太阳能与地源热泵联合系统设计.docx

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太阳能与地源热泵联合系统设计

第1章绪论

1.1我国的太阳能资源

1.1.1能源形势

建筑能耗已于工业能耗、交通能耗并列，成为我国能源消耗的三大“能耗大户”。

尤其是建筑能耗伴随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升，成急剧上扬趋势。

随着城市发展，建筑将超越工业、交通等其他行业而最终居于社会能源消耗的首位。

目前，建筑能耗约占全国能源消耗的首位30%，其中北方城镇城镇采暖能耗成为建筑能源消耗的最大组成部分，占全国城镇建筑总能耗36%

我国2/3以上的国土面积属于严寒和寒冷地区，建筑供暖是保证生存的的需要。

随着生活水平和居住环境的改善，长江流域等夏热冬冷的地区也呈现出冬季供暖的需要。

我国人口众多，能源结构以煤炭为主，建筑用能带来城市冬季严重的环境污染和温室气体的排放。

因此加强清洁能源技术的开发，推广太阳能供热采暖技术对实现城市建设的可持续发展有着非常重要的意义。

因此，太阳能供热采暖是继太阳能热水之后，需要在建筑物中推广应用的又一项太阳能热利用和技术。

1.1.2太阳能的热利用

太阳能既是一次能源，又是可再生能源。

太阳辐射能作为一种能源形式，在能源开发利用中具有其独特的优势，主要表现在：

（1）储量极其丰富。

一年到达地面的太阳能相当于5.61×1021kJ的热量，相当于130万亿吨的标准煤，约为全世界2000年所消耗的各种能源总和的6500倍。

而且太阳能可源源不断地供给地球，可谓取之不尽，用之不竭。

（2）普遍性。

与其它能源分布的不均匀性不同，太阳能分布对地域的差别相对较小，处处可以就地利用，有利于缓解能源供需矛盾，缓解运输压力，能解决偏远地区的能源输送不便问题。

（3）无污染性。

没有“三废”污染问题，无噪声，不产生有害物质。

（4）经济性。

主要表现在两方面：

一是在一些地区尤其是那些偏僻、缺乏建立电站条件的地区，太阳能具有无比的优越性；二是在目前的技术发展水平下，太阳能热利用已具备一定的经济性，如太阳能热水器等。

但太阳能存在着两个主要缺陷限制了人类对它的开发和利用：

一是能量密度低；二是其强度受各种因素影响（如昼夜、季节、地点、气候等）不能维持常量。

因此克服以上缺陷也是太阳能利用技术必须重点解决的课题。

1.1.3国内对太阳能资源利用

我国有丰富的太阳能资源，全国三分之二国土面积的年日照小时数在2200小时以上，年太阳辐照量超过5000兆焦每平方米。

我国太阳能资源最为丰富的地区，都是气候寒冷、常规能源比较缺乏的偏远地区，如西藏、新疆、内蒙古等，既具有实际采暖的需要，又有充足的资源条件，是应用太阳能供热采暖条件最为优越的地区。

开发利用太阳能，对于我国节约常规能源、保护自然环境促进经济发展、改善人民生活，都具有十分重要的意义。

表1-1我国太阳能资源的划分

年日照时数

（h）

年辐射总量

（MJ/m²）

主要地区

一类地区

（丰富地区）

3200-3300

6700-8370

青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地

二类地区

（较丰富区）

3000-3200

5860-6700

河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地

三类地区

（中等地区）

2200-3000

5020-2860

山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、山西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地

