太阳能配合其他新能源在四合院的综合利用.docx

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太阳能配合其他新能源在四合院的综合利用

太阳能配合其他新能源在四合院的综合利用

一、项目概况

随着我国经济的高速发展和人口的有计划增长，能源需求量日益增加，太阳能这种可再生清洁能源的开发有着重要的意义。

太阳能作为最有发展潜力的新能源，是一种取之不尽、用之不竭的自然能源，太阳能资源丰富，对环境无任何污染，是满足可持续发展需求的理想能源之一。

目前太阳能的广泛利用，可以说是一种永续利用、对环境影响极小的能源，不论是现在或是未来，开发利用太阳能资源，完全可以减少对化石能源的依赖以致达到替代部分化石燃料的目标，这对开发区经济发展、改善环境和满足人民生活用电要求，将会起到重要的作用，因此国家近些年来也相继出台相关的政策法律对。

我国拥有较为丰富的太阳能资源亟待开发，气候多晴天，日照时数长，是太阳能丰富的地区。

为了响应国家节能减排的号召，积极采用清洁能源，在地区拟修建新的节能型四合院。

四合院节能示范工程地处，地理位置约位于东经112°33〃，北纬37°54〃；夏季气温可高达30℃左右，冬季气温可低到－15℃左右；年平均太阳辐照度约为15.5MJ/㎡，具有较好的太阳能资源；并且夏季和冬季又分别有空调和采暖的需求。

四合院节能示范工程的占地面积500㎡，建筑面积为400㎡.

二、设计理念

本四合院拟充分利用建筑有效的太阳能采光面积，根据建筑实际使用功能和能量消耗具体情况，采用先进的太阳能光热技术和光伏技术，为用户提供采暖、空调、生活热水，部分生活用电等。

通过太阳能综合利用，最大限度减少建筑对常规能源的依赖，降低日常能耗和住户的日常费用的支出，同时减少使用常规能源所带来的环境污染等问题，可谓一举多得。

1.利用太阳能空调系统为房间解决夏天空调，冬天采暖。

在阴雨天气或太阳能辐照不能满足空调与采暖需要时，需要利用燃气锅炉提供辅助能量。

2.利用太阳能空气集热器作为辅助，冬季采暖和夏季室内空气调节。

3．屋顶安装并网或者独立发电的光伏系统为用户提供部分生活用电。

三．四合院总体结构

1、北房设计为斜屋顶，屋顶面积90m2，设计为屋顶光伏发电系统，安装太阳能光伏组件，装机容量为5kW，为用户提供部分生活用电；同时安装20m2太阳能空气集热器。

2、东房设计为平屋顶，屋顶面价不少于61m2；西房设计为平屋顶，屋顶面价不少于67m2，主要用来放置热管式太阳能集热器，其中西房的一个房间作为设备间，放置太阳能空调和光伏系统的其他设备。

3、南房北侧设计为平屋顶，面积不少于50m2，用来放置太真空管阳能集热器或者太阳能空气集热器；另外南墙外侧若无遮挡，可以立式安装太阳能空气集热器。

4、每个房间内的顶部安装风机盘管。

四.拟采用各项技术介绍

4.1太阳能采暖、空调技术

4.1.1太阳能空调与采暖系统原理

太阳能空调是利用太阳能集热器产生温度为90℃左右的热水，驱动溴化锂制冷机，然后由制冷机产生8℃左右的冷水，低温冷水通过风机盘管向房间提供冷风；太阳能采暖，利用太阳能集热器产生温度为50℃左右的热水，直接通过风机盘管向房间提供热风。

阴雨天气或太阳能辐照不能满足空调与采暖需要时，使用辅助燃气加热锅炉。

如图所示。

4.1.2设计要求和设计参数

1）设计要求

采用太阳能空调系统供冷、采暖，要求冬季室内温度不低于18℃，夏季温度不高于26℃，春秋过渡季节提供生活用热水。

2）主要设计参数

1）太阳能集热器：

采用热管式真空管；集热器采光面积：

100㎡；

2）供冷负荷100W/m2,供热负荷60W/m2

3）制冷、采暖功率：

≥40kW

4）热水供应能力：

非空调采暖季节，每天提供生活用热水不少于1吨。

5）空调、采暖面积：

400㎡

6）太阳集热器工作温度：

80-95℃

7）太阳集热器平均效率：

≥40%

8）太阳能保证率：

全年平均≥55%（仅仅指白天使用，每天运行6个小时的太阳能保证率）

9）供热供冷时间：

24小时

4.1.3技术方案

太阳能吸收式空调及供热系统的总体要求是夏季提供空调、冬季提供采暖和春秋过渡季节提供生活用热水。

根据上述技术要求，设计、选取了太阳集热元件、智能型直燃和热水双效吸收式溴化锂制冷机组、储热水箱、生活热水换热器、循环水泵、冷却塔、风机盘管和自动控制方案。

本系统主要由热管式真空管集热器（或直流式真空管集热器）阵列、智能型直燃和热水双效吸收式溴化锂制冷机组、储热水箱、生活热水换热器、循环水泵、冷却塔、风机盘管和自动控制系统等几大部分组成；每个循环泵组均采取双泵配置，一备一用，以确保系统可靠运行。

