太陽能資訊：兩層節能別墅 太陽能+熱泵+低谷電互補採暖方案

1 供暖基本情況

1.1 項目背景

朝陽市某別墅冬季原來使用燃煤鍋爐供暖，由於燃煤鍋爐費時費力、需要專職人員操作、且造成污染，別墅主人擬將供暖改造為清潔能源供暖。將項目命名為別墅供暖改造工程。

1.2 建築概況

供暖別墅為兩層框架結構，一層布局由卧室、廚房間、衛生間及客廳構成，其中客廳約佔一層總面積的50%；二層由小客廳、卧室、衛生間等布局構成；在二層屋頂，用保溫彩鋼板及輕鋼構件做的三層。不包括三層，建築供暖總建築面積約432㎡。

別墅外牆體外部使用高密度阻燃保溫板做外牆保溫層，窗戶使用三玻節能窗，經目測，該棟建築保溫性能優良，符合節能65%建築標準。

2 技術方案

2.1 熱源系統設計

2.1.1 熱源系統設計原理

1）熱源系統設計，要滿足當地最不利（最壞）氣象條件下建築採暖的供熱需求，這一供熱需求稱為建築供暖熱負荷；

2）本設計的熱源工質是65～80℃較高溫度的熱水，並以水為集能、儲能、運能、供暖的工作介質。低溫時，工質吸收太陽輻射能、空氣源熱泵加工的熱能及電轉換的熱能升溫，儲存在保溫容器中（或稱儲熱水箱，下同）；當室溫下降到設定溫度的低值時，通過室溫控制系統啟動靜音循環泵，將儲熱容器中的高溫水送到地暖（或暖氣片、或風機盤管）放熱，加溫室內空氣，使室內空氣達到人體舒適的溫度。

2.1.2 太陽能集熱系統

1）太陽能集熱系統是通過採暖專用真空集熱管吸收太陽輻射能，將太陽輻射能轉換為水的熱能，通過循環泵工作，將熱能儲存在保溫容器中；

2）太陽能是廉價能源，在使用中，僅集熱循環泵每天消耗約0.5KW•h的電能，其運行成本低到可以忽略不計，為此，本設計以太陽能作為主力熱源，使其佔比達到50～60%；

3）在採暖期的開始或結束的日期，雖然還處於採暖階段，但是，環境平均氣溫已達到0℃以上，此時建築的能耗是平均能耗的30～60%，如果太陽能供熱所佔比例過大，就需要較大的儲熱容器才能儲存每一天的過余能量，相對於適當增加輔助電能、顯得不經濟，為此，需要將太陽能的比例控制在一個經濟適宜的範圍，這個比例叫太陽能保證率。

2.1.3 空氣源熱泵系統

1）空氣源熱泵是吸收空氣中低品質的熱能，通過壓縮機升溫再傳遞給水，將低溫水（比如30～35℃）加熱到45～50℃的範圍。空氣源熱泵的優勢是：為壓縮機提供1KW•h的電能，可獲得2～3.5KW•h的熱能，獲得的熱能與輸入電能之比稱為能效比（COP）,因此,熱泵屬於節能產品；

2）本設計，一般將空氣源熱泵設計在9:00～21:00的時間工作，因為這段時間、環境氣溫相對於其他時間段較高，可以獲得較高的能效比（COP在2.3～3.2），為用戶節省採暖輔助需消耗的電能。

2.1.4 低谷電裝置

1）國家為了推動燃煤鍋爐供熱改清潔能源供熱，對在採暖期利用電能供暖的居民用戶實施優惠的分時電價政策，即在夜間的21:00～翌日7:00的時間，用電電價是平均電價的50%左右，遼寧省是0.28元/(KW•h)；