四类地区

（较差地区）

1400-2200

4190-5020

长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区

五类地区

（最差地区）

1000-1400

3350-4190

四川、贵州

自《中华人民共和国可再生能源法》颁布实施以来，包括太阳能在内的可再生能源开发利用进入新的历史发展时期，取得举世瞩目的的巨大成绩。

《中华人民共和国可再生能源法》中明确规定：

“国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统”。

这位我国太阳能利用事业进一步指明了方向，即在继续推广利用太阳能热水系统的同时，还应加强太阳能供暖系统的开发应用。

二十多年来，我国太阳能热水器事业飞速发展。

目前，我国太阳能热水器的生产年产量和总保有量都居世界首位，成为太阳能热水器的生产和应用大国，为我国节能环保做出积极贡献。

1.2太阳能在建筑节能中的应用

1.2.1建筑节能的重要意义

建筑是耗能的大户，在能源形势日趋严峻的今天，建筑发展的速度和数量却加快了脚步。

目前我国城市化水平已达37％，而且本世纪中叶将达到65％。

随着我国城市化步伐的不断加快，每年城镇新增竣工住宅面积达4－5亿平方米，农村则达7－8亿平方米。

城市化进程的加快，新建筑的不断增加，更加大了对能源的需求，而目前我国的很多大城市已经出现了能源供应紧张、限电、断电等

问题。

建筑能耗在全部总能耗中所占的比例，我国已达到30％，全国每年建筑

能耗约1.3-1.8亿吨标准煤，其中50－60％是用于空调和采暖[1]。

随着人们生活

水平的提高，热舒适度要求不断提高，建筑能耗仍将快速增长。

由此，解决建筑

的能耗问题成为一项重大课题。

1.2.2太阳能在建筑节能中的应用

（1）太阳能利用是开发利用可再生能源的重要领域。

依据能量转化的形式，太阳能可以分别转化为热能、电能和化学能等，及太阳能转化方式有光热转化、光电转化和光化学转化等几种。

依据太阳能这些转化原理加以利用的，分别成为“太阳能热利用”、“太阳能光电利用”、“太阳能光化学利用”等。

太阳能在建筑节能中的应用除了太阳能供热采暖系统之外，还包括：

太阳能制冷空调系统、太阳能干燥系统、被动式太阳能房、太阳能热发电系统等

（2）太阳能供暖可以分为被动式和主动式两大类。

太阳能被动式供暖习惯称为被动式太阳能房，简单说就是利用房间窗口或附在南墙上的空气集热器，通过直接接收太阳能辐射使室内温度升高的采暖方式。

具体来说就是通过建筑物朝向和周围环境的合理布置，内部空间和外部体形的处理，以及建筑材料和结构、构造的恰当选择，使其在冬季能采集、保持、储存和分配太阳能，从而解决建筑物采暖问题；同时在夏季又能遮蔽太阳能辐射，散逸室内热量，从而是建筑物降温达到冬暖夏凉的目的。

太阳能主动式供暖系统是以太阳能集热器、管道、散热器、风机或泵以及储热装置等组成的强制循环太阳能供暖系统，它通过太阳能集热器收集热量，又通过循环泵和管道把载热介质输送到储热装置或房间的散热器，从而实现对房间的供热。

1.2.3本文研究的内容

本文针对济南市某办公建筑楼的夏季供冷和冬季采暖系统设计，选用了太阳能集热系统与地源热泵系统的综合利用。

确立本设计冬天采暖季采用太阳能集热器系统采暖为主，不足时启动地源热泵作为辅助热源，而在夏天时启动地源热泵系统承担所需冷负荷。

本次设计的主要内容：

太阳能与地源热泵联合系统设计；建筑物负荷计算；水系统水力计算；太阳能集热系统设计计算；应用DeST与TRNSYS软件进行冬季太阳能采暖系统动态模拟分析等。

第2章太阳能采暖系统与热泵系统的结合

2.1太阳能热水采暖系统

太阳能热利用技术被认为是二十一世纪最有前途的应用技术之一，尤其太阳能热水器在国内外研究相对成熟，已开始进入实用阶段。

我国近20年来在太阳能供热水、太阳能采暖方面发展迅速，特别在推行“节约常规能源”和“建筑节能”政策后，更引起人们对太阳能热利用技术的关注。

太阳能热水系统技术是目前主动式太阳能利用中应用最广泛的、产业化发展最迅速的领域。

它可以为用户提供热水，由采热器、传热工质、贮热水箱和连接管路等组成。

水源热泵机组的定义是：

一种采用循环流动于共用管路的水，水井、湖泊或河流中抽取的水，或在地下盘管中循环流动的水为冷（热）源，制取冷（热）风或冷（热）水的设备；包括一个使用侧换热设备、压缩机、热源侧换设备，具有单制冷和制热功能。

