魏斯勝

（山東華宇工學院，山東德州 253034）

0 引言

發(fā)展清潔能源將成為我國應對污染問題的主要抓手將得到大力發(fā)展?；凇昂涞貐^(qū)集成裝配式的被動式超低能耗建筑的探索及其本土化研究——以山東為例（項目編號：2020-R2-3）”研究項目對太陽能與地熱在地暖和水冷系統(tǒng)中的聯(lián)合節(jié)能系統(tǒng)的組成、運行原理、能源互補利用進行分析和探討。

1 研究的必要性

研究雙能源制冷制熱節(jié)能系統(tǒng)的目的是克服現(xiàn)有太陽能應用中受天氣影響大、地源熱能很難得到修復的不足，提供一種組成結(jié)構(gòu)簡單、能源互補性強、能量利用效率高、能量獲取及末端應用可方便切換的節(jié)能系統(tǒng)方案。

2 被動式超低能耗建筑

“被動式超低能耗建筑”也叫“被動式超低能耗綠色建筑”，在德國又叫“被動房”。經(jīng)過歐洲國家不斷研究與實踐，已經(jīng)發(fā)展出比較成熟的設(shè)計、建造和評價體系。我國對節(jié)能建筑歷來非常重視，結(jié)合國情，吸取歐洲“被動房”建筑的經(jīng)驗，近年來也在研究和實踐中取得了不少積極的成果。但需要考慮我國不同地區(qū)的氣候特征，以及我國與歐洲國家文化上的差異，被動式超低能耗建筑的收益和所增加的額外投資是否能夠平衡，從而被市場所接受。

裝配式建筑在我國得到初步發(fā)展，而集成裝配式建筑在裝配式建筑的基礎(chǔ)上進一步創(chuàng)新，可根據(jù)客戶需求進行定制，建筑部品功能上實現(xiàn)了高度集成化。部品在工廠生產(chǎn)時就實現(xiàn)了標準化、模塊化，而且可以循環(huán)利用。建筑的水系統(tǒng)、電系統(tǒng)、門窗系統(tǒng)等在生產(chǎn)時已做了預埋和節(jié)點設(shè)計，甚至窗簾、插座在工廠已經(jīng)制作好。衛(wèi)浴模塊、廚房模塊等按節(jié)點安裝上就能用，整個建筑組裝完就能入住。

集成裝配式建筑的部品部件全部采用高性能綠色建筑材料，大量使用工業(yè)和生活固廢，配比高性能添加劑。同等強度下導熱系數(shù)只有常規(guī)建材的1/10，因此不需要像傳統(tǒng)被動式超低能耗建筑那樣“穿”厚重的保溫層，是滿足被動式超低能耗建筑節(jié)能要求的理想選擇。

3 太陽能與地源能系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)是一種太陽能與地源熱泵聯(lián)合供能技術(shù)，是雙能源制冷制熱節(jié)能系統(tǒng)（圖1）。雙能源制冷制熱節(jié)能系統(tǒng)包括地源熱泵系統(tǒng)、太陽能集熱系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、地板采暖系統(tǒng)及換熱器和連接各部分的管、閥及相關(guān)控制系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)主要由熱泵機組和U形管豎井、循環(huán)泵組成；太陽能集熱系統(tǒng)主要由太陽能集熱器陣列、熱水箱、循環(huán)泵組成；空調(diào)系統(tǒng)主要由風機盤管及其零部件組成；地板采暖系統(tǒng)主要由地暖盤管和分水器、集水器組成。

4 系統(tǒng)原理

雙能源制冷制熱節(jié)能系統(tǒng)的能源輸入是通過兩種途徑實現(xiàn)，都取自可再生能源，可以方便切換而不影響系統(tǒng)正常使用。一種能源在滿足使用后過剩時還可以補充另一種能源。

使用系統(tǒng)末端既可制冷又可制熱，而且可以方便切換。地源熱泵系統(tǒng)和太陽能集熱系統(tǒng)是系統(tǒng)的主體，其余系統(tǒng)或設(shè)備部件起末端應用或輔助作用。

太陽能集熱系統(tǒng)在冬季運行時，通過關(guān)閉夏季閥門，打開冬季閥門。同時在不需要供暖或供暖熱負荷減小時，太陽能集熱器系統(tǒng)也可用來制備生活熱水。在夏季運行時，使用地源熱泵系統(tǒng)單一供冷，通過打開夏季閥門，關(guān)閉冬季閥門來實現(xiàn)。此時太陽能集熱器可以用來制備生活熱水。在冬與夏之間的過渡季節(jié)，地源熱泵系統(tǒng)停止使用，太陽能集熱系統(tǒng)全部用來制備生活熱水。

5 系統(tǒng)運行

如圖1 所示，雙能源制冷制熱節(jié)能系統(tǒng)包括：地源熱泵系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)、風機盤管系統(tǒng)、地板采暖系統(tǒng)。其中地源熱泵系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)是雙能源制冷制熱節(jié)能系統(tǒng)的能量采集和供能主體；風機盤管系統(tǒng)、地板采暖系統(tǒng)是雙能源制冷制熱節(jié)能系統(tǒng)的末端用能主體。各系統(tǒng)均由零部件連接安裝組成，通過介質(zhì)流體在管路中的循環(huán)實現(xiàn)末端的制冷或制熱。

