郑州市惠济区古荥镇曹村坡村农房节能改造——太阳能和地源热泵复合采暖技术

2011-05-15 13:31中国建筑科学研究院邹瑜李骥刘晶

太阳能 2011年9期

中国建筑科学研究院 ■ 邹瑜李骥刘晶

河南省建筑科学研究院有限公司 ■ 杜永恒

一工程概况

该示范工程位于郑州市惠济区古荥镇曹村坡村，建于2008年9月，建筑面积130m2，砖混结构，共一层，层高3600mm。外墙为240mm粘土实心砖；外窗为塑钢双层玻璃窗；平屋顶，屋面为80mm现浇钢筋混凝土板。建筑南向外墙为面砖饰面，东、西、北向外墙均为浅色涂料饰面。室内冬季无采暖设施，夏季依靠开窗开门通风和风扇降温。建筑平面图如图1所示。

图1 郑州市惠济区古荥镇曹村坡村示范农居平面图

二地源热泵与太阳能复合采暖空调技术

1 系统介绍

郑州地区属于寒冷地区，夏季需要空调，冬季需要采暖。针对这种情况，为项目设计了太阳能复合土壤源热泵系统(机组额定制冷量8.8kW，额定制热量7.9kW，输入功率2.1kW，太阳能水箱200L)(图2)。

地源热泵与太阳能复合采暖空调技术利用地源热泵作为主要热源，太阳能集热器作为辅助热源，共同提供热量用于寒冷地区村镇建筑冬季采暖和夏季空调。该技术充分利用土壤的环境热能和太阳能对环境无污染、无破坏的特点，是很好的节能环保采暖技术。在农村院落内埋设地盘管，屋顶上安装太阳能集热器，建筑内设置带风机的水源热泵机组，由热泵机组直接引风管至各个采暖房间送风。冬季水源热泵机组通过循环水从地埋管吸收热量，加热室内空气，供给室内热量；太阳能系统在集热器水温足够时，向水源热泵机组循环水提供热量，以增大水源热泵机组的供回水温差，达到节能的效果。夏季水源热泵机组通过循环水从地埋管吸收冷量冷却室内空气，达到降温目的。该技术已在郑州惠济区古荥镇曹村坡农居节能改造中进行示范。

图3 太阳能复合土壤源热泵系统图

2 太阳能－地源热泵系统的优点

(1)采用太阳集热器辅助热源供热时，热泵机组的蒸发温度提高，使得热泵压缩机的耗电量减少，节省运行费用；

(2)在夏季夜间运行时太阳集热器可作为辅助散热设备，从而减少了夏季向地下的排热量，使地温在数年内保持稳定，以保证机组在高效率下运行；

(3)在冬季运行时由于蒸发温度提高，使得用户侧出水或空气出口温度上升，舒适性提高；

(4)在系统设计时，地源热泵系统可按照夏季工况进行设计，从而减小了地下换热器的容量，降低了地源热泵地下部分的投资。

3 投资分析

地埋管太阳能复合式采暖、空调系统相对于常规系统初投资较大，目前在农村大面积应用还不现实，本项目可作为该系统在农村应用的一个探索和示范，积累经验。该项目实施过程中，工程总造价为36090元。项目中，太阳能热水器系统(7500元)是为了满足夏季生活热水的需求，在增投资计算中不应计入。因此，该系统实际投资为28590元。

对于该建筑，如采用常规采暖、空调系统，冬季采用土暖气系统采暖成本约为6000元；夏季利用房间空调器降温，夏季需要房间空调器制冷容量约为7.5kW，电功率约为2.5kW，即3.4匹，市场上现在每匹空调售价约为2500元，一次投资约为8500元。房间空调器寿命约为10年左右，而水环热泵寿命约为20年，因此在水环热泵寿命周期内房间空调器需要更新一次，成本应为17000元。因此，采用常规土暖气采暖、房间空调器制冷降温系统(20年的使用寿命内)总投资为23000元。

冬季利用土暖气系统采暖，保持房间温度14℃，建筑全年采暖耗煤量为3.12t标煤，空调耗电907kWh。如果考虑标煤成本为800元/t，电价为0.55元/kWh，每年节约的运行费用为951元。因此，静态投资回收期为：

系统投资回收期=增投资/运行费用差值=(28590−23000)/951=5.87年

4 土壤源热泵系统测试与模拟比对

2009年12月～2010年1月、2010年7～8月，中国建筑科学研究院联合河南省建筑科学研究院分别对地埋管空调系统的冬夏季工况进行了测试。检测内容包括：室内外温湿度、冷凝器(或蒸发器)(地埋管侧)进出口水流温度、流量等。同时对该项目在能耗模拟软件TRNSYS中建模，进行全年逐时关键参数的分析，测试数据与模拟计算数据比对如图5、图6所示。