本太阳能采暖空调管系原理见下图：

系统可以分为集热蓄热循环系统、采暖循环系统、制冷空调系统、控制系统。

以下系统的分别介绍。

1）集热蓄热循环系统

集热蓄热系统由太阳集热器，储热水箱，洗浴换热器、辅助加热设备以及循环泵组组成。

太阳集热器采用由北京市太阳能研究所集团有限公司研制的热管式真空管作为集热元件，具有热效率高、耐冰冻、启动快、保温好、承压高、耐热冲击、运行可靠、维修方便等诸多优点，是组成高性能太阳能综合热利用系统的重要部件。

（1）太阳能集热器的性能参数：

热管真空管性能参数

型号

SEIDO1

热管

铜水重力热管

尺寸

φ100×2000（㎜）

吸热翅片

铝板

重量

4.6KG

涂层

AL-N-AL磁控溅射

玻璃管

高硼硅玻璃3.3

抗冰雹能力

φ35（15m高自由落下）

集热器性能参数

型号

C1-SD1×16

集热器最高工作温度

240℃

热管数量

16

最低工作环境温度

-45℃

外形尺寸

1065×2127×175（㎜）

额定工作压力

0.6MPa

总面积

4.31㎡

测试压力

1.0MPa

每组重量

100KG（含水）

联集箱

铝型材外壳，整体发泡

存液量

0.76L

安装倾角

15-90°

工作温度

70～120℃

安装配件

铝型材支架、底座

（2）工作原理：

太阳光透过采用硼硅材料透射率大于0.95的玻璃管，照射在变面为磁控溅射AL-N-AL选择性吸收涂层，吸收比大于0.92，发射率小于0.05的吸热板上，高吸收率的太阳选择性吸收膜将太阳辐射能转化为热能。

吸热板吸收的热量迅速将热管内少量工质汽化，为保证汽化的工质迅速上升到冷凝端，真空管工作时与地面的倾角应大于10度，被汽化的工质上升到热管冷凝端向被加热的工质（水或空气）放出汽化潜热后，冷凝成液体，在重力作用下流回热管蒸发端。

每支热管真空管的冷凝端通过导热块导热，真空管的冷凝端与导热块是钢性连接。

导热块固定在集管上。

被加热的工质（水）经过集管时，将热量带走。

热管真空管就是利用热管内少量工质的汽—液相变循环过程，连续地将吸收的太阳辐射能传递到冷凝端加热工质。

热管式真空管的外形尺寸为ф100×2000mm，它主要由热管、吸热体、玻璃管、金属端盖和消气剂等部件组成，如下图所示。

（3）热管式真空管的十大优点：

Ⅰ、热管传热，根本上避免了平板集热器及全玻璃真空管因结水垢而引起水道堵塞不能运行的问题。

Ⅱ、特殊防冻技术，即使在—50℃的严寒条件下，仍能正常工作而无冻坏之忧。

Ⅲ、热管真空管热容小、启动快，在阳光下两分钟即可启动输出热量。

Ⅳ、在天气阴晴多变的情况下，比其他热水器产生更多的热水。

Ⅵ、高性能选择性涂层及真空保温技术，保证在多云天气及相对湿度大的地方仍有较高的热效率。

Ⅶ、冬天热性能尤为突出。

Ⅷ、集热板封装于真空玻璃管内，即使在潮湿地区，也不受腐蚀，使用寿命长。

Ⅸ、因连接成的大面积集热系统可承受泵循环的压力而在公用热水系统推广中独具优势。

Ⅹ、易于固定、风阻小、可抗台风。

Ⅺ、无论用于大容水量的家用太阳能热水器，还是大面积热水系统工程，安装简单、运行可靠。

（4）热管真空管集热器的工作原理：

热管式真空管集热器由真空管、集管和保温盒等部件组成，如下图所示。

热管式真空管内不走水，加热系统与循环系统独立分隔，整个系统全部为金属连接，运行稳定可靠。

热管真空管集热器是由8支或者16支热管真空管组成，每支热管真空管的如热管真空管的工作原理所述。

真空管的冷凝端与导热块是钢性连接。

被加热工质不流经真空管，因此真空管的安装十分简单，而且管子不与介质发生干扰，即便真空管发生损坏，太阳能集热器的工作并不因此而中断，在保温盒内填充了保温材料，有效地减少了运行过程中的热量损失。

