郑州太阳能空气源热泵方案.doc

郑州太阳能空气源热泵方案

11
2020年4月19日
文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

太阳能空气源热泵采暖方案

.8.21

目 录

1 立项依据 1
1.1 行业发展趋势 1
1.2 中央经济政策 2
2 系统原理 4
3 负荷计算 6
3.1 项目概况 6
3.2 负荷计算 6
4 设备选型 8
5 经济性分析 9
5.1 运行费用 9
5.2 投资回收年限 9

1 立项依据
近年来，由于来中国在基础建设方面的投入不断加大，导致建筑总量也急剧攀升，加上人们对生活环境的舒适度要求持续提高，建筑能耗一直呈直线上升之势。特别是建筑能耗中采暖和空调的部分占建筑总能耗的65%，热水供应占15%，照明电器占 14%，其它占 6% 。不断增长的能源消耗使中国的资源储量大幅减少、环境恶化，这种情况导致气候变得越来越异常。为了减少资源和能源的过度消耗，实现可持续发展的目标，中国政府加紧制订和推进节能减排政策，力求最大限度地提高能源利用效率，而且取得了初步成果，现阶段中国的单位国内生产总值能源消耗正在逐年降低。数据显示，过去六年，中国万元国内生产总值能源消耗累计下降 21%。中国政府在“十二五”规划中提出，到 ，单位国内生产总值能耗要比 年降低 16%，单位国内生产总值二氧化碳排放比 年降低 17%。可见节能减排已经被提升到了一个新的高度。
节能减排的出路主要有：减少一次能源的各种损失和浪费，提高能源利用效率，从而减少能源的使用量；尝试利用低品位能源(如太阳能、空气、水、土壤)替代高品位能源(如电能、石油、煤)，从而节约高品位能源。热泵就能实现将低品位能源转化成高品位能源的目的。
本方案利用太阳能+空气源热泵的方式突破了传统换热器中热泵工质只能与单一气态或液态热源进行换热的模式，可实现热泵工质在同一换热器中与空气和太阳能热媒两种热源进行同步整合换热，实现对太阳能、空气两种热源的同步复合利用，提高系统整体利用经济性。下边针对行业发展趋势，经济政策与企业优势分别介绍本案的立项依据。
1.1 行业发展趋势
根据单一空气源热泵、单一太阳能热泵及多换热器切换式太阳能-空气双热源热泵的优缺点，提出了一种新型的太阳能-空气复合热源热泵系统，实现了对空气、太阳能两种可再生能源的综合利用和优势互补，特别适合中国寒冷地区城镇别墅住宅和乡村独立住宅空调采暖及卫生热水需求，对改进城市生态环境，引领新农村住宅环境建设，提供了一种可行的技术方案。
随着国民经济的发展，中国城镇的建设步伐日益加快。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（ -2020年）》和《国家国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出提升住宅的功能与质量，节约有限的资源，改进生态环境，引导城镇健康发展。既能满足社会和心理的需要，又具有良好的生活环境和舒适度较高的居住建筑，已成为人们追求和梦想实现的愿望。
本案为满足各类建筑的空调采暖需求提供了一种新的技术方法，特别适用用城市别墅和农村独立住宅，可实现提高城镇建筑生活环境和舒适度，引领城镇化建设发展。
空气源热泵即是以空气为热源，能够以较低的能量消耗，实现把低品位热能输送至高品位热能的功能，能大量利用自然资源和余热资源中的热量，有效减少了输入能很好地满足了冬季采暖的要求。具有安装使用方便、能量利用效率高、减少温室效应、环保等优点，在世界范围内得到广泛应用。然而，空气源热泵应用于寒冷地区冬季制热时，随着室外环境温度的降低，制冷剂吸气比容增大，使得机组吸气量随着外温的降低迅速下降，机组的制热量也相应按比例下降，而且随着室外环境温度的降低，吸气压力的降低,压缩机的压比增大，机组的压力比严重偏离最优值，系统压缩过程严重偏离正常压缩过程，导致机组排气温度急剧上升。压缩比增大造成压缩机的输气系数输气量及效率下降，同时压缩机排气温度过高,使润滑油的粘度急剧下降，影响压缩机的润滑。压缩比过大使得热泵在北方最寒冷的时候无法正常运行，压缩机排气温度超温，系统频繁启停，无法正常工作，阻碍了空气源热泵产品在北方寒冷地区的推广应用。
