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节能技术

地暖节能方案:太阳能+热泵+地暖系统

发布时间:2018/2/5 15:42:37 浏览次数:

从使用上节能只能称为地暖节能小妙招,真正的节能应该在地暖热源上。地暖热源是十分灵活的,用户完全可以选择更节能的设备,从这个角度,暖通专家提出太阳能+热泵+地暖系统方案。

太阳每年到达地球表面的太阳辐射能已相当于燃烧173万亿吨标准煤所发出的热量,这个数量大体上是目前全世界所消费的各种能量总和的20000倍左右。

太阳系已经存在了大约50亿年,估计还可以维持60亿年以上。对于人类来说,太阳能可谓“取之不尽,用之不竭”。

我国是太阳能资源较为丰富的国家,三分之二的国土年日照在2200小时以上,年辐射总量大约在每年3340MJ/m2~8360MJ/m2,相当于110kg/m2~250kg/m2标准煤。因而如何有效利用太阳能这一可再生能源是解决当今社会能源结构不合理问题的突破点。

随着科技的进步,太阳能在建筑物耗能方面的应用成为可能。

1新的建筑能耗标准不断出台

我国节能建筑曾经有三次节能标准的修改,使得目前节能建筑的能耗大幅下降,其建筑物耗热量指标由31.8W/m2下降到20.6W/m2,而新标准又降到16.8W/m2,现代节能技术为太阳能采暖提供了可靠基础。

2太阳能保证率不断提高,使得太阳能集热面积相应减少

新型太阳能采暖产品和技术不断出台,使得同样采暖面积前提下,太阳能集热面积相应减少;经过潜心研究太阳能采暖专用管现已问世,国家对该太阳能热水器质量监督检验中心公布检测报告结果:归一化温差为0K时,瞬时热效率为74.2%,而按此计算冬季采暖热太阳能转化效率为58%,该技术的诞生大大提高了太阳能的热转换效率,该产品在太阳能采暖应用上优势明显。

若采用该项技术,建筑物耗热量指标按20.6W/m2计算,在太阳能保证率按40%的条件下,经计算得出集热面积与建筑采暖面积之比为1:10,大大提高了太阳能采暖的应用范围。

3热泵技术的不断发展,成为太阳能采暖最经济环保辅助热源

“热泵”是一种能从空气、水或土壤中获取“低品位热能”,经过电力做功,提供可被人们所用的“高品位热能”的装置。热泵在工作时,它本身会消耗一部分能量,把环境介质中贮存的能量加以挖掘,通过传热工质循环系统提高温度进行利用,而整个热泵装置所消耗的功仅为输出功中的一小部分,因此,采用热泵技术可以节约大量一、二次能源。

由于热泵能将低温热能(-15℃~35℃)提升为高温热能(30℃~85℃),提高能源的有效利用率,因此是回收低温余热、利用环境介质(地下水、地表水、土壤和室外空气等)中储存能量的重要途径。热泵主要分为空气源热泵、水源热泵和地源热泵三大类。

3.1空气源热泵

空气源热泵低温性能得到很大提高,超低温空气源热泵保证系统在-25℃正常运行,系统供热效率大大提高,在-15℃~0℃范围内,系统供热COP值平均达到2.0以上,地板的蓄能作用可以利用白天较高气温,进一步提高系统供热效率。空气源热泵传热工质是一种特殊物质,常压下其沸点为零下40℃,凝固点为零下100℃以下,该物质冷的时候是液体,但很容易被蒸发成气体,反之亦然。

在实际运行中,空气源热泵中传热工质的蒸发极限温度为-20℃左右,因此5℃的环境温度对比-20℃左右的温度也是“热的”,甚至更低的温度,比如说0℃,相比-20℃也是热的,因此,仍可交换热能。

3.2水源热泵

水源热泵是目前空调系统中能效比(COP值)最高的制冷、制热方式,理论计算可达到7,实际运行为4~6。水源热泵机组可利用的水体温度冬季为12℃~22℃,水体温度比环境空气温度高,所以当热泵循环的蒸发温度提高,能效比也会提高。

而夏季水体温度为18℃~35℃,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,从而提高机组运行效率。

水源热泵消耗1kW·h的电量,用户可以得到4.3kW·h~5.0kW·h的热量或5.4kW·h~6.2kW·h的冷量。与空气源热泵相比,其运行效率要高出20%~60%,运行费用仅为普通中央空调的40%~60%。 