（5）热管真空管集热器的性能特点及应用：

热管真空管太阳能热水系统是目前国内外最先进的太阳能产品，是今后国内

外趋于流行的太阳能产品。

它具有全年使用，热性能好，热效率高，工作温度高，承压能力强，热吸收率高，热容小，启动快，防寒、防冻、防冰雹，管内不走水、不结垢，安装维修方便，安全可靠，使用寿命长等诸多优点。

由热管真空管集热器组成的太阳能热水系统目前在国内外已逐渐形成市场，近几年我公司在全国各地总共安装了几十万平米的热管真空管太阳能热水系统工程，而且所安装的太阳能系统全部达到了预期设计要求和用户的使用要求。

但是，热管真空管太阳能集热器由于技术含量高、制造工艺复杂、原材料成本高，目前情况下其成本价格较昂贵，对用户投资太阳能来说，一次性投入的资金较多，造价较高；但安装热管真空管太阳能热水系统是目前最流行的、最先进的、一步到位、一劳永逸的太阳能系统，其寿命可达15年以上。

国内外大量的工程实例证明，热管式真空管最适合应用于有大水量、高温热水或其他介质需求的工程用户。

本系统的太阳集热器阵列由500余支热管式真空管或直流式真空管组成，总采光面积100m2，布置为几个阵列并联安装在屋顶平台上；每个子阵列又由集热器串联而成；既减小了系统的流动阻力，又方便了集热器的日常维护。

集热器安装支架与屋顶同时设计施工，确保了与建筑结构一体化以及牢固性和防水性。

为了保证系统运行的稳定性，减小负荷因为太阳辐照变化而产生变化的影响，设置了的储热水箱。

当有太阳辐照时，启动循环泵组，用太阳能集热器对储热水箱的水进行循环加热；当循环泵组停止运行时，太阳集热器内的水自动流回储热水箱，从而可以避免管路冬季冻坏的危险。

当太阳辐照不足或储热水箱的水温低于设定值时，启动辅助燃气系统对储热水箱的水进行加热。

储热水箱储蓄的热水作为采暖、空调的热源。

储热水箱还设有水——水换热器组，通过换热可提供生活热水。

2）采暖循环系统

采暖循环系统由储热水箱，循环泵组，风机盘管组以及相关阀门组成。

供热季节启动循环泵组，抽取储热水箱内的热水，泵往风机盘管组，供各个房间采暖后返回储热水箱；完成采暖循环。

3）制冷空调循环系统

制冷、及空调循环系统由储热水箱，智能型直燃和热水双效吸收式溴化锂制冷机组，冷却塔，循环泵组，风机盘管组以及相关阀门组成。

供冷季节联通制冷空调循环系统，启动循环泵，抽取储热水箱内的热水进入溴化锂吸收式制冷机作为其工作运行的热源，再被泵回储热水箱，完成向制冷机供热的循环；

启动循环泵组完成溴化锂吸收式制冷机与冷却塔之间的散热循环；

启动循环泵组，抽取盘管内的水进入溴化锂吸收式制冷机进行制冷，再被泵回盘管，完成制冷蓄冷的循环；

启动循环泵组泵往风机盘管组，供各个房间空调后返回制冷机；完成空调循环。

4）控制系统

采用了PLC远程自动控制和手动控制两套控制系统。

平时以自动控制为主，用计算机自动采集各循环系统的温度、流量等数据，按输入的控制程序对相关的泵组、设备自动进行起停控制，以及对各系统运行按需要进行自动切换；并将运行的详细情况在大型显示屏上进行实时动态显示——哪些系统在运行，运行参数为多少，等等；一目了然，极大地方便了对系统运行的管理。

