一种适用于中小学的太阳能热泵蓄热采暖系统装置

【前言】一种适用于中小学的太阳能热泵蓄热采暖系统装置由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。1 现有技术所存在的缺点 现有的单一性太阳能供暖系统结构简单，运行可靠，但阳光集热密度较低，需要较大的太阳能集热器采光面积，由于天气的变化需要较大的储热水箱，因为供热周期较短，往往会出现冬季供热不足，夏季供热过剩的现象，无法实现季节性储能。 当前的太阳...

摘 要 设计一种太阳能热泵蓄热采暖系统装置。利用太阳能、热泵、光伏、储热技术满足北方中小学全年采暖、空调、照明、热水供应。节能计算分析，结果表明该系统装置具有较高的节能减排效果，是一种理想的中小学太阳能自采暖系统装置。

关键词 太阳能；热泵；土壤跨季节蓄热

中图分类号：G483 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2014）15-0035-02

目前，我国北方供热采暖地区供热采暖耗能占到建筑总能耗的65%以上，主要以煤炭类化石燃料为主，不仅利用率低，而且污染严重。近年来，我国大部分地区大气污染严重，改善生态环境，还人们一片蓝天是政府和人民的重要而迫切的任务。研发设计一种太阳能自采暖系统装置，实现采暖、空调、热水三联供的可再生能源集成系统太阳房建筑，提供一种适于在学校、宾馆、城镇建筑中大面积推广应用，实施城郊新农村建设低碳用能技术，可促进解决城市及周边地区大气污染、能源紧张、改善居民生活等有关民生的重大紧迫问题。

1 现有技术所存在的缺点

现有的单一性太阳能供暖系统结构简单，运行可靠，但阳光集热密度较低，需要较大的太阳能集热器采光面积，由于天气的变化需要较大的储热水箱，因为供热周期较短，往往会出现冬季供热不足，夏季供热过剩的现象，无法实现季节性储能。

当前的太阳能供热系统虽然也设置有热泵、电、燃气辅助供热、降温装置，但是并没有对其释放的热量进行收集利用，因此造成一定程度的浪费，导致整体能源利用率较低。

目前太阳能集热器获取太阳辐射能转化热量，通过管路系统送至室内进行采暖。夏季过剩热量储存在储热水箱内。当太阳能集热器收集的热量小于供暖负荷时，由储存的热量来补充，若储存的热量不足时，由备用的辅助热源提供。较大的集热器组件和较大的水箱提高了投资成本，占地面积较大。

由于太阳能季节性不均衡特点，直接利用太阳能采暖受到限制，单纯地源热泵系统在北方地区使用，由于采暖和制冷所需热量严重失衡，会导致土壤热量得不到补充，而至地源热泵系统运行几年后运行费用升高或机组无法启动。

因此，有必要对现有太阳能供热系统的结构进行改进，使其对太阳能、蓄热、热泵、光伏技术得到综合利用。

2 系统装置的设计思想

该系统装置的设计在于克服现有太阳能和热泵利用方面的缺陷，提供一种将太阳能、热泵、土壤跨季节蓄热、光伏照明等新能源综合利用的新技术，该技术可将夏季太阳能转换成的热能储存到地下的土壤中，冬季再将储存在土壤中的热能释放到室内。

为实现上述发明目的，该系统装置采用的技术方案是提供一种太阳能热泵蓄热采暖系统，其特征在于系统构成四个循环回路（如图1所示）：

1）集热循环回路，该系统包括真空管集热器，真空管集热器通过集热循环管路与换热水箱的进出水口连接组成循环回路；

2）热水循环回路，换热水箱内a换热器的进水口与冷水管路连接，出水口与供热水管路连接，供热水管路末端与淋浴器、净水器、开水器连接组成循环回路；

3）蓄热循环回路，换热水箱内b换热器上的进出水口通过热泵循环管路与热泵右侧两端口连接组成，其中一路通过热泵系统管路与埋设于地下的U形管、水泵串联与热泵的右侧端口连接组成循环回路；

4）采暖循环回路，热泵的左侧两端口经采暖循环管与冷热风机盘管或辐射地热盘管、水泵串联组成循环回路。

为了有效地提高热泵的使用效率，其中优选的技术方案是热泵选用了水源和气源双源热泵。

为了更有效地利用太阳能转化成的热能，优选系统用水设计，包括开水器、净水器和淋浴器。在淋浴器与冷水管路之间设有水温调节阀；在真空管集热器通往换热水箱的循环管路上设有流量调节阀。

