一種適用于中小學的太陽能熱泵蓄熱采暖系統裝置

◆于 良 許新中 吳艷元 董珊珊

1 現有技術所存在的缺點

現有的單一性太陽能供暖系統結構簡單，運行可靠，但陽光集熱密度較低，需要較大的太陽能集熱器采光面積，由于天氣的變化需要較大的儲熱水箱，因為供熱周期較短，往往會出現冬季供熱不足，夏季供熱過剩的現象，無法實現季節性儲能。

當前的太陽能供熱系統雖然也設置有熱泵、電、燃氣輔助供熱、降溫裝置，但是并沒有對其釋放的熱量進行收集利用，因此造成一定程度的浪費，導致整體能源利用率較低。

目前太陽能集熱器獲取太陽輻射能轉化熱量，通過管路系統送至室內進行采暖。夏季過剩熱量儲存在儲熱水箱內。當太陽能集熱器收集的熱量小于供暖負荷時，由儲存的熱量來補充，若儲存的熱量不足時，由備用的輔助熱源提供。較大的集熱器組件和較大的水箱提高了投資成本，占地面積較大。

由于太陽能季節性不均衡特點，直接利用太陽能采暖受到限制，單純地源熱泵系統在北方地區使用，由于采暖和制冷所需熱量嚴重失衡，會導致土壤熱量得不到補充，而至地源熱泵系統運行幾年后運行費用升高或機組無法啟動。

因此，有必要對現有太陽能供熱系統的結構進行改進，使其對太陽能、蓄熱、熱泵、光伏技術得到綜合利用。

2 系統裝置的設計思想

該系統裝置的設計在于克服現有太陽能和熱泵利用方面的缺陷，提供一種將太陽能、熱泵、土壤跨季節蓄熱、光伏照明等新能源綜合利用的新技術，該技術可將夏季太陽能轉換成的熱能儲存到地下的土壤中，冬季再將儲存在土壤中的熱能釋放到室內。

為實現上述發明目的，該系統裝置采用的技術方案是提供一種太陽能熱泵蓄熱采暖系統，其特征在于系統構成四個循環回路（如圖1所示）：

1）集熱循環回路，該系統包括真空管集熱器，真空管集熱器通過集熱循環管路與換熱水箱的進出水口連接組成循環回路；

阿里便“哦”了一聲，趕緊爬了起來。他穿好衣服，走到母親睡覺的房間，站在門口說：“姆媽，我乖。我刷牙。我要吃熱干面。”

2）熱水循環回路，換熱水箱內a換熱器的進水口與冷水管路連接，出水口與供熱水管路連接，供熱水管路末端與淋浴器、凈水器、開水器連接組成循環回路；

3）蓄熱循環回路，換熱水箱內b換熱器上的進出水口通過熱泵循環管路與熱泵右側兩端口連接組成，其中一路通過熱泵系統管路與埋設于地下的U形管、水泵串聯與熱泵的右側端口連接組成循環回路；

4）采暖循環回路，熱泵的左側兩端口經采暖循環管與冷熱風機盤管或輻射地熱盤管、水泵串聯組成循環回路。

為了有效地提高熱泵的使用效率，其中優選的技術方案是熱泵選用了水源和氣源雙源熱泵。

為了更有效地利用太陽能轉化成的熱能，優選系統用水設計，包括開水器、凈水器和淋浴器。在淋浴器與冷水管路之間設有水溫調節閥；在真空管集熱器通往換熱水箱的循環管路上設有流量調節閥。

