太阳能热泵系统分析（精选十篇）
太阳能热泵系统分析 篇1
1 模型建立与条件设定
计算对象为兰州某办公楼。该楼南北朝向, 共3层, 层高3.6m, 长44.4m, 宽15.3m总建筑空调面积2037.96m2, 体型系数0.369。利用De ST软件生成的建筑模型如图1所示, 办公楼一楼建筑平面如图2所示。
1.1 围护结构的选取
建筑围护结构性能参数见表1;建筑的窗户面积及窗墙比见表2。
1.2 气象参数的确定
De ST模拟软件中的气象数据是获得了国家气象中心的支持, 取得了全国近200个气象站点建站后近50年的实测逐日数据 (其中包括温湿度、太阳辐射强度、风向、风速、日照时间和大气压力) 为数据源, 根据各气象要素的逐时规律建立模型, 在各项逐日值与接近原数据尽量接近的前提下, 生成逐时气象数据的方法及结果。
1.3 内部热扰
室内热扰依据GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》设置, 并考虑作息规律;主要功能房间有办公室、会议室、休息室、走廊、门厅等, 室内热扰设置见表3。
1.4 房间温、湿度设定
根据《办公建筑设计规范》JGJ67-2006二类标准, 室内温度:夏季为26℃, 冬季为18℃;室内相对湿度:夏季小于或等于60%, 冬季大于或等于30%。大厅、办公室、会议室、卫生间等进行采暖及空调, 楼梯间、走廊夏季不进行空气调节。
1.5 采暖空调模式
本例为办公建筑, 末端采用风机盘管, 冷热源由太阳能—地源热泵系统提供。空调启停设置为:
空调启停即人们对房间温度有要求的时刻。空调启停时间的设置是空调运行时间的长短、空调能耗的大小以及空调运行费用的多少的决定因素。因此其设置情况直接影响了所使用的空调系统的分析结果, 而空调的启停有着很大的随机性和不确定性, 它因各房间的功能等不同而异。这里按办公室典型情况考虑, 具体启停时间如下:
周一~周日:8:00~20:00开, 其余时间关闭。
1.6 通风模式
根据《办公建筑设计规范》JGJ67-2006的规定, 每人新鲜空气供给量设为30m3/h, 房间与外界的换气次数设为1.0次/h。
2 建筑负荷模拟结果及分析
该建筑采暖空调面积为2037.96m2, 经过De ST-c全年8760h动态模拟后, 得到该节能办公建筑全年冷、热负荷 (见表4) 及该建筑供暖季热负荷逐时分布情况。
表4中采暖季节热负荷指标为17.40 W/m2, 说明在兰州地区采用所选用的外围护结构材料能够满足该地区的节能标准。最冷月集中在1月;2月、3月、11月负荷相对较小, 大部分采暖日可以单独使用太阳能直接供暖, 节能效果明显。
3 费用年值法经济性分析比较
当对多个方案进行技术经济评价比较时, 一般采用费用现值法和费用年值法进行分析比较。这两种方法均为动态分析方法。其中, 费用现值法是将方案或项目在整个寿命期内支出的全部资金, 按基准折现率折算成时间零点的现值, 用现值进行方案或项目的评价比较。当各方案使用寿命期相同时, 采用费用现值法较为适宜。费用年值法的计算公式为[1]:
式中:AW (Annual Worth) ———费用年值, 元;
C0———初投资, 包括设备购置费等, 元;
(A/P, i, n) ———等额分付资本回收系数;
Ci———年运行费用, 包括电费、水费、折旧费、维修费等, 元。
式中:i———利率, 一般取10%;
n———使用寿命 (年) 见表5。
3.1 初投资C0
方案一:集中供热系统
根据实际工程, 集中供热系统初投资见表6。
建筑的建筑面积为2037.96m2, 计算得集中供热系统的初投资C0=22.4万元。
方案二:电热膜采暖系统以160元/m2计, C0=32.6万元。
方案三:太阳能热泵—地板辐射采暖系统。
对于中低温热泵, 当Tc=50℃时, 热泵的单位价格为0.602元/kcal, 即0.5176元/W, 本工程最大热负荷为:101.8k W, 则热泵费用为:5.26万元;本工程太阳能集热器集热面积440m2, 以1800元/m2计算, 则集热器费用为:79.2万元;循环泵两台0.5万元;补水泵两台0.3万元;蓄热水箱以1100元/m3计算, 则为:4.36万元;末端设备及其他费用:3.5万元。合计96.89万元。
因太阳能热泵—地板辐射采暖系统兼具夏季制冷和平时提供生活热水的功能, 而本文经济技术分析只针对冬季供暖, 所以将热泵采暖系统的初投资按1/2的比例折算。由计算得出太阳能热泵—地板辐射采暖系统经济技术分析中采用的初投资为48.4万元。
3.2 运行费用
3.2.1 采暖费Z1
利用太阳能供暖系统的运行计算可得到各设备的运行时间。根据上述设备的选择, 可计算得到各设备的能耗, 从而求得整个太阳能—地源热泵空调系统的能耗, 见表7。
循环水泵能耗计算:
式中:Ep———水泵耗电量 (k Wh) ;
Gp———水泵的流量 (m3/h) ;
Hp———水泵的扬程 (m H20) ;
N———水泵运行时数 (h) ;
ρ———水的密度 (kg/m3) ;
g———重力加速度 (m/s2) ;
ηp———水泵的效率;
ηe———电机效率, 取0.8。
水泵所消耗的能源为电能, 为了便于比较, 将系统的能耗折算成一次能源 (标准煤) 的消耗量。考虑我国的电能80%是由火力发电厂生产的, 所以一次能耗和标准煤消耗量可按下式计算:
式中:Epe———一次能耗 (GJ) ;
MSC———标准煤消耗量 (t) ;
Ee———电能消耗量 (k Wh) ;
29302.3———标准煤发热量 (k J/kg) ;
ηE———电厂发电效率, 这里考虑火电站 (30%) ;
ηs———输配电效率 (90%) 。
电费以0.6元/k W·h计, 则各系统采暖费见表8。
3.2.2 维修费Z2的计算
Z2=固定资产原值×维修费率
方案一:集中供热系统, 由文献[2], 维修费率采用2.5%计算。
方案二:电热膜系统, 维修费率为0。
方案三:太阳能热泵—地板辐射采暖系统, 维修费率采用1%计算。
3.2.3 折旧费Z3的计算
我国的折旧计算采用使用年限法, 其年折旧额为:
式中:Gy———固定资产原值 (元) ;
αz———基本折旧率。
根据《国营固定资产折旧实行条例》, 各类固定资产净残值占原值比例为3%~5%, 折旧率αz计算见公式:
式中:n———折旧年限, 年;太阳能—地源热泵采暖系统取30年, 电热膜采暖系统取30年, 集中供热系统取20年。见表9。
3.2.4 材料费用Z4的计算
方案一:集中供热系统, 材料费指系统需补充软化水的制水费。
计算公式为:
材料费=总供热量×单位供热量费用指标 (8)
根据文献[3], 单位供热量费用指标取0.5元/GJ。
方案二:电热膜采暖系统, 无此项费用。
方案三:太阳能热泵—地板辐射采暖系统, 同方案一。
3.2.5 其他费用Z5的计算
其他费用指上述费用中没有包括的费用, 如办公费、生产流动资金贷款利息等。其他费用估算一般按单位供热量指标估算, 计算公式为:
其他费用=总供热量×单位供热量费用 (9) 式中:单位供热量指标根据文献[4]取为1~2.5元/GJ。方案一、二以1.5元/GJ计, 方案三以2元/GJ计。
由表10可以看出, 采暖费中太阳能热泵—地板辐射采暖系统形式明显低于其他两种采暖系统, 节约能耗3.5~4.0倍, 对节能减排起到了很大的作用。
由表11可以看出, 集中供热系统的费用年值最低, 其次为太阳能热泵—地板辐射采暖系统, 电热膜采暖系统的费用年值相对较高。从费用年值数据可以看出太阳能热泵—地板辐射采暖系统的应用相对其他两种采暖系统并没有明显的优势, 其原因是热管式真空管集热器造价过高。过高的初投资可能会使此种系统不能普遍推广, 但是随着新型集热器的推广和热管式真空管集热器大量生产, 加上政府的支持和补贴政策的推行, 初投资费用一定会有很大的改观。
摘要：选取兰州地区某节能办公楼为建筑模型, 利用清华大学开发的建筑热环境设计模拟工具包 (DeST) , 计算了供暖季的逐时空调负荷, 结合系统运行的情况, 利用费用年值法对该系统与传统的集中供暖系统及电热膜取暖系统进行了经济性比较分析, 结果表明, 该系统较集中供暖系统和电热膜取暖系统低。
关键词：太阳能,热管式真空管,热泵,优化设计,经济性分析
参考文献
燃气热泵系统技术经济性分析 篇2
前言
随着我国经济的发展，人民生活水平提高，以及全球变暖的气候影响，我国制冷市场需求快速提高。现阶段制冷的主要能源为电力，燃料油和天然气只占很小比例。电空调是一种高能耗设备，而且是负荷非均衡性的能耗设备，虽然国家建设了大批调峰机组、调峰电站，但仍无法确保不断猛增的用电高峰负荷，夏季频频出现用电高峰期设备过载、掉闸断电现象，影响群众的正常生产生活。
北京市的天然气应用近年取得了飞速的发展，为提高首都居民生活水平、改善首都大气环境、促进北京申奥成功做出了巨大的贡献。但仔细分析北京市天然气供应量的分布，冬季采暖用气量非常大，而夏季制冷用气始终保持在一个很低的水平。天然气输配管网和设施必须按最大供应能力建设，这样当夏季供气低谷时必然造成管网资源的闲置和浪选?