根据水的来源的不同，可将水源热泵分为：

地热水源热泵、地下水源热泵、地表水源热泵、河川水源热泵、海水源热泵等。

事实上，无论是何种水源热泵，主要区别是水温和水质的不同。

2.1.1太阳能热水器

在太阳辐照下，集热器吸收太阳能并转换成热能传递给集热器内的传热工质，传热工质受热后通过自然循环方式将贮水箱中的水加热，或者通过强迫循环（如泵循环）方式将集热器中的热能传递给贮水箱中的水。

辅助热源在集热器不足以提供热量的情况下，向用户供热。

图2-1太阳能热水采暖系统的工作原理图

2.1.2太阳能热水采暖系统的基本组成

太阳能集热器---收集太阳光热转变成热水；主要包括平板型太阳能集热器，真空管太阳能集热器和空气太阳能集热器。

保温贮水箱---与集热器、辅助能源和用户热水管网相连接，将热水保温贮存并由用户循环水泵向热水管网提供热水；

辅助能源---当从太阳能集热器获得的热水温度不能满是需求时，利用辅助能源对从太阳能集热器获得的热水进一步加热，以满足需求；辅助能源可以是气源热泵、燃气锅炉、燃油锅炉、电锅炉等；

智能控制---这里的控制有三层含意：

一是根据热水设定的温度和需要量，自动控制太阳能集热器与水箱中的水处于循环状态，由于不断吸收太阳光热能，使水温逐渐升高；二是自动调整用户供水管网压力，实现向用户系统提供恒压供水；三是当热水温度不能满是要求时，自动启动辅助能源将热水进一步加热。

2.1.3太阳能热水采暖系统的发展现状

我国的太阳能利用技术研究开始于1970年，重点在于简单、价廉的低温热利用的适用技术，如被动式太阳房、太阳能热水器、太阳灶和太阳干燥器等。

目前，看到和使用最多的是太阳能热水器和农村的被动式太阳房，较少在建筑中应用太阳能光电技术。

据资料介绍，我国在1983－1995年之间引进了七条太阳能电池生产线，目前还主要用于通讯系统、无电岛屿等偏僻无电的地区，其他方面

应用的还较少。

2007年我国太阳能能热水器年产量为2340万平方米，累计保有量达到10800万平方米。

目前，我国已成为全世界太阳能热水器的生产及应用大国，年产量和累计保有量都居世界第一，尤其是全玻璃真空管家用太阳能热水器已成为我国具有特色的太阳能利用产品。

我国有关太阳能热水器技术的国家标准体系也已基本形成。

我国政府把太阳能发电列入《中国21世纪议程》，国家科技部已经制定《清洁能源规划》。

2005年2月28日，我国通过了《可再生能源法》，这项法律的出台将极大的推动我国可再生能源特别是太阳能光伏发电的发展，扩大可再生能源的应用规模，步入良性循环，对我国的能源发展有着重要意义。

欧洲、北美对太阳能供热（热水、采暖）系统的工程应用已有几十年历史，过去主要用于单体建筑内的小型系统，近十余年来，包括区域供热在内的大型太阳能供热采暖综合系统的工程应用有较快发展。

德国是应用太阳能供热技术较早的国家，太阳能采暖技术已经在德国居住区供热设置改造和配套建设中得到广泛推广和应用；欧洲大多数国家都积极鼓励支持利用太阳能，对安装太阳能装置的家庭实行补贴政策，一般补贴为系统造价的20-50％；以色列80％住宅装有太阳能热水器，政府以立法形式规定高度27米以下新建住宅必须安装太阳能热水器。

丹麦太阳能供热采暖工程是世界上最大的太阳能供热采暖系统，太阳能集热器设置在大面积空地上，集热器而积1.83万㎡，与社区热力网连接，1996年建成运行，年热负荷28GW/h，同时使用2100㎡水箱、4000㎡水容量砂砾层及10000m地下水池蓄热。

2.2地源热泵系统

地源热泵机组的定义是：

地源热泵系统是以地下水为或土壤、地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统和控制系统组成的空调供热系统，根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统及地表水地源热泵系统三种。

地源热泵系统通常称为地热热泵系统、地能系统、地源系统等。

其中地埋管地源热泵系统也称为地耦合地源热泵系统或土壤源地源热泵系统。