為了便于控制熱水的水溫，使其熱水達到設定溫度后再流入開水器內，在開水器與凈水器之間安裝了閥門。

為了達到個各系統循環水不同的水溫、水質的要求，熱水箱中的設計a、b換熱器，a換熱器組成熱水循環回路、b換熱器組成采暖循環回路。

為了便于隨時控制調節每一個制冷或供熱單元的實際溫度，優選的技術方案在采暖循環回路的進出口上均設有閥門。

為了使得太陽的能量得到進一步充分的利用，該系統中還設計了太陽能光伏電池，太陽能光伏電池通過逆變器與照明燈和/或換氣扇連接。

該系統裝置的優點和有益效果在于，該太陽能熱泵蓄熱采暖系統采用了太陽能、熱泵、土壤跨季節蓄熱、光伏照明、新風換氣等新能源綜合節能技術。利用太陽能通過土壤蓄能方式使春夏秋三個非供暖季的太陽能得到收集并儲存，并用于冬季供暖，這對于實現太陽能全年收集利用，徹底永久性消滅采暖小煤爐對城市空氣污染的影響、改善居民生活質量、緩解城市能源供需緊張都具有十分重要的意義。

圖1 英豪陽光公司太陽能熱泵蓄熱采暖系統裝置示意圖

3 系統裝置的示范工程

一種具有太陽能熱泵蓄熱采暖系統，被安裝在北京大興區定福莊小學184平方米教室。該系統裝置包括：真空管集熱器、換熱水箱（0.5噸）、熱泵、土壤蓄熱循環系統、地板輻射采暖或冷熱風機空調系統、新風機換氣和光伏發電照明系統。系統采用的太陽能真空管集熱器是由一種高效鎖熱環真空管組成，八平方米一組，采用四組安裝在房屋頂部，采光面積為32平方米。系統采用雙源（水源和空氣源）熱泵5P機型，用換向閥實施轉換。

系統的土壤蓄熱技術是采用太陽能自采暖設計跨季節蓄熱方式，在宅基地地面上打六眼100米深豎井，垂直埋管入U型管組成蓄熱循環系統，南向坡屋面上的32平方米太陽能集熱器與地埋U型管構成跨季節蓄熱循環回路。夏季晴天太陽能集熱器收集到的剩余熱能由管路系統傳輸儲存到地下土壤中，冬季聯通采暖循環系統，將地下土壤中的熱能輸送到室內供采暖，實現了全年集熱，冬季使用的跨季節儲熱利用，設計理論和實用效果表明，太陽能采暖的保障率逐年遞增，預計第四年基本達到94%。

為解決初期儲熱過程中，地下土壤含熱量不飽和，滿足不了冬季供熱需求的問題，利用雙源熱泵在取熱供暖過程中對熱源溫度進行提升。利用熱泵技術可將需要的室內溫度升降自如，夏季將室內的熱量轉移到室外地下土壤里，實現室內降溫。冬季將室外的熱量轉移到室內采暖，實現室內升溫。

該系統的太陽能蓄熱采暖裝置利用地源熱泵向地下土壤輸送全年太陽能集熱并蓄存，冬季作為建筑采暖熱源使用。夏季熱泵制冷同時也向土壤蓄熱。系統還可以全年供應45 ℃生活熱水和飲用開水。

系統所述新風機換氣裝置是在用戶需要的情況下實施安裝，保持室內空氣一小時換氣一次的效果。光伏發電照明系統是在用戶需要的情況下實施安裝。采用該項專利新技術（專利號：20420093673.1），每平方米集熱器每年可提供生活熱水21噸以上45 ℃生活熱水或六噸開水，可供八平米建筑面積采暖。按照100平方米建筑面積計算，每年共可節約電能2.15萬KWh，冬季采暖可節約標準煤5.73噸，減少二氧化碳排放14.898噸，二氧化硫137.52公斤，氮氧化物（NOX）40.11公斤。

4 結論

設計一種太陽能熱 泵蓄熱采暖系統裝置，利用太陽能、熱泵、光伏、儲熱技術，可滿足北方中小學全年采暖、空調、照明、熱水供應。安裝在北京大興區定福莊小學184平方米教室運行一年效果良好（室內溫度在23 ℃左右）。系統可達到理想的節能效果。該系統設計的新風機換氣裝置和光伏發電照明系統裝置是在用戶需要的情況下實施安裝，可達到系統新技術綜合利用。

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