通过以上分析可以看出，燃气与电力都存在峰谷差的难题，但是燃气峰谷与电力峰谷有极大的互补性，夏季是燃气使用的低谷，却是电力负荷的高峰期，燃气制冷可降低电网夏季高峰负荷，填补燃气夏季用气量低谷，实现资源的充分和均衡利用。
燃气热泵（GHP）也称热泵式燃气空调，是天然气用于中小型建筑物制冷和供暖的一种新的形式。燃气热泵（GHP）系统介绍
2.1 燃气制冷系统分类
燃气制冷系统按工作原理主要分为吸收式和压缩式，目前利用天然气进行制冷的系统主要有三种：利用天然气燃烧产生热量的吸收式冷热水机组（直燃机）、利用天然气燃烧余热的吸收式冷热水机组（对接式直燃机）和利用天然气发动机驱动的压缩式制冷供暖机组（燃气热泵）。其中直燃机一般应用于2万平米以上的大型建筑，对接式直燃机更是应用于大型冷热电三联供系统，而燃气热泵可以灵活应用于中小型建筑物，以燃气作为能源提供制冷和供暖。
燃气热泵（GHP—Gas engine Heat Pump）的是以城市燃气作为能源，通过燃气发动机做功驱动压缩机，使冷媒循环运动反复发生物理相变过程，分别在蒸发器中气化吸热，在冷凝器中液化放热，实现热泵循环，使热量不断得到交换传递，并通过阀门切换使机组实现制热和制冷功能的切换。
燃气热泵（GHP）系统从其设备组成上来说主要分为室外机、室内机、冷媒连接管路、冷凝水管路、燃气供应系统、电力供应系统和控制线路系统。其中室外机内的燃气发动机是整个系统的心脏部分。技术分析
4.1 GHP系统的特点
4.1.1优化能源利用结构
燃气制冷可降低电网夏季高峰负荷，填补燃气夏季用气量低谷，缓解夏季用电高峰，提高燃气管网利用率，实现资源的充分和均衡利用。
4.1.2使用一套系统解决夏季制冷和冬季供暖
GHP系统可以在供暖的热泵循环中有效利用燃气发动机排出的热量和发动机冷却水系统的热量，使GHP系统的供暖能力受室外温度影响小（-20℃以上供暖能力不受影响），可适用于更低的环境温度；同时无需除霜，在寒冷地区可快速启动，具有电空调无法比拟的供暖优势。
4.1.3 环保性能优异
我国燃煤发电量占总发电量的80%以上，因此电力并不能算做真正意义上的清洁能源，GHP系统以天然气、城市煤气、液化石油气等燃气作为能源，是真正清洁的一次能源；设备运转低排放，低噪音，低振动；冷媒使用环保新冷媒R407C，对大气臭氧层无破坏作用。
4.1.4 更大的空调稳定性和舒适性
以燃气发动机为动力，可根据制冷供暖时的负荷变化，电脑控制无级变速调节发动机转速以控制压缩机转速，保持室内温度更加稳定、舒适。
4.1.5 室外机室内机搭配灵活
GHP系统的室外机有28~56KW多种规格，室内机也有壁挂式、吸顶式、嵌入式、落地式等不同功率的多种规格，一台室外机最多可带20台室内机。因此，可根据建筑物的不同规模和功能灵活搭配GHP室外机和室内机，按不同区域构成相互独立又相互联系的系统，满足不同的负荷需求。
4.2 技术成熟性
日本是世界上GHP系统应用最广泛的发达国家。20世纪80年代，随着日本电力需求激增和第二次燃油危机的爆发，日本政府出台了新能源政策，推进能源利用的多样化和均衡化，鼓励利用海上进口的天然气作为能源。1980年到1987年是GHP技术的研制阶段，1987年开始市场销售，1988年销售10322台，到2001年年销量已达到46274台，2003年累计销量约50万台，广泛应用于商场、宾馆、办公楼、娱乐场所、医院、集体宿舍、别墅、学校等场所。经过20多年的研究和发展，GHP技术已经是一项十分成熟的技术。
4.3 技术适用性
经过我们对北京试验项目GHP系统实际运行状态和运行数据的研究，GHP系统在北京市的气候、环境、天然气气质等条件下制冷和供暖运转十分正常，用户对使用效果非常满意，废气排放、噪音和震动等指标完全符合我国相关法规和规定的要求，适合在北京地区和全国范围内推广。经济分析
下面以所进行试验项目的建筑物作为模型，进行几种制冷供暖方式应用于中小型建筑的方案比较。
5.1 参数说明
该建筑是位于北京市石景山区七星园小区的三层办公楼，建筑面积为600平方米。要求夏季制冷，冬季采暖。该建筑用途为办公用房，根据国家标准单位建筑面积制冷负荷选取100 w/m2，建筑总冷负荷约为60 Kw；单位建筑面积供暖负荷选取为60 w/m2，建筑总热负荷约为36 Kw。北京市天然气热值按8300kcal/Nm3计算，天然气价格按制冷1.70元/ m3，供暖1.90元/ m3，电价按平均0.633元/ Kwh计算。
各方案一次性投资详见附表一，运行费用详见附表二。
5.2 燃气热泵（GHP）系统制冷供暖（方案一）
5.2.1一次性投资
GHP系统由2台室外机和20台室内机及连接、控制管路组成。配套燃气系统接自其楼内原有低压（2KPa）天然气管线，电力系统接自其楼内原有配电箱220V电源。
本方案投资未计GHP系统施工安装费用和配套燃气、电力系统投资。
该建筑办公室面积小数量多，因此GHP系统室内机数量较多，导致单位建筑面积投资额较高；若建筑物的开间大、布局合理，单位建筑面积投资额可降至约600元/ m2。
5.2.2 运行费用
夏季制冷按制冷期120天，每天运行10小时计算，冬季采暖按采暖期129天，每天运行10小时计算，能耗指标为试验所得数据。
5.3电力中央空调（EHP）系统制冷供暖（方案二）@page@
5.3.1一次性投资
EHP系统同样由2台室外机和20台室内机及连接、控制管路组成，设备型号规格与GHP系统相同。电力系统接至其楼内原有配电箱220V电源。
本方案投资未计EHP系统施工安装费用和配套电力系统增容等投资。
5.3.2 运行费用
夏季制冷按制冷期120天，每天运行10小时计算，冬季采暖按采暖期129天，每天运行10小时计算。
5.4直燃机系统制冷供暖（方案三）
5.4.1 一次性投资
采用直燃机需在建筑物周围建设直燃机房，设15万大卡/小时直燃机1台，且直燃机的燃烧机使用5~15KPa天然气气源，需建设天然气调压设施。
本方案投资未计直燃机系统施工安装费用和配套燃气管道投资。
5.4.2 运行费用
夏季制冷按制冷期120天，每天运行10小时计算，冬季采暖按采暖期129天，每天运行10小时计算。
直燃机房需1人值班，工资按20元/天计算。
5.5电力分体空调制冷+专用锅炉房供暖（方案四）
5.5.1 一次性投资
此方案为近阶段北京地区中小型建筑普遍采用的制冷采暖方式。需购置安装20台电空调设备进行夏季制冷，在建筑物周围投资建设专用锅炉房，设42Kw燃气热水锅炉（北京地区已禁止使用燃煤锅炉）进行冬季供暖，燃气系统接自其楼内原有低压（2KPa）天然气管线，电力系统接自其楼内原有配电箱220V电源。
本方案投资未计系统施工安装费用和配套电力系统增容等投资。
5.5.2 运行费用
夏季制冷按制冷期120天，每天运行10小时计算，冬季采暖按采暖期129天，每天运行24小时计算。
锅炉房需1人值班，工资按20元/天计算。
5.6电力分体空调制冷+热网集中供暖（方案五）
5.6.1 一次性投资
此方案需购置安装20台电空调设备进行夏季制冷，接入城市热网进行冬季供暖，电力系统接自其楼内原有配电箱220V电源。
本方案投资未计系统施工安装费用和配套电力系统增容等投资。
5.6.2 运行费用
夏季制冷按制冷期120天，每天运行10小时计算，冬季采暖费按24元/ m2计算。
5.7 方案比较
5.7.1费用年值法
下面采用费用年值法对各方案进行经济比较。所谓费用年值法，就是将方案在规定的标准补偿年限内，将年费用加以比较，年费用应是补偿期内年平均投资和年运行费用之和。
其数学表达式为：
Z= 元/年
式中：C——系统的年运行费用(元/年);
K——制冷、供暖系统的投资额（元）；
X——投资效果系统（1/年）；且
x=
其中：i——部门内部的标准收益率。对公用设施取投资利息；对住户自购的设备取储蓄利息；
m——设备使用年限。
