太阳能及水源热泵结合采暖工程.doc

一、太阳能与地水源热泵结合技术原理1、地源热泵概述地源热泵系统是随着全球性的能源危机和环境问题的出现而逐渐兴起的的一门热泵技术，上世纪七十年代能源危机的爆发,促使地源热泵系统研究得到了突飞猛进的发展，并逐渐用于实例当中。地源热泵系统由于具有节能效果好，环保效益高、合理使用可再生的浅层低位能等优越性，成为了传统暖通空调与热水供应的优良替代技术，地源热泵技术克服了传统暖通空调和热水供应中能源的单向性、能耗高、污染环境等问题，真正达到了人与自然和谐相处的境界。地源热泵技术有着突出的技术优点：高效、节能、环保、无污染。地源热泵系统在冬季供热时，不需要锅炉或任何辅助电加热，而且经过设计的地源热泵系统还可以做到一机三用供热、供冷、提供生活热水。它不但系统简单操作时仅需一个人就可以完成且维护与运行费用低。系统的使用年限在五十年以上，机组的时候寿命也可以达到20年，这是家用空调和其他供暖系统所不能达到的。2、地水热泵的基本原理地源热泵是利用浅层低能进行供热与供冷的新型能源利用技术。利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为供热或供冷的冷热源。简单的来说就是利用埋在地下的管材设备在冬季时提取地下深处中的“热量”，供给室内采暖。相反夏季则是把室内的热量取出，重新返还到地下，最后满足冬季和夏季中需要的暖气和冷气。水源热泵系统与地源热泵系统工作原理基本相同，不同的是取源方面水源系统从热源上可以有城市污水源、工业尾水源和地下水资源的区别，水资源热泵系统作为地缘系统的一种形式，通过水源热泵机组可将江水或原生污水、工业尾水中难以利用的低品位热能提取出来，经过系统的优化整合以后实现对建筑物的供热或制冷。采用水源热泵系统供暖可实现电热转换率可达到300400%，即使考虑到发电热效率为33%，其总体转换效率也达到了100133%，远高于区域锅炉房集中隔热系统，在夏季作为空调使用可比传统空调降低3040%的制冷电能耗，机房的占地面积仅有锅炉系统的1/3，不需储煤和堆渣场地等。3、工艺流程基本工艺流程是，由水源热泵机组把地下水抽上来加热，再由压力泵把热水送到供热终端，冷却水由管道回放到地下，实现水资源的循环利用，达到供热的目的。第一循环是热量采集循环，将管道接入水井，通过水泵把地下水的热源带入蒸发器，在蒸发器中与第二循环进行能量交换，被提取热量后的地下水，通过回水管注入回水井中。第二循环是蒸发冷凝循环。通过与第一循环采集的水源能量进行交换，工质吸收后蒸发，变为低温低压气体，然后进入压缩机内经压缩后成为高温高压气体，进入冷凝器中。在冷凝器中与第三循环的空调水进行交换，放热后变为液态水流出冷凝器，敬节流阀减压后又进入蒸发器内吸收第一循环中的热量变为气体，进行新一轮的工质蒸发冷凝循环。第三循环是房间的能源利用循环。循环系统中的空调水不断流经冷凝器，与第二循环中得工质进行能量交换，吸热后带入室内散热器中，公房间取暖，从而实现水源的能量采集与利用。工艺流程图如下：地水热泵技术工艺流程图水源热泵机组 供热 建筑冷凝器？ 压缩机 蒸发器？ 热水供应膨胀阀 冷水回水取 回水 水井 井4、太阳能集热系统工程设计内容太阳能集热工程是项目供热的核心工程，太阳能热水系统主要有太阳集热（管）器、水箱、支架、控制系统、管路及循环系统、辅助加热系统等组成。工程设计选用热管真空集热管，主要基于以下特点：1、热管传热，管内不进水，避免了因结水垢而引起水道堵塞和管内结垢影响输出功率等问题。2、抗冷热冲击好，运行安全可靠，避免损坏一支集热管而造成整套热水系统不能运行的问题。