手动控制是自动控制的必要补充，以确保系统运行的可靠、安全以及可控。

5）系统造价为80万

4.2空气集热器技术

1）设计要求：

空气集热系统用于主动式的太阳能冬季采暖和夏季室内空气调节，以强化被动式太阳房的采暖和室内空气调节的作用。

2）太阳能空气集热采暖部分原理及设计方案：

太阳能空气集热器是一种利用空气为热媒的太阳能加热装置可广泛地应用了太阳能采暖、通风、除湿等领域。

太阳能空气集热器结构简单，安装方便，制作及维修成本低，无腐蚀防冻等问题，在与建筑结合方面具有一定的优势。

空气集热器安装在南立面或屋顶上，在夏季能减少集热器吸收太阳辐射，避免过热问题题，同时遮挡部分墙面，降低建筑物吸收的太阳辐射：

在冬季对建筑有一定的保温采暖作用，在风机运行的情况下，墙面损失的热量被空气集热器再次吸收，经循环重新回到室内，为房间供暖。

冬季采暖模式夏季通风除湿模式

主动式太阳能采暖和空气调节系统原理图

空气集热器拟安装在外墙南立面和坡屋顶的，风道、电动阀门、风机等其他设备根据实际情况安装。

坡屋顶和南立面安装

3）拟采用空气集热器标准模块规格与性能介绍：

规格型号：

SPPFLP-2.0-80

外形尺寸：

2000*1000*80

采光面积：

1.86平米

吸热体：

0.42铝板

表面磁控溅射选择性涂层：

吸收率0.93，热发射率0.1

风道材料：

镀锌板，厚度0.5mm。

边框：

铝合金边框

盖板：

钢化玻璃，厚度3.3mm

背部和侧部保温层：

岩棉，厚度30mm

出风口：

直径120mm，背部或侧部

风机：

12伏，20瓦（多个模块串并联组合使用时，依具体情况另行核算风道及风机参数）

电动风阀及控制系统。

主要性能指标：

出风口风速：

2-3m/s时，

热效率：

大于等于57%

热损系数U：

小于8W/m2

空气集热器模块结构及产品照片：

4）系统造价

该系统造价约为：

1000—1200元/m2

4.3光伏技术

4.3.1太阳能光伏屋顶发电系统

1）设计要求

根据实际情况四合院南向屋顶安装离网或者并网太阳能光伏发电系统，拟安装5KW左右，需要屋顶面积40～50平米。

2）太阳能光伏屋顶发电系统主要组成（以离网系统为例）

（1）太阳能电池板：

（2）光伏电站智能控制器

（3）离网式逆变器

（4）密封免维护阀控式铅酸蓄电池

（5）MC4型太阳能三通连接器

（6）组件支架

3）系统原理

太阳能发电系统独立供电并带市电自动切换系统

系统将白天太阳电池产生的电能通过控制器将能量储存于蓄电池中，夜晚蓄电池的电能通过控制器和逆变器将电能输送给用电设备（如直流节能灯、电视机、冰箱、电扇等）；为了保证供电时间，在逆变器输出端增加一个交流旁路开关，当蓄电池电能不能满足用电量时，可自动切换至电网供电，当电池板将蓄电池的电量充足时，系统将再次自动切换成太阳能供电，原理见下图：

其主要部件为：

a.太阳能电池阵列：

用于吸收太阳能量，将光能转化为直流电。

阵列是将电池板通过串联的方式达到系统设计所要求的电压。

b．阵列汇线装置：

将串联后的多组太阳能电池组并联汇流。

c、控制器：

控制蓄电池的充电和放电，有蓄电池的电池阵列进行有效的保护。

在不同类型的光伏发电系统中控制器各不相同，其功能的多少及复杂程度差别很大，需根据发电系统的要求确定。

一般系统采用PWM和开关串联充电方式，要求有防过充、过放、过载、短路保护、防反接等电子保护等功能。

d、逆变器：

其功能是将直流转换成交流电供负载使用。

逆变器的交流输出电源为标准正弦波，具有可靠性高，波形失真小，保护功能全等特点。

逆变器输出端的交流旁路，可实现光伏系统供电和电网供电的自动切换。

e、蓄电池：

用于贮存电池阵列产生的电能，在负载需要供电时，向负载提供电能。

根据业主要求，选择密封型铅酸蓄电池。

4）系统造价为4.5万

四、整个四合院总造价

序号

系统名称

造价

备注

1

太阳能采暖、空调系统

80万

制冷功率50KW

2

空气集热器

4.5万

安装40平米

3

屋顶光伏系统

4.5万

装机容量5kW

总计

89万

五、经济效益和环境效益分析

5.1经济效益

1）光热系统经济效益分析

根据测试记录数据，太阳能空调和采暖系统年获得有用热量为（kWh），相当于5度电（90%转换效率），吨液化石油气（85%转换效率），吨标煤。

2）光伏经济效益

太阳能光伏发电系统年发电量（kWh），相当于节约度电，吨液化石油气，吨标煤。

5.2社会效益

若此四合院节能示范工程建成，将为把太原建设成为环境保护模范城市和节能型城市，实现太原的可持续发展做出贡献；将大大提高我国太阳能领域的技术创新及转化能力；将为首都高新技术产业形成新的增长点，并对太原环境和能源建设发挥积极的推动作用；将为带动全国太阳能事业的发展，对我国特别是太原的经济、社会和环境的协调及持续发展起到良好的示范作用。