3.3地源热泵

地源热泵在冬季运行时,COP值约为4.2,即投入1kW电能,可得到4kW的热能;夏季运行时,COP值达5.3,投入1kW电能,可得到5kW的冷量,能源利用效率为电采暖方式的3~4倍;并且热交换器不需要除霜,减少结霜和除霜的用电能耗,比常规空气源空调节能50%左右。

3.4热泵作为太阳能采暖辅助能源的优势

A、热泵属可再生能源利用技术,热泵技术间接利用太阳能,归根结底还是利用太阳得到能量;

B、供热时没有燃烧过程,避免了排烟污染,供冷时节省了冷却塔,避免了噪音及霉菌的污染;

C、占用空间小,省去了冷却塔、锅炉及与之配套的煤棚和渣场,节省了土地资源,产生了附加的经济效益,并改善了建筑物的外部形象;

D、运行稳定可靠,维护方便,热泵机组运行更可靠、稳定,保证了系统的高效性和经济性;采用全电脑控制,自动程度高;维护费用低,使用寿命长。

4地面采暖低温运行为太阳能采暖的应用提供可能

传统散热器采暖系统要求工质运行温度在60℃以上;风机盘管工质运行温度在45℃以上;而地板采暖系统工质运行稳定范围可以最低在30℃~40℃之间,而太阳能热泵采暖系统供热温度每下降1℃就可使太阳能集热系统热损下降2%~5%;热泵热效率提高2%~5%。

经过十年太阳能采暖的经验可知,一般节能建筑,在室外平均气温-1.6℃时,供热水温33℃,回水水温26℃,地面温度即可达到27℃,室内温度保持20℃以上的舒适状态,每平方米每日用电量仅为0.2kW·h。

这就是太阳能、热泵与地板采暖结合才能实现的效果。

并且使用地板辐射采暖,巧妙地将集热器白天捕集、采集的太阳能热量,存储在热惰性较大的地暖工质和混凝土层中,省去了传统集热工程必备的大水箱,降低了成本,减少了设备占地面积。

经过实测,在不启用辅助热源的情况下,密闭的节能房内空间,10小时后室内温度仅下降2℃。

5太阳能结合热泵采暖是长远之计

太阳能结合热泵采暖虽然会利用一部分电能,但它不依赖于石化资源,电能可以用可再生能源获取。

太阳能、热泵、地板结合采暖是现今最节能的采暖方式之一,三者互为补充,缺少一项就起不到节能和稳定运行的效果。

从长远考虑,太阳能结合热泵采暖技术永远不会过时,它会随着技术的不断成熟和完善,得到更广泛的应用。

综上所述,太阳能集热器在系统中起到直接收集太阳能量、高效传热的作用,在太阳能辐照量不足时,热泵可间接提取太阳的能量,保证在雨雪天气或严寒天气的情况下提取所需热量,因此地板采暖可使系统低温运行成为可能,保证系统最低的热损失率。

热泵在不同工况下的运行费用与常规能源对比,可以100m2/天采暖为例。

6太阳能采暖的社会效益分析

首先对不同采暖热源的运行效益进行分析:若假设北京地区100m2的住宅,建筑能耗按20.6W/m2,太阳能当地纬度倾角平面冬季平均日辐照量按15.8MJ/(m2·d)计算,运行效益如表1和表2:

太阳能采暖效益对比表 

由表1和表2可看出,太阳能、热泵及地面辐射采暖联合供暖系统,比其他热源方式采暖,如常规能源日消耗等量煤的16.7%、天然气的27%、电加热的30%,并且运行费最低,而且二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害气体的排放量也相对减少。比较数据是依据煤发电,若采用煤、水、气、风、核,相比太阳能的综合发电、碳排放量肯定是最低的。

另外,由于其他热源的制热温度较高,比如地暖供热热源,就是矿物质燃料资源的加大浪费,因而我们当前的首要任务就是尽量减少矿物质燃料在采暖消耗上的比例。

随着未来技术的不断发展,太阳能利用的范围更加广泛,在大力推行可再生能源在采暖领域中的应用,探讨高品位能源的利用范围,提高低品位能源在社会中的应用,推广太阳能采暖可改善现有的能源结构。

太阳能“取之不尽,用之不竭”,想要环保、生态、低碳,并非必须到几百米乃至几千米的地下开采资源,应留下可贵的资源物尽其用,实现“高热高用、低热低用、温度对口”的科学用热思想。

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