3、特殊防冻技术，在-45以下的严寒条件下，仍无冻坏之忧。4、热管式集热管热容小，启动快，热量输出快。水箱：水箱内胆采用日本进口SUS304食品级不锈钢板，外壳为蓝色彩钢板，保温材料采用聚氨酯发泡80mm。循环水泵：进口水泵；噪音低，使用寿命长，功率可比同级水泵低35倍。控制系统：实现自动化智能控制，它采用硬件控制和专用微电脑芯片技术相结合的控制方式，关键元器件采用进口产品，并实现可远程操作，水温、水位控制手动、自动控制；操作系统简单可靠。管道及保温：采用品牌PP-R管、管件。管道保温采用30mm厚高压发泡聚乙烯O型保温管，外扎铝玻。 系统工作原理本系统采用定温分区进水和温差控制循环及定温管道循环三种结合的运行方式，系统全自动运行。 太阳能集热系统工作原理图 系统调节水温监测 循环泵监测 循环泵 循环泵给水泵 太阳能集热器智能控制供热水箱井源水用户地热泵站（1）、温差循环集热器接受太阳光辐射，温度上升；当温度传感器（集热器温度）测的温度比温度传感器（水箱温度）高8度时(可调整)，集热器循环水泵开始启动，将储热水箱中低温的水输送到集热器阵列，同时太阳能集热器中高温度的热水流回储热水箱，当温度传感器（集热器温度）测的温度比温度传感器（水箱温度）高2度时(可调整)，循环泵停止工作。循环泵的高效间歇运行，确保循环泵的使用寿命和运行效果。把太阳系统产生的热量带入水箱中储存。（2）、温控补水随着温差循环的不断进行，水箱中的水温升高，当温度传感器（水箱温度）测的温度高于设定度时，补冷水电磁阀打开，开始向水箱补冷水，当温度低于另一设定度时停止补冷水，又进入温差循环阶段。当水箱中加满水时，将不再补冷水，而一直保持温差循环，把热量全部带到水箱中。（3）、防冻循环在冬季当温度传感器（管路温度）测的管路的温度低于4度时，循环泵启动，进入防冻循环状态，当温度高于10度时，循环停止。确保在寒冷的冬季不会把管路冻坏。（4）、地水热泵辅助热水系统连接采用热泵热水管道经电磁阀直接由水箱上部进入水箱，水箱内可以设置换热盘管，热水管道实现自动控制，当太阳能水温无法满足时，地水热泵站自动启动供应热水，送至储热水箱，当温度达到设定值控制电磁阀停止进热水，此时关闭集热循环功能。二、工程总体设计基本原理工程由两部分组成：太阳能集热系统为夏季提供生活用热水，冬季提供采暖与生活用热水。地水源空调在冬季提供取暖热水，夏季提供冷空气。采用调控系统将二者集合在一起，形成完整的空调系统，可大大节约能源。工程设计基本原理图用户水温调节间太阳能集热系统地水源热泵站回灌管道（夏季）回水网（冬季）地下水井区冷气供给中央风机热水间热水间水源供给调节（地下冷水）（1、热水：冬季地下冷水直径进入太阳能，金太阳能系统加热后供给生活热水，在太阳不好时和地源热泵配合使用，使用地源热泵加热生活水。2、冷暖：上述系统夏季制冷直接采用地下热水，不经过地源热泵机组制冷）1、运行系统设计（1）、太阳能热水供应系统集热供水系统由太阳能集热器、保温水箱、智能控制系统、管路配件等有机组合而成，整个系统自动运行，使用安全、维护方便、节能环保。可根据用水量、安装场地、用户要求进行灵活的排列组合。根据用户的需要和实际情况，可选配辅助加热器，以满足阴雨天使用热水的要求，实现光电互补、微电脑智能化控制，确保全年每天24小时供应热水。太阳能集热系统与冷水泵站相连接，冷水被加热后，进入保温水箱，然后进入智能调控系统，把水温调节到适合的温度，供给用户生活用水。在冬季同时与地水源热泵站协同，为用户提供取暖用热水源。 