冬季太陽能采暖系統(tǒng)優(yōu)劣分析

隨著地下礦物質(zhì)能源日益匱乏，以及礦物燃燒式采暖對空氣污染愈加嚴(yán)重，新能源逐漸被人們重視。太陽能采暖是最理想的產(chǎn)品之一，是政府鼓勵推廣多年的加熱系統(tǒng)，但由于太陽能光照保證率低，是制約太陽能采暖發(fā)展的最大問題。

冬季采暖，無論采用什么形式的加熱設(shè)備，室內(nèi)末端最理想的還是地板低溫輻射采暖，其強(qiáng)大的蓄熱性及供暖水溫要求相對較低(一般居住性建筑回水溫度設(shè)置35℃即可滿足室內(nèi)供暖溫度18℃要求)，是太陽能采暖的理想末端。

1.系統(tǒng)對比

目前可享受政府財(cái)政補(bǔ)貼，綠色環(huán)保的幾種采暖方式：

1.1 電輔助太陽能采暖系統(tǒng)

1)優(yōu)勢：為了充分利用太陽能，達(dá)到最佳節(jié)能效果，盡量減少電輔助啟動時間，太陽能采暖系統(tǒng)會盡最大努力多鋪設(shè)太陽能集熱面積，可多數(shù)現(xiàn)場不具備鋪設(shè)太多的太陽能集熱器的條件，一般采暖面積與太陽能集熱器面積比例都不會超過1:0.8。在光照理想的氣候條件下，太陽能可以達(dá)到預(yù)期采暖效果，因只有集熱器循環(huán)水泵間歇運(yùn)行與室內(nèi)循環(huán)水泵運(yùn)行功耗，所以運(yùn)行費(fèi)用非常低。

2)劣勢：雨雪或光照不理想的天氣，必須啟動電加熱輔助功能，運(yùn)行費(fèi)用會大幅度提高。

1.2 空氣源輔助太陽能采暖系統(tǒng)

1)優(yōu)勢：空氣源熱泵輔助太陽能是目前相對較為理想的采暖方式，光照理想天氣可以利用太陽能采暖，太陽能加熱能力不足時，空氣源熱泵自動補(bǔ)充，保證室內(nèi)采暖溫度。運(yùn)行費(fèi)用較之電輔助太陽能系統(tǒng)節(jié)能約20%。

2)劣勢：空氣源熱泵在寒冷地區(qū)冬季運(yùn)行效率不高，低溫型熱泵在-10℃室外環(huán)境溫度下運(yùn)行，COP值一般2.2。

1.3 空氣源熱泵采暖

1)優(yōu)勢：幾乎不受天氣影響，投資小，施工快。

全國已有很多成功案例，北京地區(qū)節(jié)能建筑，每個采暖季低于22 元/m2。

2)劣勢：低溫環(huán)境運(yùn)行效率低，特別在晚上最冷時間段，環(huán)境溫度低于-10℃時，再加上反向化霜耗能，低溫工況效率低于200%?？諝庠礋岜铆h(huán)境溫度值如圖1所示。

1.4 水(地)源熱泵采暖

1)優(yōu)勢：水(地)源熱泵采暖系統(tǒng)是政府近年剛列入財(cái)政補(bǔ)貼范圍的項(xiàng)目，其節(jié)能效果相對比較理想，COP 值一般大于4.0，由于地下熱源比較穩(wěn)定，熱源溫度一般為當(dāng)?shù)厮募镜钠骄鶞囟?，所以熱泵機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低。

2)劣勢：水(地)源熱泵系統(tǒng)問題主要出現(xiàn)在地下?lián)Q熱系統(tǒng)，地下抽水式換熱系統(tǒng)，一是水利部門管理比較嚴(yán)格，二是地下?lián)Q熱井的隱患比較多，這也是設(shè)計(jì)者必須注意而又無法回避的問題。地埋管式換熱系統(tǒng)回避了抽水式換熱系統(tǒng)的問題，但需要大量增加鉆井?dāng)?shù)量來提取更多的地下土壤熱量，與其他采暖設(shè)備相比，增加投資約為整套系統(tǒng)的三分之一。

