农村户用光伏带动地源热泵空调系统简析.docx

1、农村户用光伏带动地源热泵空调系统简析农村户用光伏带动地源热泵空调系统简析目前在边远地区和经济不发达地区的农村，居民采暖问题迫切需要改善。解决农村的采暖问题应是新农村建设中能源问题的重要方向。在目前节能减排不允许建设燃煤锅炉的大背景下，地源热泵技术因其绿色环保、节能清洁、控制设备简单等优点是一个很好的解决方案，再利用太阳能光伏发电带动地源热泵工作，可以实现一次性安装，“零”运行费用的解决方案。一、技术简析可以考虑采用太阳能光伏带动土壤源热泵系统、太阳能光伏带动空气源热泵系统两个技术方案。太阳能光伏发电系统目前已经是成熟的发电技术，通过安装太阳能光伏板，配套逆变器即可在晴天产生220V/380V电

2、流，再配套蓄能装置可以实现夜间和阴雨天气的供电。地源热泵和空气源热泵目前也是成熟稳定的技术，所以从技术角度分析是可行的。 屋顶光伏照片户用地源热泵示意图户用地源热泵照片二、投资和占地面积简析以100m2农户为例，终端冷负荷100w/ m2，热负荷80 w/ m2。1)太阳能光伏带动土壤源热泵系统地源热泵的COP值大约为4，需要一台功率2.5kW土壤源热泵。太阳能光伏系统单千瓦造价大约10000-11000元（咨询保定英利，含组件、支架、电缆、逆变器等），1kW发电需要4块250w光伏板（单晶硅），每块光伏板的尺寸为1650mm*990mm。2.5kW总造价约2.5万元，光伏板面积大约16.3

3、m2。地源热泵系统单平米投资大约250-300元，100 m2大约需要2.5万元。需要打2口120米深地热竖井，占地面积大约12 m2。具体计算如下：1）计算地埋管换热器的最大换热量地埋管换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤中吸收的热量。根据如下公式计算土壤性换热器的换热量Q1= Q1 （1+1/COP1） Q2= Q2 （1-1/COP2）其中：Q1：夏季向土壤排放的热量，kWQ1 ：夏季设计总冷负荷，kWQ2：冬季向土壤吸取的热量，kW Q2 ：冬季设计总热负荷，kWCOP1：设计工况下地源热泵机组的制冷系数COP2：设计工况下地源热泵机组的供热系数本方案总冷负荷为10kW，总热

4、负荷为8kW；地源热泵机组的制冷系数COP1取5.5，供热系数COP2为4.2。Q1= Q1 （1+1/COP1）=10(1+1/5.5)= 11.8kWQ2= Q2 （1-1/COP2）=8(1-1/4.2)= 6.1kW即系统夏季最大总排热量为11.8kW，冬季最大总吸热量为6.1kW。2）竖井埋管管长单位管长换热量与地质结构成分有密切关系，而且各地质层传热性能各有差异，在建立模型计算方面比较困难，而且也存在一定的误差，根据东营地区的工程经验来计算单位管长的换热量，即单位孔深排热量按55W/m，单位孔深吸热量按35W/m。（单位换热量可根据该项目岩土热响应测试后的实际情况调整）。 按排热量

5、计算地埋管的长度，计算公式如下：L1= Q11000/W1L1：竖井总深度，mQ1：换热器总排热量，kWW1：单位孔深排热量，w/m 因此：竖井总深度：L1=Q11000/W1=11.81000/55=214m按吸热量计算地埋管的长度，计算公式如下：L2=Q11000/W2L2：竖井总深度，mQ2：换热器总吸热量，kWW2：单位孔深吸热量，w/m 因此：竖井总深度：L2=Q21000/W2=81000/35=110m采用按排热量计算结果作为埋管长度，多余部分热量用于制取热水，则竖井总深度L=214m。3）竖井数量常规竖井深度为120m左右。(如果地下有岩层或其他硬物，则需另外考虑)。计算竖井数

6、目：N=L/H其中：L：竖井总深度，m N：竖井口数，个 H：单口竖井深度，m 本项目竖井深度H=120米，因此N=L/H=214/120=1.8，取整数为2口，则本项目室外地埋管总设计竖井数为2口。4）竖井间距埋管孔径约为120mm-150mm，下管深度120m，立管采用DE25的HDPE高密度聚乙烯管单U管。根据工程经验，设计井间距为4m，既能满足换热的需求，又能节省埋管空间。地埋管采用垂直埋管，地埋管深度为120m，埋管井间距按4m计算，地埋管系统一般埋深1.52m以下，不影响地面的使用。竖井总占地面积S=34=122) 太阳能光伏带动空气源热泵系统空气源热泵的COP值大约为3，需要一台

7、功率3.3kW空气源热泵。太阳能光伏系统千瓦造价大约10000-11000元（咨询保定英利，含组件、支架、电缆、逆变器等），1kW发电需要4块250w光伏板（单晶硅），每块光伏板的尺寸为1650mm*990mm。3.3kW总造价约3.3-3.6万元，光伏板面积大约21.6 m2。空气源热泵系统单平米投资大约180-220元，100 m2大约需要1.8-2.2万元，占地面积大约2 m2。综上所述，采用太阳能光伏带动地源热泵系统，每户大约需要投资5万元，光伏板占地面积约16m2，地埋管占地面积约12m2，地源热泵机组占地面积约0.5 m2。采用太阳能光伏带动空气源热泵系统，每户大约投资5.4万，光