5.7.2 费用年值比较
各方案费用年值详见附表三。
通过比较可以看出，对于600 m2的办公楼来说，分体电空调加集中供暖（方案五）费用年值最低，但在不具备集中供暖条件的情况下，燃气热泵系统（方案一）从经济性比较为最佳方案，其费用年值比电力中央空调低19%，比直燃机低25%，比分体电空调加专用锅炉房低37%。
正是燃气热泵（GHP）系统的以下特点，决定了其在经济性上的优势：
1)放在楼顶或室外空地，不用专门设置机房，节省占地和投资；
2)自动运行，无需专人值守，节省人工成本；
3)高效节能，运行费用最低。结论
6.1 技术可行
燃气热泵系统在设备技术上已趋向成熟稳定，完全适应北京地区的气候、环境、天然气气质，设备推广具备技术可行性。
6.2 经济可行
太阳能热泵系统分析 篇3
关键词：太阳能热水系统；风冷热泵热水机组；绿色医院；节能
0 前言
我国国民经济的持续稳步发展和医疗改革的推进，使得医院的建设得到了前所未有的发展，医院作为卫生热水使用的耗能大户之一，其能耗比例占整个建筑能耗的20%以上，太阳能以其可持续性、清洁性、经济性等特点，使得太阳能热水系统在医院建筑应用取得较为可观的经济效益和环境效益，下面以广西钦州某医院大楼的太阳能热水系统设计为例，就太阳能热水系统和风冷热泵热水机组在医院建筑的应用进行探讨。
1 工程概况
本项目由综合大樓、爱心护理院楼、感染性疾病治疗楼及后勤服务楼组成，总用地面积为59096.79m2，项目总建筑面积为144272m2，住院病床总规模600张，门诊量5000人次/日，项目建成后达到国家绿色建筑二星级标准。其中综合大楼的病房、门诊及安心护理院的病房均全天供应热水。热水设计采用太阳能热水系统和风冷热泵机热水组联合供应。
2 热水系统参数的确定
2.1 项目所在地域气候情况
钦州位于广西南部沿海，地处北部湾顶端，年平均气温21.5～22℃，日平均气温基本稳定在10℃以上。7月最热，历年月平均气温27.9～28.3℃；1月最冷，历年月平均气温12.8～13.5℃。年总日照1612至1768h，年平均日辐照量为14.393MJ/（㎡.d）。
2.2设计日用热水量
卫生热水计算供水温度不小于50℃。冷水计算温度选15℃（《建筑给水排水设计规范》表5.1.4规定，广西的冷水计算温度为10-15℃），热水出水温度设计为60℃。
热水供应范围：综合大楼1～5层门诊、6层手术室、7～18层病房及医务人员；爱心护理院3～22层病房及医务人员。
2.3热水系统设计原则
（1）太阳能集热器和风冷热泵热水机组选用属节能、环保、安全型产品，太阳能集热器利用太阳能产生生活热水，无需消耗能源；阴雨天和冬季采用风冷热泵热水机组产生生活热水，其能效比最高可达4.5，其用电量极少，其总体经济效益十分可观。两者组合进行卫生热水的供应，保证了全天候的稳定工作。
（2）系统设计时考虑安全性、可靠性、先进性等特点，使系统达到最佳使用效果，实现系统节能、运行管理节能，减少电能消耗，达到节能减耗的目的，为医院全天24小时提供舒适的生活热水。
3太阳能热水系统设计及原理
3.1太阳能及风冷热泵机组选型设计
3.1.1太阳能集热器配置
直接式太阳能集热系统集热面积根据用户的每日用水量和用水温度，依据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》GB50364-2005，太阳能面积按下式计算：
AC=Qw·Cw·（tend-ti）·f·ρ/JT·ηcd·（1-ηL）
式中：AC—直接系统集热器总面积，m2；Qw—日均用水量，172 m3/日；Cw—水的定压比热容，4.18kJ /（kg·℃）；tend—贮热水箱内水的设计温度，60℃；ti—水的初始温度，15℃；JT—南朝向，倾角为钦州当地纬度的平面上年平均日太阳辐照量，14393kJ/m2；f—太阳能保证率，%；综合系统使用期内的太阳辐照、系统经济性、钦州各月平均日照时数和日照百分率等因素考虑，取0.47；ρ—水的密度，取1000kg/m3；ηcd—太阳能集热器年平均集热效率，根据集热器热效率曲线及机械循环系统效能，取0.635；ηL—管路及贮水箱的热损失率，经验值取0.15～0.25，取0.2；
代入数据计算，所需集热器面积为：Ac=2080m2；
3.1.2风冷热泵机组选型设计
（1）工作条件设定：年平均温度：环境温度15℃，进水温度15℃；
（2）全天用水量172 m3；
（3）卫生热水全天耗热量
考虑到阴雨天气冬季条件下，太阳能集热器基本不产生热水，因此辅助加热系统必须按满负荷用水量设计。计算公式：
Q= Qw·c（tr-tl）/860（kcal/kWh）/T
式中：Q—热泵额定制热量（kWh）；Qw—日均用水量，172 m3/日；c—水的比热，取1kcal/kg·℃；tr—设计热水温度（60℃）；tl—自来水补水温度（按15℃）；T—名义工况下设计运行时间（取11小时）；
热泵额定制热量Q=820kW。
选用风冷热泵机组每台额定输入功率16kW、制热量68kW，共12台。多台设置，保证单台热泵机组故障时稳定的热水供应。
（4）保温水箱
由于供水系统为全天候24小时供热，水箱容积应能满足储热与供热的需求，且要结合现场实际分配情况三种因素确定。系统日均用水量为172m3，最高时用水量为25.2m3/h。一般为满足供热水需求，水箱容积应为最高时用水量的3-4倍，且鉴于本项目中，考虑到楼面集热器分为三个区域，且分布距离较远，可以采用3个35立方保温水箱，内胆为304不锈钢、聚氨酯整体发泡。
3.2 太阳能及风冷热泵机组热水系统原理
3.2.1太阳能热水系统+风冷热泵机组原理图，如图1所示。
图1 太阳能热水系统原理图
4 系统节能效益分析
4.1运行能耗的比较
在条件相同的状况下，利用不同的热源设备制热水所消耗的电量、燃料及费用等详见表2所示。
注：①以上能耗比较基于1m3温度为10℃的水加热至60℃所消耗的电量或燃料费用；
②电价按照0.7元/（kWh），柴油按照5.8元/kg；
③全年按照360天计，阴雨天为90天，太阳能年有效工作时间为270天。
4.2系统节能效益
4.2.1系统年节能量及节省费用
（1）太阳能热水系统+风冷热泵机组的年节能量：
Qs=Am·JT·（1-ηL）·ηcd
式中，Qs—太阳能热水系统的节能量，MJ；AC—直接系统集热器总面积，2080m2；JT—年平均日太阳辐照量，4598MJ；ηL—管路及贮水箱的热损失率，经验值取0.15～0.25，取0.2；ηcd—太阳能集热器年平均集热效率，根据集热器热效率曲线及机械循环系统效能，取0.635；
则本系统的节能量Qs=4858430.72MJ。
（2）寿命期内总节省费用：
Ss=Pi（Qs·C-A·DJ）-A
式中，Ss—系统寿命期内总节省费用（寿命期为15年），元；Pi—折现系数，9.82；Qs—太阳能热水系统的节能量，MJ；C—常规能源价格，0.2元/MJ；A—太阳能热水系统总投资，385万元；DJ—维修费用，一般为总投资的1%；
则本系统的节能费用Ss =5313888元。
5结束语
在医院建筑对热水的需求量大且要求供应时段较为集中，然而在通常的太阳能热水系统的设计过程中，经常会出现阴雨天或冬季安装太阳能集热器面积不能满足热水需求的情况，建议采用风冷热泵热水机组进行补充，在确保太阳能热水系统优先运行的情况下，利用风冷热泵机组进行辅助运行，提高太阳能热水系统的全年适用性，采用太阳能热水系统与风冷热泵热水机组共同供应稳定的卫生热水，即符合国家现有关于节能减排的要求，也可以节约业主的运行费用。
参考文献：
[1]俞卫刚.医院能耗评价与节能对策[D].上海：同济大学，2009；
[2] GB50364-2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S]；
太阳能热泵系统分析 篇4
1 太阳能热泵供热系统