《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将太阳能建筑一体化技术做为建筑节能的重要途径之一，力争使可再生能源在建筑中的应用得到发展。可是，当前太阳能热利用在建筑中的应用主要以太阳能生活热水为主，将太阳能应用于能耗较大的建筑采暖依然受到技术和投资较大等方面的制约。冬季采暖需要较大的热量，但冬季太阳能辐照量又相对较小，如直接将普通的太阳能热水系统用于太阳能采暖，需要几倍于太阳能生活热水的集热面积，即使按照太阳能保证率进行设计，太阳能集热设备初投资较高，设备回收期长，且由于冬季太阳能辐照状况较差，难以实现持续可靠的供暖运行，且建筑屋面面积也难以满足太阳能集热设备安装需要。当前太阳能直接采暖仅在太阳能资源丰富地区的小型建筑中进行小规模示范应用，难以实现在城市建筑采暖中的大规模应用。
在同样环境温度下，降低集热器进口温度能够提高集热效率，因此，采用低温太阳能热水系统作为空气源热泵的辅助热源，能够有效的提升空气源热泵的蒸发温度，实现空气源热泵全天候的连续、高效的供暖运行，同时还可提高集热效率，大大的减少所需要的太阳能集热设备的安装面积。因此集合两种方式，优势互补是提高经济性的有效途径。
1.2 中央经济政策
国家主席习近平在 6月13日主持召开中央财经领导小组第六次会议，在讲话中指出：经过长期发展，中国已成为世界上最大的能源生产国和消费国，面临着能源需求压力巨大、能源供给制约较多、能源生产和消费对生态环境损害严重、能源技术水平总体落后等挑战。
传统能源的使用方法，严重污染空气，也是造成现今各大城市“雾霾”天气的主要原因之一。空气能是一个朝阳产业，空气无处不在，其高效、清洁是很多有机能源所不能及，空气能热泵的涵盖面非常广泛，如采暖领域、烘干领域、高温领域、热水领域等几大领域。
从采暖方面，据工信部统计，截止 ，工业锅炉达到了62.4万台，年能源消耗量大概在6.4亿吨标煤，占全国能源消费总量的18%。 北京地方规划显示，到 底，京津冀和山东省压减煤炭消费总量8,300万吨。届时，前期集中供热小区采暖、新开发小区的采暖等相关问题成为政府首先解决的民生问题。还面临天然气等有机能源涨价、新型城镇化建设等突出问题，届时，集中供热小区采暖、新开发小区的采暖、燃煤锅炉改造等相关问题成为政府首先解决的民生问题，清洁能源代替燃煤、燃油锅炉是大势所趋。
混合太阳能与空气源热泵从热水领域，可替代所有传统的热水设备，凡是有用热水的场合都能够应用。
总之，混合太阳能与空气源热泵的应用，综合了应用优势，在北方光照资源丰富地区以及偏远的热力供应匮乏地区，需求旺盛，前景广阔，这也将成为中国乃至全球瞩目的新星，是为节能环保产业的主导。
2 系统原理
空气源热泵热水器是一种高效集热并转移热量的装置，由压缩机、电子膨胀阀、干燥过滤器、四通阀、蒸发器、冷凝器、风机等主要部件组成用。
  空气源热泵运用了逆卡诺原理，由电能驱动热泵中的压缩机从蒸发器中吸入低温低压气体制冷剂，经过做功将制冷剂压缩成高温高压气体，然后进入冷凝器与水交换热量，在冷凝器中被冷凝成低温液体而释放出大量的热量，水吸收其释放出的热量而温度不断上升。被冷凝的高压低温液体经膨胀阀节流降压后，在蒸发器中经过风扇的作用，吸收周围空气热量从而挥发成低压气体，又被吸入压缩机中压缩，这样重复循环，从而获得55℃以上的热水。
太阳能热水系统由太阳能集热器、贮水箱、管道、控制设备四部分组成，是利用太阳辐射能加热水的装置。
太阳能热水系统指利用传热工质内部的温度梯度产生的密度差所形成的自然对流进行循环的热水系统。该系统结构简单且不需要附加动力，在自然循环中，贮水箱置于太阳能集热器上方，是为了保证必要的热虹吸压头，太阳能热水系统的运行过程是：水经过太阳能集热器时，吸收集热器所吸收的太阳辐射能后，温度则升高，升温后的热水经过上循环管进入贮水箱上部，同时，水箱底部的冷水经过下循环管流入集热器，如此形成循环。运行一段时间之后，贮水箱中的水温就会分层，上层的水温达到送水温度。在用水的同时，补水箱给贮热水箱底部补送冷水，贮水箱中上层的热水则被顶出使用。浮球阀控制补水箱的水位。