太阳能热水供应原理图（只有太阳能系统供暖，本系统会造成热源的浪费，应该使用太阳能循环系统和室内管线相互独立的系统，太阳能集热器热量和室内系统进行热交换，这样不会排走多余的热量，可在设计两个水箱，一个热水箱（水的温度可高可低于恒温水箱）和；一个恒温水箱，室内循环水通过在恒温水箱的盘管和恒温水箱进行热交换）泵站调节供水井水井冷却水回收住户分散供暖大型集中供暖室内分体风机中央风机废水排放取暖用热水生活用热水保温管网智能控制系统保温水箱太阳能集热系统冬季供暖回水井太阳能集热供水系统全年提供生活用热水，冬季提供取暖热水源，用风机转换成热空气，供给室内取暖。生活用废水排入废水管道。冬季取暖用热水冷却后回放到回水井。在夏季太阳能集热系统多余的热水还可直接放入回水井，储存在地下储水层里，供冬季使用。（2）、地水源空调系统地水源空调系统由热泵站、配水间、风机和供水管网组成。为弥补冬季太阳能集热系统供热的不足，有热泵站提供辅助热源，热水进入保温箱，与太阳能热水一起进入智能控制系统，为用户提供热源。夏季利用地下水温度低的特点，将冷水与风机结合，由风机把冷空气送入室内，为住户提供冷空气，制冷后的循环水最后进入回水井。地水源空调系统主要功能在夏季提供制冷工质，通过抽取低温地下水，用风机转换为冷空气，达到室内降温的目的。地水源空调系统原理图（下图制热系统为太阳能和地源热泵，冬季使用地源热泵和太阳能结合使用，夏季只是用地下水和室内风机配合使用即可，不需要地源热泵）住户分散供暖大型集中供暖地水源泵站室内分体风机中央风机保温管网智能控制系统保温水箱制热系统冬季供暖生活用热水高温水源供水井回水井夏季制冷加热水回收冷却水回收废水排放大型集中制冷住户分散制冷中央风机室内分体风机低温水源 从上图可以看出，冬季取暖由太阳能集热系统和地水源热泵系统共同供给热源，以满足用户需要。夏季制冷由地水源系统供给，生活用热水由太阳能加热系统供给。该项工程的核心是风机与水源控制。通过水源温度控制，实现在不同季节进行供热和制冷的功能转换。三、项目建设的必要性1、环境保护的需要。水源热泵技术可利用浅层地热能资源进行供热, 具有良好的节能与环境效益。自1932年第一台水源热泵在瑞士应用以来, 水源热泵技术在西方发达国家应用已有70年历史。近年来, 随着我国经济的发展和人们节能环保观念的增强, 水源热泵技术受到人们的普遍关注, 在国内具备条件的地方得到了日益广泛的应用。太阳能集热技术已经十分成熟，可作为主要热源供应来源，为项目区提供全年热水供应。2、节约土地资源和水资源的需要。水源热泵技术占地面积少，水资源消耗量低，是资源节约型的技术，符合国家土地资源和水资源保护的有关政策，也符合项目区节约土地资源的实际要求。3、节约能源的需要。水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12-15，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体为15-18，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。据美国环保署EPA估计，设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用户3040的供热和制冷空调的运行费用。如果与太阳能集热技术结合起来使用，可大大减少电力使用，节能效果更为显著。四、项目建设的可行性1、技术条件成熟。在我国热泵技术的研究于五六十年代开始，并于六十年代生产出第一台空气-水热泵，但由于设计及制造上的原因，并未真正投入商业应用，从八十年代开始，我国在热泵技术的研究和产品的开发取得了较大的发展，且基本上以R12作为热泵工质，并以空气作为热源，对于采用地下热源（地下水、土壤热源等）为热泵热源的应用仅仅从九十年代中期开始。