圖1 雙能源制冷制熱節(jié)能系統(tǒng)組成

地源熱泵系統(tǒng)主要由熱泵機組、水罐、U 形管豎井組成。熱泵機組的主要作用是將地源熱能與應用末端的熱能進行耦合轉(zhuǎn)換；水罐的主要作用是儲存和調(diào)節(jié)循環(huán)管路中介質(zhì)的量和壓力；U 形管豎井的主要作用是通過U 形管內(nèi)介質(zhì)的循環(huán)提取豎井土壤的熱能，或?qū)崮茏⑷胴Q井地壤里。

太陽能熱水系統(tǒng)主要由換熱器、熱水箱、集熱器組成。換熱器的主要作用是將太陽能集熱器產(chǎn)生的熱能互換給用能末端?；Q出的能量也可通過U 形管豎井為地下進行蓄熱，對于寒冷地區(qū)的冬季供暖有積極作用；熱水箱主要作用是儲存集熱器獲得的熱能，同時為用水點提供熱水；集熱器的作用主要是將太陽光的輻射能轉(zhuǎn)化為熱能。

風機盤管系統(tǒng)由風機盤管及輔助零部件組成。主要作用是在應用末端產(chǎn)生冷風或熱風，以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。

地板采暖系統(tǒng)主要由分水器、地暖盤管、集水器組成。分水器主要作用是將采暖進水主管的介質(zhì)分配到各個地暖盤管中；地暖盤管的主要作用是使介質(zhì)熱能均勻向外傳遞，以實現(xiàn)供暖。集水器的主要作用是匯集地暖盤管中的介質(zhì)到回水主管。

整體工作過程：熱泵機組通過U 形管中的循環(huán)介質(zhì)，冬季提取地壤中的能量給系統(tǒng)末端制熱；夏季將系統(tǒng)末端的能量傳遞給地壤，實現(xiàn)系統(tǒng)末端制冷。太陽能集熱系統(tǒng)能不但實現(xiàn)全年供熱水，還可在夏季通過U 形管豎井為地下進行蓄熱。

6 系統(tǒng)優(yōu)勢

與現(xiàn)有技術(shù)相比，系統(tǒng)充分考慮了可再生能源的獲取和利用及多種能源的互補結(jié)合使用，系統(tǒng)切換與控制方便。避免了單一能源的不穩(wěn)定性，實現(xiàn)了同一系統(tǒng)既能制熱又能制冷，且能常年提供生活熱水。系統(tǒng)因為輸入的不是單一能源而更有保障，而且制冷制熱的效率更高。系統(tǒng)使用清潔能源，節(jié)能環(huán)保，節(jié)約大量不可再生能源。

太陽能地源能的聯(lián)合應用系統(tǒng)在節(jié)能方面有著不可比擬的優(yōu)勢，這也是清潔能源利用的發(fā)展趨勢。相信隨著可再生能源利用技術(shù)的發(fā)展，這種雙能源制冷制熱節(jié)能系統(tǒng)的應用會越來越廣泛，更好地為客戶、為社會服務。

7 經(jīng)濟與環(huán)境效益

7.1 太陽能

擬建項目共布置某型聯(lián)集管集熱器1328 臺，集熱面積7171.2 m2，年日均輻照量12.01 MJ/（m2·d），日均得熱量69 272 MJ。按現(xiàn)有燃氣鍋爐轉(zhuǎn)化效率70%計算，折合標煤3377.48 kg。按每年運行365 d 計算，太陽能系統(tǒng)每年可節(jié)約標煤1232.78 t，減少CO2排放3229.89 t、SO2排放10.48 t、NOx排放9.12 t。標煤價格按1200 元/t，則每年可節(jié)省燃煤費用1 479 337.29 元。按此計算，太陽能系統(tǒng)運行6.9 年可收回投資成本。

7.2 地源熱泵

擬建項目共布置某型地源熱泵12 臺?？傊茻崃?88×12=8256 kW，總功率為150×12=1800 kW，年制熱量77 018 371 MJ，系統(tǒng)年運行功耗5 557 500 kW·h，年均凈得熱量71 460 871 MJ（其中包含太陽能在非采暖季節(jié)回灌的熱量）。按現(xiàn)有燃氣鍋爐轉(zhuǎn)化效率70%計算，折合標準煤3484.2 t，減少CO2排放9128.6 t。標煤價格按1200 元/t，則每年可節(jié)省燃煤費用1 479 337.29元。按此計算，運行6.4 年太陽能系統(tǒng)可收回投資成本。

當前常規(guī)能源日趨緊張，國家大力提倡節(jié)能減排、保護環(huán)境，太陽能和地源熱泵作為清潔環(huán)保、廉價的新能源，其良好的社會效益和經(jīng)濟效益越來越為政府和企業(yè)所重視。雙能源制冷制熱節(jié)能系統(tǒng)為太陽能與地源熱泵在采暖領(lǐng)域的結(jié)合應用起到良好的推廣示范作用。

8 結(jié)語

雙能源制冷制熱節(jié)能系統(tǒng)將太陽能和地源能聯(lián)合應用，可以滿足單一太陽能熱水系統(tǒng)在冬季，由于集熱面積和輻照等因素，無法滿足用戶對供熱需求的問題。太陽能地源能的聯(lián)合應用系統(tǒng)在冬季以地源能為主，太陽能為輔，或完全采用地源熱能制熱的運行模式。為了保持地下溫度場的平衡，地源系統(tǒng)的設(shè)計中應保證足夠的裕量，使其能夠滿足冬季的熱能需求。