图1 空气源热泵运行原理图

图2太阳能与空气源热泵结合运行原理图

3 负荷计算
3.1 项目概况
本项目为郑州市1万平米居住建筑供暖。郑州室外采暖计算温度-5℃，供暖时间为120天。热指标45w，预采用空气源热泵与太阳能真空管相结合的形式进行供暖。
3.2 负荷计算
表1.热负荷计算表
时间
负荷（kw）
温度
负荷系数（%）
热负荷（kwh）

00:00-01:00
450
-4
65%
292.5
01:00-02:00
450
-4
65%
292.5
02:00-03:00
450
-4
65%
292.5
03:00-04:00
450
-4
65%
292.5
04:00-05:00
450
-5
100%
450
05:00-06:00
450
-5
100%
450
06:00-07:00
450
-5
100%
450
07:00-08:00
450
-4
65%
292.5
08:00-09:00
450
-4
69%
310.5
09:00-10:00
450
-3
67%
301.5
10:00-11:00
450
-2
65%
292.5
11:00-12:00
450
-2
65%
292.5
12:00-13:00
450
-1
63%
283.5
13:00-14:00
450
-1
63%
283.5
14:00-15:00
450
1
59%
265.5
15:00-16:00
450
1
59%
265.5
16:00-17:00
450
2
57%
256.5
17:00-18:00
450
2
57%
256.5
18:00-19:00
450
2
57%
256.5
19:00-20:00
450
2
57%
256.5
20:00-21:00
450
1
55%
247.5
21:00-22:00
450
1
55%
247.5
22:00-23:00
450
-1
59%
265.5
23:00-24:00
450
-2
61%
274.5
采暖全天累计热负荷
24 小时

7168.5

4 设备选型
需要的供暖负荷7168.5kwh，功率为299kw，计算得需要50kw空气源热泵6台。设备表如下：
表2.设备表
设备名称
参数
数量
单价/万元
总价/万元
空气源热泵
能效2.5；供热功率50kw；输入功率20kw
6台
3.7
22.2
太阳能集热器（可选）
300w/m
333m
0.1
33.3
移动储热罐（可选）
3kw/立方
35立方
0.15
5.25
管网
0.15元/w

5
水泵
0.15元/w

5
换热器

3
水箱
2500元/立方

1
软水

1
加药

1
控制
0.15元/w

5
安装

5
地暖（可选）
70元/平

70

表3.初始投资分析表
初始投资
地暖安装70万
空气源热泵22.2万；
如果应用移动储热或者太阳能则为14.8万
太阳能集热器33.3万
移动储热罐5.25万（未考虑运输成本）
附件及安装26万

初始投资：
空气源热泵系统：48.2万；48.2元/平
空气源热泵加太阳能：74.1万；74.1元/平
空气源热泵加移动储热罐：46.05万；46.05元/平
空气源热泵加地暖安装：118.2万；118.2元/平

5 经济性分析
5.1 运行费用
空气源热泵输入总功率为120kw。水泵功率按照供暖总功率的2%计算为6kw。耗电总功率为126kw。
按照电价为0.56元/度。系统每年耗电费用为126X0.56X120X24X0.4=81285元，即供暖耗电费用为8.1元/平米/年。
运行管理费按照每年6万元计算得每年运行费用为8.1+6=14.1万元。

5.2 投资回收年限
开口费收取45元/平，共45万元，初始投资48.2万元，取暖费22元/平/年。回本年限为（48.2-45）/（22-14.1）=0.41年
表4.投资回收年限表
供热方式
初始投资（万元）
电价（元/度）
运行费用（万元）
回本年限（年）
空气源热泵
48.2
0.56
14.1
0.41
空气源热泵加移动蓄热
46.05
0.56
11.5（未考虑运费）
0.1
空气源热泵加太阳能
74.1
0.56
11.5
2.8

综上所述：空气源热泵系统如果在能够收取取暖开口费的情况下，按照取暖费22元/平，如果电价为0.56元/度则可在一年内收回投资。可见该项目还是具有很好的经济性的，能够进行大面积推广。