为了便于控制热水的水温，使其热水达到设定温度后再流入开水器内，在开水器与净水器之间安装了阀门。

为了达到个各系统循环水不同的水温、水质的要求，热水箱中的设计a、b换热器，a换热器组成热水循环回路、b换热器组成采暖循环回路。

为了便于随时控制调节每一个制冷或供热单元的实际温度，优选的技术方案在采暖循环回路的进出口上均设有阀门。

为了使得太阳的能量得到进一步充分的利用，该系统中还设计了太阳能光伏电池，太阳能光伏电池通过逆变器与照明灯和/或换气扇连接。

该系统装置的优点和有益效果在于，该太阳能热泵蓄热采暖系统采用了太阳能、热泵、土壤跨季节蓄热、光伏照明、新风换气等新能源综合节能技术。利用太阳能通过土壤蓄能方式使春夏秋三个非供暖季的太阳能得到收集并储存，并用于冬季供暖，这对于实现太阳能全年收集利用，彻底永久性消灭采暖小煤炉对城市空气污染的影响、改善居民生活质量、缓解城市能源供需紧张都具有十分重要的意义。

3 系统装置的示范工程

一种具有太阳能热泵蓄热采暖系统，被安装在北京大兴区定福庄小学184平方米教室。该系统装置包括：真空管集热器、换热水箱（0.5吨）、热泵、土壤蓄热循环系统、地板辐射采暖或冷热风机空调系统、新风机换气和光伏发电照明系统。系统采用的太阳能真空管集热器是由一种高效锁热环真空管组成，八平方米一组，采用四组安装在房屋顶部，采光面积为32平方米。系统采用双源（水源和空气源）热泵5P机型，用换向阀实施转换。

系统的土壤蓄热技术是采用太阳能自采暖设计跨季节蓄热方式，在宅基地地面上打六眼100米深竖井，垂直埋管入U型管组成蓄热循环系统，南向坡屋面上的32平方米太阳能集热器与地埋U型管构成跨季节蓄热循环回路。夏季晴天太阳能集热器收集到的剩余热能由管路系统传输储存到地下土壤中，冬季联通采暖循环系统，将地下土壤中的热能输送到室内供采暖，实现了全年集热，冬季使用的跨季节储热利用，设计理论和实用效果表明，太阳能采暖的保障率逐年递增，预计第四年基本达到94%。

为解决初期储热过程中，地下土壤含热量不饱和，满足不了冬季供热需求的问题，利用双源热泵在取热供暖过程中对热源温度进行提升。利用热泵技术可将需要的室内温度升降自如，夏季将室内的热量转移到室外地下土壤里，实现室内降温。冬季将室外的热量转移到室内采暖，实现室内升温。

该系统的太阳能蓄热采暖装置利用地源热泵向地下土壤输送全年太阳能集热并蓄存，冬季作为建筑采暖热源使用。夏季热泵制冷同时也向土壤蓄热。系统还可以全年供应45 ℃生活热水和饮用开水。

系统所述新风机换气装置是在用户需要的情况下实施安装，保持室内空气一小时换气一次的效果。光伏发电照明系统是在用户需要的情况下实施安装。采用该项专利新技术（专利号：20420093673.1），每平方米集热器每年可提供生活热水21吨以上45 ℃生活热水或六吨开水，可供八平米建筑面积采暖。按照100平方米建筑面积计算，每年共可节约电能2.15万KWh，冬季采暖可节约标准煤5.73吨，减少二氧化碳排放14.898吨，二氧化硫137.52公斤，氮氧化物（NOX）40.11公斤。

4 结论

设计一种太阳能热泵蓄热采暖系统装置，利用太阳能、热泵、光伏、储热技术，可满足北方中小学全年采暖、空调、照明、热水供应。安装在北京大兴区定福庄小学184平方米教室运行一年效果良好（室内温度在23 ℃左右）。系统可达到理想的节能效果。该系统设计的新风机换气装置和光伏发电照明系统装置是在用户需要的情况下实施安装，可达到系统新技术综合利用。

参考文献

[1]程翠英，许新中，吴艳元，董珊珊.太阳能自采暖农宅设计与研究[J].太阳能，2014（1）.

[2]罗运俊，何梓年，王长贵.太阳能热利用技术[M].北京：化学工业出版社，2009（10）.

[3]DBJ11-602-2006 北京市居住建筑节能设计标准[S].北京，2006.