将在低温时集热效率较高的太阳能集热器和蒸发温度较高时系统效率较高的热泵系统相结合, 采用太阳能加热系统来作为热泵系统的热源, 这种太阳能与热泵联合运行的系统被称为太阳能热泵系统 (如图1所示) 。太阳能热泵供热系统的优点[7]使得它受到了广泛的关注, 文献[6]以哈尔滨地区为评价地区对太阳能热泵的经济性进行了分析, 得出太阳能热泵供热值得大力推广和应用。现以青岛市为评价地区进行经济性分析, 来考察太阳能热泵供热系统在青岛市的可行性。
2 四种供热系统的技术经济评价
2.1 初期投资比较
2.1.1 太阳能热泵供热系统
根据青岛市的气象资料, 平均太阳辐射功率为:
Pb=Pβγηγ=579.34×0.85×0.7=344.7 (2)
其中, H为青岛市年太阳辐射总量, 取H=4.7×109 kJ/ (m2·年) ;T为青岛市年总日照时间, 取T=2 541.2 h/年;Pb为平均太阳能集热器吸热功率, W/m2;βγ为太阳辐射的利用系数, 取βγ=0.85;ηγ为太阳能热泵集热器的热效率, 取ηγ =0.70。
热泵供热系统平均单位面积集热器当量吸热功率为:
其中, COP为太阳能热泵的平均供热系数, 取COP=3.5。
要满足供热功率0.7 MW, 需要的集热器面积为:
A=Q/Pr=0.7×106/482.58=1 450.5 (4)
单位面积集热器费用按550元计算 (其中包括压缩机机组的费用、工质费用、管路费用、安装费用、调试费用、辅助件费用等) , 设备和控制室的费用与锅炉房的费用相当, 按50 000元计算, 则太阳能热泵系统的初期投资费用为:
Mcr=Msb+RbA=50 000+550×1 450.5=847 775 (5)
其中, Msb为太阳能热泵供热系统设备和控制室的费用, 取Msb=50 000元;Rb为单位面积集热器价格, 取Rb=550元/m2。
2.1.2 燃油、燃气和电加热锅炉供热系统
燃油、燃气和电加热锅炉初期投资费用相当。按目前的市场价格, 一台0.7 MW的锅炉及相关附件为100 000元, 锅炉房设备费用50 000元和安装、调试费用5 000元, 则燃油、燃气和电加热锅炉供热系统的初期投资为:
Mcy=Mcq=Mcd=Mgl+Mgf+Mts=100 000+50 000+5 000=155 000 (6)
从上面的分析计算结果看, 太阳能热泵供热系统的初期投资费用约为其他三种供热系统的5倍～6倍。
2.2 年运行费用的比较
工作人员工资按12 000元/年计算, 设备的维护、维修费按初期投资的1%计算, 各系统的年运行费用计算如下。
2.2.1 太阳能热泵供热系统
太阳能热泵系统运行费用主要是压缩机耗费的电能, 对于供热功率为0.7×106 W、供热性能系数为3.5的太阳能热泵系统, 压缩机的耗电功率为:
太阳能热泵系统每天耗电费用为:
太阳能热泵系统平均年运行费用为:
Myr=MrDy+Mm+McrWz=
765.66×365+12 000+847 775×1%=299 943.65 (9)
其中, Dy为年计算时间, 取Dy=365 d;Mm为工作人员年管理工资费用, 取Mm=12 000元/年;Mcr为太阳能热泵初期投资, 取Mcr=847 775元;Wz为维护折算系数, 取Wz=1%。
2.2.2 燃油锅炉供热系统
燃油锅炉的系统运行费用主要集中在燃油费用上, 此处不计其耗电费用。燃油锅炉效率按85%计算, 热功率为0.7×106 W时, 每小时耗油量为:
其中, qy为柴油热值, 取qy=42 700 kJ/kg;ηy为燃油锅炉效率, 取ηy=85%。
燃油锅炉每天燃油费用为:
Myt=Rymyhd=3.6×69.43×7=1 749.636 (11)
燃油锅炉每年的运行费用为:
Myn=MytDy+Mm+McyWz=1 749.636×365+12 000+155 000×1%=652 167.14 (12)
其中, Mcy为燃油锅炉初期投资, 取Mcy=155 000元。
2.2.3 燃气锅炉供热系统
燃气锅炉的系统运行费用主要集中在燃气费用上, 此处不计其耗电费用。燃气锅炉效率按85%计算, 热功率为0.7×106 W时, 每小时耗气量为:
其中, qq为天然气热值, 取qq=34 000 kJ/kg;ηq为燃气锅炉效率, 取ηq=85%。
燃气锅炉每天燃气费用为:
Mqt=Rqmqhq=2.4×87.2×7=1 464.96 (14)
燃气锅炉每年的运行费用为:
Mqn=MqtDy+Mm+McqWg=1 464.96×365+12 000+155 000×1%=548 260.4 (15)
其中, Mcq为燃气锅炉初期投资, 取Mcq=155 000元。
2.2.4 电加热锅炉供热系统
电加热锅炉供热系统的运行费用全部为耗电费用, 其每天运行的耗电费用为:
电加热锅炉每年的运行费用为:
Mdn=MdtDy+Mm+McdWx=2 679.81×365+12 000+155 000×1%=991 680.65 (17)
其中, Mcd为电加热锅炉初期投资, 取Mcd=155 000元。
通过计算结果表明:在供热功率相同的条件下, 电加热锅炉的年运行费用最高, 其次是燃油锅炉与燃气锅炉, 太阳能热泵系统最低。
2.3 综合评价
假设电加热锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、太阳能热泵供热系统的寿命期都为15年[7], 系统残值为10%, 以电加热锅炉为基准, 上述供热系统按静态分析比较的结果见表1。
则寿命期满后, 太阳能热泵总费用最小, 其次是燃气锅炉, 再次是燃油锅炉, 电锅炉费用最高。
利用动态的年计算费用法进行比较, 其计算公式[8]为 :
其中, Z为按动态法计算的年计算费用, 元/年; K为投资额, 元;i为利率, %, 取i=5.94%;m为使用年限, 按m=15计算;C为年运行费用, 元/ (m2·年) 。
按上式计算所得数值最小的方案是最优方案。其计算结果如表2所示。
由表2可知:太阳能热泵系统最优, 其次是燃气锅炉, 再次是燃油锅炉, 最后是电加热锅炉。
从静态或动态的初期投资和运行费用综合方面比较来看, 在目前的燃料价格和银行利率条件下, 当供热功率相等时, 上述四种供热系统, 以太阳能热泵供热系统最经济。
3 结语
本文以青岛市0.7 MW供热功率为对象, 对太阳能热泵、燃油锅炉、燃气锅炉和电加热锅炉四种供热系统进行了初期投资、运行费用等影响因素的综合技术经济分析和比较, 得出以下结论:
1) 太阳能热泵供热系统的初期投资较大, 为847 775元, 而用锅炉供热系统的初期投资均为155 000元。
2) 在四种供热系统中, 太阳能热泵的年运行费用最低, 为299 943.65元/年;电加热锅炉最高, 为991 680.65元/年。通过静态和动态技术经济分析比较, 太阳能热泵系统在寿命期内的经济性最优, 其次是燃气锅炉, 再次是燃油锅炉, 最后是电加热锅炉。
摘要：以0.7 MW的供热功率为评价标准, 分别对太阳能热泵、燃油锅炉、燃气锅炉和电加热锅炉四种供热系统进行了初期投资、运行费用、燃料价格等因素的综合技术经济分析与评价, 评价结果表明:太阳能热泵供热系统的综合效果最好, 适合在青岛推广应用。
关键词：建筑节能,太阳能热泵,经济性分析
参考文献
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太阳能热泵系统分析 篇5
天长市水源热泵系统建设的可行性分析
结合天长市某水源热泵系统建设实例,依据实际地下水抽取与回灌试验数据,利用数值模拟模型定量研究水源热泵在利用地下水过程中对地下水流系统的`影响;结合天长市的水文地质条件,讨论水源热泵系统建设中应注意的有关问题,分析水源热泵在该市应用的可行性.