采用低温地下水作为热源的应用已得到了成功的应用，并在逐步推广。太阳能热水器在国内得到了广泛的应用，已有许多大型太阳能采暖工程的成功范例，技术已十分成熟。项目采用招标方式，选用国内专业公司进行工程建设和设备安装调试，技术有切实的保障。2、项目区有丰富的地水资源和太阳能资源可供利用。应用太阳能和地下水源热泵技术联合进行冬季供暖、夏季制冷的前提是项目的工程场地具备必要的资源和场地条件, 即水源条件、太阳能资源和场地条件。项目以太阳能热水器为主要供热系统，水源作为热泵机组从中获取热量进行冬季供暖的辅助热源，并在夏季做为制冷工质。项目区地下水埋深浅，出水量大，可以保证项目用水。当地较强的太阳能辐射能为太阳能热水系统提供可靠的能量来源，保证项目在低成本、低耗能的状态下运行。五、市场分析预测1、市场环境分析地源热泵系统从1998年开始陆续投放到中国一线城市的公共建设中，北京、上海、大连等城市地水源热泵的项目越来越多，并且开始从市政建设公共建筑向商品房经济适用房转移。2012年上半年，随着国家节能减排政策的推进和能源趋紧，地水源热泵技术优势越来越彰显。仅上半年国内地水热泵市场销售额为20亿元人民币左后，同比增长约30%。其中小型机组达到13亿元，占比为67%。大型机组（主要运用于北方市场）达到7亿元，占全国热泵技术使用总量的33%。在未来的几年中，中国的众多一线二线城市将面临巨大的能源压力。一方面，国家要求经济保持高速度的增长，另一方面，又得考虑环保和可持续发展问题。所以在未来很长一段时间地水源热泵市场会越来越广阔。目前，我国大力倡导环境保护和节约能源，使得太阳能技术日趋完善。太阳能与建筑相结合也成为目前建筑行业发展的一大趋势，而太阳能生产厂家也越来越多的开始与建筑一体化的相关产品项目的研发。集中供热系统也是大型供热水的必然趋势。2、市场同类竞争以目前来看，传统的空调系统还是市场主导产品。但是从使用过地水源热泵新技术反馈回来的顾客信息中我们可以了解到，传统空调系统和地水源热泵是没有可比性的。虽然地水源热泵技术看起来和传统空调功能性上很相似，但其中却有很大区别：（1）地水源热泵系统使用时间长：由于热泵系统不同于空调，可以长时间工作，几乎可以365天常年运行，所以就对热泵系统的设计、安装、配比提出了更高的要求，空调的技术与性能远远达不到热泵的要求。（2）地水源系统热泵的工作稳定性更高：热泵系统不但需要高性能的配件，包括压缩机、蒸发器、换热器等，更需要科学合理的组合，需要专业的技术人员进行全年气候条件的标准试验模拟才能生产、应用。一旦投入使用其寿命是一般空调系统的几倍，保养得当可使用长达50年左右。（3）地水源热泵系统经济效益更强：由于制冷方式和技术设备使用不同，地水源热泵只需要花传统空调系统所需的30%的用电量，就可以达到传统空调的制冷取暖效果，且还可以提供生活热水。（4）太阳能采暖技术与地水源热泵系统结合起来，可以大大减少冬季供暖和夏季制冷的电力消耗。3、市场分析与展望与燃煤锅炉、电力空调相比，运行费用低，而且环境保护效果更好。在城市居民日益重视环境污染的今天，项目建设一定会对这一新兴节能技术的推广起到重要作用，并且得到广大城市居民的欢迎。而且地（水）源热泵一旦投入使用，回报一定是巨大的，这一点毋庸置疑。在实际的运用上不但能在3-5年内全部收回成本。大型太阳能集热工程在智能控制技术的支持下，可以实现极低耗能自动运转，运行成本低，设备可靠性高大大降低能耗，这是电力空调不可比拟的。随着工程设计水平的提高，采暖与制冷将成为建筑工程设计的有机组成部分，传统的电力小型家用空调将逐步被热泵空调所替代。