8、伏板占地面积大约21.6 m2，空气源热泵机组占地面积约0.5 m2。三、运行简析1) 太阳能光伏带动地源热泵系统夏季：太阳能光伏发电一方面维持地源热泵机组运行，另一方面利用地源热泵不运行时间，对蓄电池进行充电，夜间通过蓄电池维持地源热泵运行，剩余发电量用于自用或者上网。另外还可以利用地源热泵回注侧热水，通过换热器制取热水供洗浴等生活用热水。冬季：太阳能光伏发电一方面维持地源热泵机组运行，另一方面利用地源热泵不运行时间，对蓄电池进行充电，夜间通过蓄电池维持地源热泵运行，剩余发电量用于自用或者上网。另外还可以增加换热器制取热水供洗浴等生活用热水。春秋过渡季节：此时房间没有空调要求，可用太阳能光伏

9、所发的电用于自用或者上网，也可以利用地源热泵制取生活用热水。2) 太阳能光伏带动空气源热泵系统夏季：太阳能光伏发电一方面维持空气源热泵机组运行，另一方面利用地源热泵不运行时间，对蓄电池进行充电，夜间通过蓄电池维持空气源热泵运行，剩余发电量用于自用或者上网。可利用空气源热泵的排热用于制取生活用热水。冬季：太阳能光伏发电一方面维持空气源热泵机组运行，另一方面利用地源热泵不运行时间，对蓄电池进行充电，夜间通过蓄电池维持空气源热泵运行，剩余发电量用于自用或者上网。因空气源热泵制热功率比制冷功率要大，可将多出的这部分制热功率用于制取热水。春秋过渡季节：此时房间没有空调要求，可用太阳能光伏所发的电用于自用

10、或者上网，还可以利用空气源热泵制取生活用热水。四、市场优劣势简析1、优势1）“零”能耗，概念领先；2）节能环保，社会效益和运行经济效益显著；3）冷、暖、热水联供效果均比较好（传统空调冬季制热效果差）。2、劣势1）初始投资高，5万元左右，传统空调投资大约1.5万左右；2）系统相对复杂，稳定性方面较传统空调稍差；3）系统相对复杂，运行控制、检修维护方面较传统空调稍差。五、初步结论该方案在技术上是可行的，如投入市场应用，需进行专项技术深入研发，在系统的匹配性、稳定性、控制方便性、整体结构紧凑性、安装方便性等方面进行研发设计。由于初始投资较高，一般农户家庭很难接受此价位空调系统，在单个农户市场推广上有

11、很大的难度。六、类似技术1、格力空调研发的“格力光伏变频离心机系统”此技术是将太阳能与永磁同步变频离心机结合起来，可直接在不加任何DC/DC稳压环节的情况下使用太阳能供电，与太阳能直流系统对接，还可将余电发给市网，并通过发用电一体化群控管理系统对系统进行智能化管理和调度。单平米的价格在800-900元。2、直膨式热泵辅助太阳能热水新系统流程是将太阳能集热器与热泵蒸发器合二为一，太阳能集热器同时作为热泵的蒸发器，制冷剂直接在太阳能集热器中蒸发，可以大大提高热泵制取热水的效率，在制冷量提升方面没有优势，适用于单一供热型市场，由于含太阳能制热，投资成本也很高。3、太阳能吸收式制冷技术与地源热泵联合运

12、行 太阳能与地源热泵联合运行系统多设计成夏季采用地源热泵系统制冷，冬季采用太阳能热泵与地源热泵联合供热。但建筑物夏季所需冷负荷要大于冬季所需热负荷，而热泵机组又往往都是制热量大于制冷量(通常热泵机组的制热量是制冷量的 1.11.3倍)。因此在机组选择时，如果按夏季冷负荷标准选择机组，会导致机组的制热能力大大超出建筑物的热负荷需求。而若按照冬季热负荷标准选择，则会出现夏季制冷量不够。 地源热泵机组可按照冬季热负荷进行选择，夏季冷负荷不足部分以太阳能吸收式制冷作补充。这样不仅可以降低地热换热器的初投资，而且还可以使地热换热器间歇运行，土壤温度场得到及时恢复。 近年来太阳能吸收式制冷技术已经逐渐成熟

13、。在太阳能集热器方面，平板型集热器、真空管型集热器都已在市场上推广应用。在制冷机方面，适合于太阳能利用的吸收式制冷机也有了很大的发展，低温热水型两级吸收式溴化锂制冷机的热源温度只需60以上。同时，如以温度为80以上的热源驱动单效吸收式制冷机，其系统的COP值可达到0.7；而若温度低于80，可用其驱动双效吸收式制冷机，则系统的COP值约为0.35。所以可以冬季采用太阳能热泵与地源热泵联合供热，夏季采用太阳能吸收式制冷与地源热泵联合运行制冷。 此项技术由于采用光热、溴化锂制冷等吸收式热泵，所以单千瓦投资更高。 七、建议以上类似技术和太阳能带动地源热泵系统，均存在初步投资高的硬伤，很难打开农村户用市

14、场。太阳能带动地源热泵系统造价高的主要原因是光伏发电部分造价高，受光伏价格拉升导致整个系统价格偏高，光伏发电的投资回收期在10年左右，所以搞联合运行，在经济上不理想。建议此类项目可以打造出“零”能耗、节能环保等概念，在别墅类高端项目进行市场开发；另外也可以将此类项目在新农村建设或者集中式供热小区进行推广，由于用户多而且集中，可以分摊部分系统成本，降低其单千瓦造价，大约可以降到400元/m2。另外针对农户市场，可以考虑研发小型地源热泵机组，对地源热泵优化设计，另外借鉴水冷空调和农村做饭炉子顺便烧土暖气的思路，进一步提升农户本身能源利用效率，降低地源热泵自身负荷，从而降低地源热泵投资和运行成本，凭借地源热泵冷、热供应稳定、效果好、投资运行费用低来打开农户市场。 工程设计院 2014-7-2