作 者：胡学林 HU Xue-lin 作者单位：安徽省建设工程勘察设计院,安徽,合肥,230001刊 名：工程与建设英文刊名：ENGINEERING AND CONSTRUCTION年，卷(期)：23(3)分类号：P641.25关键词：水源热泵 承压水 回灌 水位
太阳能热泵系统分析 篇6
【关键词】地下水源；热泵系统；水文；地质勘查
毫无疑问，在工业革命以后，人们的生产力得到了很大的提高，工业文明取得舉世瞩目的成就，现在人们所享受到的一切都与其有很大的联系，人们的生活水平得到很大的提高。但工业文明带来的弊端也显而易见，全球变暖、生物多样性减少、空气污染等一系列的问题接踵而来。其中水污染和淡水面积减少也是值得人们重视的问题，人们在没有食物的情况下，可以坚持将近一个星期，但是没有水人们可能坚持不过三天，所以水对于人们来说是尤其重要的。提起水，就不得不说水资源的状况。我国水资源总量非常大，但是人均水资源占有量并不乐观，因此在日常生活中抽取地下水也是一个不错的选择。岩石孔隙、裂隙和溶洞之中的水都可以称之为地下水，他们主要储存在包气带以下地层空隙，有上层滞水、潜水和承压水之分。而作为一种新型的一种可持续发展的绿色能源技术，地下水源热泵系统有着高效率，低投资的特点，对地下水的影响较大。
一、地下水源热泵系统概述
在大力发展经济的情况下，环境与能源的问题也不断的凸现出来，各国政府都认识到了环境的重要性，也在积极地采取措施来保护环境，节约能源，开发能源，从而达到可持续发展的目的。对于地下水源的勘查工作来说，高效、节能、环保的水源热泵系统有着其他热泵系统所不可比拟的优越性，在现实生活中应用的范围越来越广泛。
（一）地下水源热泵系统的发展历史
瑞士的Zoelly最先提出水源热泵的概念，此后美国也开始加入研究水源热泵，并成功地建成了一个水源热泵系统，去得了比较好的成绩，不断地应用到商业范围。一直到1985年，美国的水源热泵就达到了14000多台，随着时间的推移更是不断地增加，增长速度也在不断的加快，为美国在地下水利用方面的工作做了巨大的贡献。我国的水源热泵系统的研究工作也是在二十世纪八十年代，其学习与引进工作是在1997年改革开放前夕开始的，随后在需求的推动下，大规模的水源热泵系统不断开发，技术推广工作也做得越来越好。
（二）地下水源热泵系统的功能介绍
地下水源热泵系统也以理解为较为常见的深井回灌式水源热泵系统，它在投资的初期费用较为低廉，因而应用范围比较广泛。它的工作原理主要是利用建造的抽水井群来抽取地下水，以二次换热或者是直接将其送往水源热泵机组，在工作人员提取或者是释放热量之后，再由灌井群来将其灌回地下。深井水和地下的热水都能成为热泵良好的低拉热源，因为地下水长期处于非常深的地下，在地层隔热作用的影响下，地下水的温度随着季节的的变化非常小，甚至可以忽略不计，这样就有利于热泵的运行。但是，在利用地下水源热泵开采地下水资源的时候，如果不能够合理的利用水资源，就很可能会影响当地的地质、水文地质以及工程地质，加深地质与环境的矛盾，造成无法恢复的破坏。因此，在运行地下水源热泵系统时一定要注意水文地质条件、地下水水文以及水质等指标，以期达到合理开发利用地下水的目标，做到可持续发展。
二、地下水水文地质勘查
由于工业、农业废水、生活污水在未经处理就任意排放，通过渗井等渗透到地下；而超量开采地下水，井壁渗漏，导致不干净的水回灌到地下，加剧了地下水的污染。在利用地下水源热泵系统开采使用地下水时，部分重要的指标是不可忽视的，下面笔者将详细的介绍。
（一）以水文地质条件为先决条件
作为水源热泵的先决条件，水文地质条件也是一种客观条件，它可以分为所用的含水层深度、地下水埋深、水力的坡度、地下水的流向以及含水层的深度等指标来进行度量。含水层的深度与地下系统的造价有关，他们是正相关，如果含水层的深度太深的话，地下系统的造价也就更大。一般而言，含水层的深度在150米以内是最合适的。其次，含水层的厚度与单井的出水量是密切相关的，这关乎到水源热泵系统的开发成本与产出的比例。另外，含水层的砂层粒度会影响含水层的渗透系数，若含水层的粒度较大的话，可能会导致地下水回灌的情况出现。综上各种条件的影响，在进行地下水源热泵系统的水文地质勘查时，一般要选择地下水含水层是砾砂或者是粗砂的地域，地下水的坡度对水源热泵的一些不太明显，这个可以不用考虑，还应该合理的布置井位以及井间距。
（二）关注地下水水温
地下水的水温与地下水的流量密切相关，探测好地下水的水温也有利于系统的优化，因此在水温地质勘查中一定要事先调查地下水的温度，从而得出工程现场的地下水温。地下水的水温是随着地理环境、地质条件和地下深度的变化而变化的，比如在底下6.1至45.7米之间是恒温带，水温的范围一般在十到二十二摄氏度之间。地下水源热泵的进水温度是跟深井水的平均水温有关的，而深井水的平均水温要比当地的气温高两摄氏度左右，我国的东北地区深井水温一般为4摄氏度，而南部地区的深井水温则可以达到十二到十四摄氏度。因此，在进行水源热泵水文地质勘察时，一定要根据当地的地理环境，配备与地下水温相适应的热泵系统。
三、结语
地下水的开发是不同于地表水的，地下水厂的建设也是不同于自来水厂的。具体问题具体分析，了解我国地下水开采存在的问题，才能更好的进行地下水的开采，进行安全供水。随着经济社会的发展，人们对于地下水开采的技术的不断提高，人们对于地下水的利用程度也不断的加深。由于不合理的开发，引起了一系列的生态环境问题。但是，地下水的开发有利于缓解湖泊水的供水压力，也缓解了人们用水紧张的状况，但想得到安全而又充足的水源，必须合理的开发。地下水厂对于安全供水的水质的监督和管理也需要研究人员和管理人员不断的研究和创造，这并不是一个一蹴而就的问题，需要时间的累计和实践的检验。水能载舟亦能覆舟，大自然能够给与我们资源，也能夺取我们的成就。没有水资源的社会就像空中楼阁般不稳定，合理的利用地下水源热泵系统来进行水文地质勘查工作，进一步做好水质的检验，真正做到地下水开发的合理、做到地下水无污染，让人们能够放心的饮水。
【参考文献】
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太阳能热泵系统分析 篇7
1 太阳能在建筑热水系统中的应用
传统的建筑热水系统供热方式主要有燃煤锅炉加热、燃气锅炉加热、燃油锅炉加热、电加热等。这些供热方式消耗的均为不可再生能源, 且存在利用效率低、燃烧不完全、热损失较大等缺点, 因此, 不仅造成巨大的能源浪费, 在使用过程中排放的氮氧化物、CO和SO等废气也对环境造成了巨大的危害。在这种形势下, 探索一些新型可再生、无污染的清洁替代能源成为必然趋势。太阳能热水系统可分为集中太阳能热水系统和分散太阳能热水系统。太阳能热水系统由太阳能集热器、热水贮水箱和热水输送管网3个部分组成, 其中太阳能集热器是决定其热效率的关键构件。
太阳能热水系统中, 接受太阳能辐射并向其内部介质 (水) 传递热量的部件, 称为太阳能集热器。目前主要有平板型、全玻璃真空管、真空热管3种太阳能集热器。平板型太阳能集热器是金属管板式结构, 热效率高, 产热水量大, 可承压, 耐空晒, 性价比高, 但无抗冻能力, 适用于广东、云南、海南等冬季不结冰的地区。全玻璃真空管太阳能集热器有一定的抗冻能力, 适用于冬季气温在-20 ℃～0 ℃的地区, 但不能承受高压, 使用时不能缺水空晒, 玻璃管易爆裂。真空热管太阳能集热器有很强的抗冻能力, 适用于冬季气温在-40 ℃～0 ℃的地区, 可承压, 耐空晒, 不易爆管。
