)，保證屋面整潔美觀。圖6.1是上下兩塊集熱器間密封設(shè)計(jì)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(huì)效益和環(huán)保效益

       該項(xiàng)目設(shè)計(jì)太陽(yáng)能之處采暖季太陽(yáng)能保證率為26%，經(jīng)測(cè)試太陽(yáng)能保證率為25.8%，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。采用該項(xiàng)目后每年節(jié)約的常規(guī)能源折合標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目的投資回報(bào)期為5.2年。

三、結(jié)論

       1、根據(jù)2015年1月3日~2015年3月28日的實(shí)測(cè)結(jié)果，太陽(yáng)能加低溫空氣源熱泵的符合太陽(yáng)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(shè)計(jì)方案的與建筑結(jié)合的太陽(yáng)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(shí)太陽(yáng)能系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率比測(cè)試中心的測(cè)試效率要低，這主要是因?yàn)榄h(huán)境溫度低、集熱器進(jìn)出口溫度比測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要高很多，系統(tǒng)的熱損比理想工況時(shí)大等因素造成的，在進(jìn)行太陽(yáng)能太陽(yáng)能采暖設(shè)計(jì)時(shí)要考慮集熱器集熱效率下降所需要的集熱面積補(bǔ)償因素。

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