2.新型配置

2.1 太陽能+ 雙源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行原理

雙源熱泵(即空氣源熱泵與水源或地源熱泵合為一體)一臺主機(jī)具有兩種運(yùn)行模式：空氣源運(yùn)行模式;水(地)源運(yùn)行模式。

在北方冬季晝夜溫差較大，白天室外溫度一般在0℃以上，空氣源熱泵可以高效運(yùn)行(COP 值平均可以達(dá)到2.8 以上)，室內(nèi)供暖完全依靠空氣源熱泵即可。夜間室外環(huán)境溫度逐漸降至約-10℃(COP值低于2.2以下)。空氣源熱泵運(yùn)行效率相對較低時，自動轉(zhuǎn)換水(地)源熱泵運(yùn)行模式，水(地)源熱泵運(yùn)行熱源來自白天太陽能集熱器儲存的熱水(蓄熱水箱可用溫度5℃~50℃)。系統(tǒng)運(yùn)行原理如圖2所示。

傳統(tǒng)的太陽能采暖系統(tǒng)，往往采用加大太陽能集熱面積來滿足室內(nèi)溫度的要求。在白天陽光充沛的天氣下室內(nèi)溫度可以滿足需求，一旦遇到雨雪天或光照不好的時候，需要完全依靠輔助設(shè)備加熱采暖，輔助加熱設(shè)備能耗很大，再有大面積的太陽能集熱器到夏季時，熱量嚴(yán)重過剩，致使水溫過高，造成管道及集熱管內(nèi)結(jié)垢很嚴(yán)重，影響冬季使用。

雙源熱泵就是空氣源熱泵與水(地)源熱泵完美結(jié)合，(其中太陽能系統(tǒng)替代水(地)源熱泵系統(tǒng)的地下鉆井換熱系統(tǒng))雙源熱泵有利結(jié)合最大的優(yōu)點(diǎn)是最大限度地發(fā)揮了太陽能集熱系統(tǒng)，又充分體現(xiàn)熱泵的節(jié)能優(yōu)勢，是熱泵系統(tǒng)輔助太陽能系統(tǒng)的完美結(jié)合，也是山區(qū)能實(shí)現(xiàn)熱泵采暖的理想選擇。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

以100m2節(jié)能建筑為例：墻體厚度240mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)做60mm 保溫處理，門窗為中空塑鋼材質(zhì)。

建筑能耗為100m2×80W/m2=8000W太陽能系統(tǒng)選配：太陽能系統(tǒng)冬季蓄水最高溫度50℃。水源熱泵利用最低水溫度3℃，可用溫差(5~50)45℃。

2.3 雙源熱泵運(yùn)行特點(diǎn)

雙源熱泵設(shè)有三種運(yùn)行模式：時間允許自動識別模式：每天上午8:00 自動轉(zhuǎn)換空氣源模式運(yùn)行，到下午5:00 系統(tǒng)自動檢測熱源(太陽能蓄熱水箱)溫度，如水源溫度達(dá)不到5℃以上，自動回到空氣源運(yùn)行模式，保證室內(nèi)供暖溫度不受影響;手動運(yùn)行模式1：手動切換到空氣源運(yùn)行模式時，系統(tǒng)將按空氣源模式運(yùn)行;

手動運(yùn)行模式2：手動切換到水源運(yùn)行模式時，系統(tǒng)將按水源模式運(yùn)行。

在白天空氣源運(yùn)行效率相對較高時為室內(nèi)供熱，同時太陽能聚熱把熱能儲存在水箱內(nèi)供夜晚熱泵的水源熱泵模式運(yùn)行提供熱源。在夜晚熱泵自動切換到水源模式運(yùn)行，提取太陽能蓄熱水箱溫度來為室內(nèi)供暖。傳統(tǒng)太陽能采暖系統(tǒng)蓄熱水箱溫度只能利用溫度差32~50℃(結(jié)合室內(nèi)低溫地板輻射采暖)。而熱泵可以利用溫度差5~50℃?？啥嗵崛?5~50)-(32~50)=27℃。