2 空气源热泵在建筑热水系统中的应用
热泵是解决能量等级不合理使用的有效手段。它可以利用高级别能量所具有的潜力, 去提取周围环境或将被排放的“废热”中的能量, 使其温度升高, 从而得到远比这些高级别能量直接转换时更多的热能。热泵机组用COP (性能系数) =制热 (冷) 功率/输入功率来评价其运行效率。假如1台以电能驱动的热泵热水器的COP为3, 即消耗1 kW·h的电能, 将可以获得3 kW·h的热能, 与只可以将电能作1∶1交换的电加热热水器相比, 热泵可以节约2/3的能量。在标准工况下, 热泵机组的COP值通常大于4。对于不同循环工质、不同压缩机类型、不同容量和种类的热泵机组, 其COP值还会有差异。在运行中影响热泵机组COP值的主要因素是蒸发器和冷凝器外部介质 (空气或水) 的工作温度, 以及它们之间的温差。通常在机组允许的温度范围内, 蒸发器外部介质温度越低, 或冷凝器外部介质温度越高时, COP值越低。
空气源热泵热水系统通常由空气源热泵、辅助热源、贮 (换) 热、热水管网组成。
3 太阳能和空气源热泵组合热水系统应用实例
3.1 工程概况
该项目建设用地位于东莞松山湖大道南侧。院区总建筑面积为118 990 m2, 其中住院楼为11层的塔楼;建筑高度52.50 m。
热水供病房卫生间、洁净手术部刷手间、淋浴间。分区同给水系统, 热源采用太阳能+热泵, 设集中热水供应系统。保证全天24 h不间断供应热水, 管网内热水温度不低于55 ℃。
设计热水用水量见表1。
3.2 热水系统及加热设备
以住院楼热水系统为例。
本工程采用24 h热水系统。设计中, 太阳能+空气源热泵热水系统是按在各自独立运行时可满足最高日热水用水量考虑。太阳能集热器选用平板型集热器, 因受到屋面安装面积限制, 只能安装一部分太阳能集热器。在屋面设置容积为156 m3的不锈钢装配式热水贮水箱和容积为10 m3的太阳能加热水箱。热水由高位水箱供应各用水点, 同时热水回水至贮热水箱, 整个系统为立管循环, 由连接温度控制系统的电磁阀控制循环的启闭, 以确保管网内水温不低于55 ℃。
该地区在4月～11月期间太阳日照时间相对较长, 冷水温度较高, 加热所需热量较少, 在此期间太阳能加温热水效果较好, 因此在4月～12月期间住院楼热源设备采用太阳能为主, 热泵为辅助;当遇到阴雨天气或日照时间和日照强度不足, 太阳能系统产水量小, 则启动空气源热泵补充热水贮水量, 以满足最高日热水用水量的要求。整个系统通过空气源热泵对贮热水箱的循环加热, 实现对管网热损失的补偿及对热水贮水量的补充。在此过程中的运行控制均由温度及水位传感自动控制系统完成。
在12月～次年3月期间, 是一年中气温较低的时间段, 阴雨天也占有相当多的一部分时间。在此期间, 太阳能产品在该地区的实际效果很差, 因此在12月～次年3月期间热源设备以热泵为主, 太阳能加热为辅。启动空气源热泵提供热水贮水量, 以满足最高日热水用水量的要求, 太阳能系统以日照时间和日照强度提供部分热量。整个系统通过空气源热泵对贮热水箱的循环加热, 实现对管网热损失的补偿及对热水贮水量的加热。在此过程中的运行控制均由温度及水位传感自动控制系统完成。
3.3 工程社会经济效益分析
3.3.1 12月～次年3月期间热泵供热系统与其他加热方式运行费用对比
1) 每天热水总用量M=345.4 m3, 热水由10 ℃加热至60 ℃, 温升50 ℃。2) 每天所需总热量Q=345.4 m3×1 000×50 ℃×1 kcal/ (kg·℃) =17 270 000 kcal。3) 能源单价:电费1.00元/kWh;天然气3.95元/m3。4) 能源热值:电能860 kcal/kWh;天然气热值8 000 kcal/m3。5) 设备热效率:空气源热泵400%;燃气加热80%。
3.3.2 各种能源设备产热水运行成本对比
各种能源设备产热水运行成本对比见表2。
12月～次年3月期间太阳能+空气源热泵系统的节能费用为58.9万元。空气源热泵热水机组生产单位体积热水的成本仅为天然气热水锅炉生产单位体积热水成本的47.1%。空气源热泵热水机组与液化气热水锅炉相比, 其节能效果明显。
太阳能热水系统与空气源热泵热水系统均具有较大的节能空间。将两者结合应用, 不仅可以最大限度地利用太阳能, 降低运行成本, 而且能够有效利用空气源热泵补偿太阳能的不确定性, 使整个热水系统在运行中更加安全、可靠。
4结语
通过工程实例分析可以看出, 用太阳能和空气源热泵组合热水系统取代传统热源热水系统应用于建筑中, 一方面能够节约柴油、天然气、电等传统能源, 缓解当前日益严重的能源危机, 创造更大的经济价值;另一方面, 由于太阳能为清洁、无污染的可再生能源, 空气源热泵是高效率、低污染的热机, 两者配合使用大大降低了建筑本身对周围环境的污染。随着国家对建筑节能的重视不断加大, 这一应用领域将迎来更加广阔的发展空间。
摘要：分别介绍了太阳能和空气源热泵在建筑热水系统中的应用, 结合工程实例, 就太阳能和空气源热泵组合热水系统的应用和社会经济效益作了论述, 得出太阳能和空气源热泵组合热水系统有较大的节能空间的结论。
太阳能热泵系统分析 篇8
空气源热泵机组作为空调系统的冷热源,由于安装简单、运行操作方便、不需要独立机房等特点,近年得到长足的发展。但是空气源热泵机组在寒冷高湿条件下使用时室外换热器会产生结霜现象,随着蒸发器表面霜层的增厚,空气流通面积减小,造成空气流动阻力增大从而使风量减小。同时霜层形成的冷表面与空气间的热阻恶化了盘管的换热效果,使热泵性能衰减,严重时会导致热泵不能正常工作[1]。
中间安装有制冷剂蒸发管的太阳能蒸发面板,其不同于一般真空玻璃管集热器,不只依赖太阳光的照射来吸收热量,而且可以吸取空气或自然环境中的各种热量,不受晴天、下雨的影响,也不受昼夜的影响,只要外界气温不低于-20℃,即可蒸发吸热(在有太阳辐射时每平方米面板日产热水量425L,没有太阳辐射时,日产热水量约300L,显然比一般太阳能集热板的效率高)[2]。
本文将太阳能热利用与空气源热泵技术有机地结合起来,综合太阳能热利用与空气源热泵的优点,可使系统的经济性显著提高。
1 太阳能辅助热泵[3]
太阳能辅助热泵通常是指作为太阳能热利用系统辅助装置的热泵系统,包括独立辅助热泵和以太阳能辐射热能作为蒸发器热源的热泵。这类热泵多数以供热为主,涉及建筑采暖、生活热水供应以及工业用热等领域,对太阳能集热温度要求不高,而且具有灵活多样的系统形式、合理的经济技术性能和良好的商业实用化前景。根据集热介质的不同,太阳能辅助热泵一般可分为直膨式和非直膨式两大类。直膨式系统中(见图1),制冷剂作为太阳能集热介质直接在太阳能集热/蒸发器中吸热蒸发,再通过热泵循环将冷凝热释放给被加热物体。非直膨式系统(见图2～4)中,太阳能集热介质通常采用水、空气或防冻液等流体,使它们在太阳能集热器中吸收热量,再将此热量直接传递给加热对象或作为蒸发器热源经热泵循环升温后再加热物体。根据太阳能集热循环与热泵循环的不同连接形式,非直膨式太阳能辅助热泵又可分为串联式、并联式和双热源式三种基本形式。
2 太阳能蒸发面板为辅助热源的空气源热泵
本文提出的太阳能蒸发面板为辅助热源的空气源热泵是在直膨式与非直膨式太阳能辅助热泵的基础上进行改进与完善的。它能够实现夏季制冷,冬季供热和全年热水供应。这种系统的示意图如图5所示。
集热器是中间安装有制冷剂蒸发管的太阳能蒸发面板,它不受环境的影响,可以提供大量的热水。在寒冷高湿地区把部分热水引到室外侧换热器中来除霜。工作模式为:(1)夏季制冷时,热泵用于制冷来满足房间负荷要求,太阳能蒸发面板提供热水。具体操作如下:关闭阀1、2、3、5、7,打开阀4、6。(2)冬季制热时,由于使用的是太阳能蒸发面板来收集热水,如上所述,这样产生的热水量比普通的真空集热管式太阳能生产的热水多很多,因此优先使用太阳能所生产的热水作为热泵的低温热源,如果热水温度满足供暖要求,就不开启热泵,如果不满足要求,再来开启热泵。如果室外侧蒸发器的表面温度低于环境露点温度,甚至低于0 ℃,这时就要除霜。具体操作如下:关闭阀4和冷水泵,打开其余的阀。(3)过渡季节,室内只要新风进行换气,不开启热泵系统,这时太阳能蒸发面板同样可以全天提供热水。
由上可知太阳能蒸发面板为辅助热源的空气源热泵能够冬季供热、夏季制冷和全天提供热水,但需要进一步解决如下问题:(1)太阳能蒸发面板集热器中间安装的是制冷剂蒸发管,此时制冷剂要充注多少量,如何与空气源热泵的制冷剂相连接[4]。(2)在冬季,在太阳能与空气双热源式热泵系统里,生产的热水可以为室外侧换热器除霜,但需要多大量。(3)在系统负荷变化时,如何保持系统稳定运行和节能。
3 结语
利用太阳能蒸发面板为辅助热源的空气源热泵系统能够解决夏季制冷、冬季采暖和全年热水供应,在寒冷高湿地区也可以除霜。
摘要：在传统太阳能热泵基础上,提出中间安装有制冷剂蒸发管的太阳能为辅助热源的空气源热泵,能够解决夏季制冷、冬季采暖和全年热水供应问题,同时在寒冷高湿地区也可以除霜。节能经济性可观。
关键词：太阳能,空气源热泵,除霜,节能
参考文献
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太阳能热泵系统分析 篇9
1.1 项目概况
以天津某物流公司新建办公楼工程为例,建筑总空调面积3 400 m2,其中,办公楼面积2 090 m2,会议室与食堂面积958 m2,辅助区面积240 m2。
1.2 室外设计参数
室外设计参数如表1所示。
1.3 空调室内设计参数
夏季:温度为24~26℃,相对湿度小于或等于60%;冬季:温度为18~22℃,相对湿度大于或等于30%.
1.4 设计依据
设计依据为《采暖通风与空气调节设计规范》和《地源热泵系统工程技术规范》(GB 50366—2005)。
1.5 负荷计算
经计算,该系统总冷负荷为296 k W,热负荷208 k W。
2 系统技术、经济分析
2.1 技术分析
太阳能-地源热泵冷暖热水三联供系统由地源热泵空调系统和太阳能光热系统两部分组成。地源热泵空调系统由室外地埋管、热泵机组和末端风机盘管组成,利用浅层地能对建筑物进行供热制冷。太阳能光热系统主要就是太阳能热水器。目前,普遍以真空管式太阳能热水器为主,承担建筑物的生活热水。
根据以上两种系统的特点,将两者有机地结合起来,即形成太阳能-地源热泵冷暖热水三联供系统。通常,地源热泵在供冷时的工质的冷凝,大多通过土壤换热器或井水冷却。这部分巨大的热能就浪费了,并且系统消耗大量的电能。带热回收地源热泵机组巧妙地将这部分热能加以利用,比如用作生活热水。其做法就是在高温、高压的气态工质进入冷凝器初端时,再加一套热回收用的热交换装置,再由土壤换热器或井水冷却。热回收地源热泵机组具有可选的热回收功能,即可将25%冷负荷部分热回收或全热回收,在制冷季用户可免费得到生活热水,冬季可在供暖的同时提供生活热水。这样既解决了地源热泵系统的热平衡问题,又降低了太阳能热水系统的能耗,可谓一举两得。
2.2 经济分析
2.2.1 空调冷暖系统全年运行费用比较
太阳能-地源热泵系统与常见风冷热泵空调系统对比如下。
带热回收地源热泵空调系统年运行费用估算:
夏季供冷:290 k W/5.2×24×120×0.7×0.8×1.0=89 944.6元;
冬季供暖:208 k W/3.9×24×120×0.7×0.8×1.0=86 016元。
全年运行费用:89 944.6+86 016=175 960.6元。
风冷热泵空调系统年运行费用估算:
夏季供冷:80.9 k W×24×120×0.7×0.8×1.0=130 475.5元;
冬季供暖:88.4 k W×24×120×0.7×0.8×1.0=142 571.5元。
注:负荷系数取0.7,季节系数取0.8.
全年运行费用:130 475.5+142 571.5=273 047元。
全年运行费用比较:273 047-175 960.6=97 086.4元。
由此可见,带热回收地源热泵空调系统比风冷热泵空调系统年运行费用可节省97 086.4元。
2.2.2 生活热水系统运行费用比较:
以该项目为例,该项目100人次洗浴日需要50℃生活热水5 t,冬季地源热泵机组带部分热回收装置热回收热量为73 k W。自来水进水温度为5℃,生活热水出水温度为50℃,温差为45℃。每小时产水量为(温差45℃)73/45/1.163=1.394 t。空调机组运行时间为5/1.394=3.58 h,空调机组消耗电量为45×5×1.163/4=65.4 k W·h,日电加热5 t生活热水(45℃温差)所需电量为1.163×45×5/0.96=272.6 k W·h(电加热功率为96%),日节约电量为272.6-65.4=207.2 k W·h。
天津地区月平均气温大于或等于10℃,全年日照时大于或等于6 h/d的晴朗天气为250~275 d,需要辅助热源天数为90~115 d。
冬季平均按照90 d估算太阳能不足以满足生活热水需要,电价按1元/k W·h计算,则冬季节约电费估算为90×207.2=18 648元。夏季,太阳能充足,基本不需要电辅助加热。
因此,与一般太阳能加电辅助系统相比,太阳能加带热回收地源热泵系统全年节约电费为18 648元。
2.2.3 全年运行比较
通过实际工程测算,太阳能-地源热泵冷暖热水三联供系统与常用风冷热泵空调系统加以电辅加热作为太阳能热水辅助热源系统相比,2 000 m2建筑物全面运行费用节省10万元,其经济效果相当显著。
3 结论
太阳能-地源热泵冷暖热水三联供系统具有以下优势:①环保。地能和太阳能都属于可再生能源,采用地源热泵系统供热取代传统燃煤供热可减少排放。②节能。以本项目为例,在设计工况下,热泵机组的夏季能效比(EER)达到5.2,冬季能效比(COP)达到3.9,均达到国家节能标准。③节水省地。以土壤为载体,向其放出热或吸收热量,不消耗水资源,省去了冷却塔、锅炉房及储油房等配套设施,机房面积小,节省了土地资源。④省钱。通过一套系统来实现供热、制冷及生活热水供应,初投资仅为传统空调系统供冷加锅炉房供热系统的2/3左右;运行费用也比传统方式少得多。因此,这种仅利用少量高品位能源,利用太阳能与地表浅层能量的太阳能-地源热泵综合系统对保护环境及节约能源所起的作用是显而易见的。利用热泵实现冷、热和生活热水三联供可提高设备利用率,运行效果优于其他中央空调系统。
摘要：太阳能-地源热泵组合系统是将太阳能与地源热泵相结合的高效、节能、绿色、环保的系统,可实现供热、空调和供热水三联供。在夏季太阳能充足的情况下,通过蓄热装置将过剩的太阳能储存在土壤中;冬季太阳能不足时,通过地源热泵将夏季储存的能量取出加以利用。
关键词：太阳能,地源热泵,冷暖热水,三联供
参考文献
[1]魏海翔,梁镇杰,梁海珍,等.基于热泵和太阳能的住宅供暖供冷供生活热水三联供系统研究[J].机电工程技术,2014(8):123-126.
基于化学热泵的太阳能综合利用系统 篇10
据测算, 使用一平方米太阳能热水器, 相当于每年节约120公斤标准煤。2007年发改委的《可再生能源中长期发展规划》中明确提出到2020年, 全国太阳能热水器总集热面积达到约3亿平方米, 加上其他太阳能热利用, 年替代能源量达到6000万吨标准煤。资料显示, 太阳能热水器销售量在2007年已经达到1200万平方米, 并以每年20%-30%的速度迅猛发展。太阳能热水器不但设备简单易用, 而且为国家节约了大量资源, 是家用设备从常规能源体系转向可再生、绿色能源体系的一项成功案例。
与此同时, 市场上新兴的热泵热水器与传统热水器相比已有较大的节能效果, 但是其制热效率受到环境条件的制约, 效率较低。并且由于光照时间与光照强度的不稳定性, 太阳能热水器往往不能和用户需求相契合, 白白损失了大量的能量。
基于以上背景, 我们希望通过太阳能与化学热泵的巧妙结合来补足目前主流太阳能热水器的缺点, 大幅度提高太阳能的使用效率, 实现全方位、多功能的利用, 不仅可以加热生活用水, 而且可以制冷制热。化学热力循环系统也可以实现不受时间限制的高密度、高转化率的储能。没有污染、造价不高的太阳能化学热泵系统弥补了传统供热空调系统大量消耗常规能源的缺点, 响应了国内建设不耗能生态建筑的号召, 对解决环境危机和能源短缺有相当的意义。
2 设计方案
2.1 设计思路
本设计充分利用了化学热泵与太阳能结合的作用, 将化学热泵的作用最大化, 这不仅实现了普通热泵的供暖作用, 还能够用于制冷和蓄热。
2.2 工作原理
整个循环过程可分为解离期和络合期。在解离期, 处于中温TM (约40-45℃) 的氯化钙二甲醇络合物被高温TH (约110-130℃) 热源加热至接近TH, 发生解离反应, 吸收热量QH, 释放出气体工质甲醇。该气体被冷却降温至中温TM, 冷凝放出热量QM2, 变成液体甲醇, 随后循环进入络合期。蒸发器中液态甲醇在低温TL (约10-5℃) 下蒸发, 从环境中吸收热量QL, 取得制冷效应。汽化的甲醇与解离的产物氯化钙发生络合反应放出热量QM1, 同时床层逐渐被冷却至TM, 至此完成一个循环。其结果是系统消耗了高温热量QH, 除了直接传热给中温热源TM外还从低温热源TL中吸收热量QL, 产生额外供热量, 达到增热和制冷的目的。
2.3 工质对选择
以氯化钙甲醇络合物作为工质的热泵系统有许多优点:
(1) 甲醇有较低的冰点 (-98℃) , 热泵循环既可用于供热, 又可用于致冷;
(2) 甲醇蒸气有较高的冷凝温度 (64.7℃) , 即使夏季气温高达40℃, 以空气作冷却剂也足以将甲醇蒸气冷凝下来;
(3) 室温下甲醇有较高的饱和蒸气压, 使氯化钙吸收甲醇蒸气时不致产生较大的负压, 不必像水基热泵那样需要较粗的管路系统, 在稍低于大气压下工作也可免除高压带来的危险。
2.4 装置简介
如图1所示, 此系统由两个循环系统组成。一个是太阳能热水循环系统, 一个是化学热力循环系统。
运行过程如下:
1中的甲醇液体温度约为40-50℃, 经过12进入6内, 此时甲醇温度可降至-15℃左右, 7通过传热介质进入6与甲醇进行热交换, 6中甲醇蒸发吸热, 此时可以起到制冷作用。
1-甲醇贮存器;2-冷凝器;3-蓄热水箱;4-太阳能集热器;5-吸收/发生器;6-蒸发器;7-冰箱或其他低温热源;9-管道开关;10-单向阀;11-蒸汽阀;8、12-膨胀阀
打开11后, 甲醇蒸气通过11进入5中, 与5中的无水氯化钙结合形成氯化钙二甲醇放出大量的反应热。此时, 3中的冷水进入5, 吸收反应放出的热量后升温至45℃左右, 回到3中供用户使用。
4在吸收太阳能之后通过传热介质进入5中, 5中的络合物吸热至一定程度后分解, 反应产生温度约为130℃甲醇蒸气。蒸气通过10后进入分叉管, 由于10只能单向通过, 从而保证了蒸发后的甲醇不会冷凝回流至5。关于进入分叉管的甲醇蒸气, 在冬季, 室内温度低, 则关闭8打开9, 甲醇蒸气通过2将温度传递给水, 可将水加热至约50-60℃, 继而通过暖气片给室内供暖。而在夏季, 由于不需要供暖, 则关闭9打开8使甲醇降温冷凝后直接进入贮存在1中。从而完成一个循环过程。
3 应用前景
3.1 利用甲醇作为循环工质, 充分利用甲醇相变释放的潜热
甲醇作为一种良好的相变材料, 能够很好的适应吸热放热的需求;第一, 甲醇有较低的冰点, 在热泵循环中既可用于供热又可用于致冷;第二, 甲醇蒸气有较高的冷凝温度, 即使夏季气温高达40℃, 以空气作冷却剂也足以将甲醇蒸气冷凝下来;第三, 室温下甲醇有较高的饱和蒸气压, 使氯化钙吸收甲醇蒸气时不致产生较大的负压, 不必像水基热泵那样需要较粗的管路系统;在稍低于大气压下工作也可免除高压带来的危险;第四, 甲醇的反应温度广, 与主要工业金属不发生反应, 因此对系统设备不具有腐蚀性;第五, 甲醇的含量丰富, 造价低, 系统一段运行时间后维护成本较低;第六, 甲醇是绿色物质, 在正常情况下是无色有酒精气味的液体, 使用不会对地球的热平衡以及周围环境造成影响。
3.2 利用甲醇贮存箱可以在无太阳能输入的情况下提供热量
甲醇贮存箱中的液态甲醇在阀门开启的情况下, 进入蒸发器内与低温热源换热, 在低压条件下吸收低品位热量蒸发, 在反应器中与无水氯化钙结合放出高品位的化学能, 从而完成热泵的作用。而所有的能量均来自于太阳能对于氯化钙二甲醇络合物的分解, 由此达到了太阳能的贮存作用。
摘要：随着经济发展, 我国的能源需求在不断增长、化石能源消耗带来的环境压力在不断加剧, 新能源和可再生能源的开发利用必将越来越受到重视。然而由于太阳能的不连续性和对天气的依赖性, 普通的太阳能热水器在夜间和连续阴雨天无法正常工作, 需要开启电加热辅助, 消耗电能, 不节能也不环保, 由此, 我们对太阳能化学热泵进行了一系列研究。
关键词：能源,太阳能,化学热泵
参考文献
[1]李占勇.化学热泵干燥[J].化工进展, 2006 (26) :436-439.
[2]张军, 魏新利, 孟祥睿, 马新灵.低品位热能利用技术[M].北京:化学工业出版社2012.
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