2）本設計具備低谷電輔助功能，為供暖所需熱源設定雙重保障，又可為用戶節省採暖電費支出。

2.2 儲熱系統設計

2.2.1 儲熱系統的作用

儲熱系統，具備儲存熱源系統吸收轉換的熱能的能力，當熱源系統不工作時，將儲存在容器中的熱能送到採暖末端，又起到熱源的作用，為此說，儲熱系統又是過程熱源系統；

儲熱系統設計，是基於當地最不利（最壞）氣象條件下，儲熱系統能夠存儲建築8小時所需的供暖熱能。

2.2.2 熱能儲存

將冷水加熱，得到65～80℃的熱水，理論上，一噸水溫度升高35℃，其溫升部分的熱量相當於41KW•h（度電）的能量，為此說，水是較好的儲熱（或稱為儲能）材料；

2.2.3 保溫性能

1）將太陽能集熱系統、空氣源熱泵和低谷電裝置吸收轉換的熱能，儲存在保溫容器中；

2）因為保溫容器外壁利用絕熱材料密封，如果將保溫容器置於密閉的建築內，在冬季，經檢測，24小時容器內的熱水溫降在2～3℃的範圍，其熱能損失是總能量的5%左右。

2.3 控制系統設計

2.3.1 控制內容及方式

1）太陽能集熱系統運行控制

通過控制集熱系統條件上水、定溫循環、防凍排回及定時補水等功能，控制太陽能集熱系統安全、穩定的將太陽輻射能量源源不斷的送到儲熱容器中儲存。

2）空氣源熱泵系統運行控制

空氣源熱泵作為太陽能的輔助能源設備，在儲熱系統熱能不足時，實現條件啟動而工作。

3）低谷電輔助運行控制

低谷電裝置是太陽能系統的第二保障輔助能源設備，在寒冷月份或連續陰雪天氣時啟動工作。

首先使用太陽輻射能量供暖，當太陽輻射能量不足或不夠用時，在電價低谷時間（21:00～7:00）自行啟動電熱裝置，在為建築供暖的同時向儲熱水箱儲存熱能。

4）室內供暖控制

有關權威研究文獻證明：冬季室內採暖溫度在18～24℃對人體健康有利。本建築為節能建築，建築採暖能耗較小，如果採取傳統的大流量、小溫差、不間斷供熱方式，室內溫度將超過合理的健康溫度，並造成能源的浪費。為此，本設計採取分時段溫度控制策略，即：睡眠時段、室溫控制低些，非睡眠時段、溫度控制高些，不使用房間室溫可再低些。

2.4 室溫控制方式

2.4.1 設計依據

室溫控制運行方式，是依據用戶對房間的使用特點、溫度要求，結合節能方式的最佳設計。

2.4.2 控制內容

1）別墅一層控制方式

建築一層各房間為每天使用房間，尤其是主卧室、廚房及衛生間供暖溫度必須保證，白天室內平均溫度控制在20～23℃；睡眠時間控制在18～20℃，以保證睡眠質量；客廳使用時控制在18～20℃，不使用時控制在15℃左右。

2）別墅二層控制方式

建築二層為不經常使用房間，當使用時，白天室內平均溫度控制在20～23℃，睡眠時間控制在18～20℃；在不使用時，將房間溫度控制在10～12℃，以利於節省供暖輔助費用開支。

2.5 防凍及防過熱設計

2.5.1 防凍設計

「思宇」牌太陽能採暖集成系統具備自防凍功能。

2.5.2 防過熱設計

採暖期結束后，如果設備不使用，可將每個系統每一排的下部和頂部集熱模塊、各卸下兩支真空管，讓空氣自行在系統內流通，即可起到對系統冷卻和保護作用。

3 參數設計及工程配置

3.1 建築能耗計算

3.1.1 建築耗熱量計算表

3.1.2 表-1說明

1） 表-1是依據《嚴寒和寒冷地區居住建築節能設計標準》（JGJ26-2010)標準中相關計算公式，進行了建築採暖平均總耗熱量、設計熱負荷指標、設計總熱負荷和採暖日平均耗熱量及採暖期總耗熱量等採暖能耗參數的計算值。

2）建築總耗熱量參數

依據（JGJ26-2010)標準，該類節能建築，平均室溫達到18℃時的耗熱量指標21.7w/㎡；當用戶要求平均室溫達到20.5℃時，其耗熱量指標可達到24.7w/㎡。因為別墅二層不經常使用，故採取使用與不使用分別控制方式運行，使用時室溫控制在20～22℃，不使用時室溫控制在10～12℃，將這種方式稱為節能運行供暖模式。本設計以此計算，建築平均總負荷為：

21.6×432÷1000=9.33（KW）；

3）建築採暖總熱能計算

採暖期，建築平均每天消耗的採暖熱能計算：

9.33×24=244（KW•h/d），

採暖期按實際運行時間170天計算，建築採暖總熱能計算：

224×170÷10000=3.81（萬KW•h）。

3.1.2 採暖設計熱負荷

1）採暖設計熱負荷

是根據當地（一般在最冷月一月份出現）連續5天最不利氣象條件下、為保持室內設計溫度，建築採暖需要消耗的熱能，也是建築最大採暖熱負荷。朝陽地區環境設計取值溫度為-15.5℃，通過計算，設計熱負荷為16.3（KW）。

2）設計熱負荷的作用

設計熱負荷值是室內散熱末端和供暖熱源設計的依據。本設計匹配的空氣源熱泵、低谷電設備及蓄熱儲能水箱的設計，將依據上述熱負荷設計值進行計算。

3.2 供暖熱源配置計算

3.2.1 太陽能配置

1）經計算，需要安裝「思宇」牌型號SYGC-58/1800-Ⅲ的太陽能採暖集成模塊9組；

2）在採暖期，朝陽地區太陽集熱接收表面接收的太陽輻射平均值約為17.67 MJ/（㎡•d）；

3）9組太陽集熱模塊，在採暖期的晴天,每天可轉換約150KW•h的太陽輻照能量；採暖期平均每天轉換有用的太陽輻照量約110KW•h，採暖期累計可轉換有用的太陽輻照能量約2萬KW•h。

4）因為本建築為節能建築，且採取了分室、分時節能供暖措施，太陽能保證率可達到57%。

3.2.2 空氣源熱泵配置

1）經計算，需要配置一台10P全直流變頻噴液增焓型空氣源熱泵；

2）本設計配置的空氣源熱泵，主要工作在9:00～21:00環境溫度相對較高的時間段，這段時間環境氣溫在-10～15℃的範圍波動，空氣源熱泵的能效比可以達到1.8～3的範圍；

3）空氣源熱泵最大輸入功率為7.5KW,制熱能力達到13.5KW～22.5KW；

4）本設計預計空氣源熱泵需要提供約1.45萬KW•h，消耗輔助電能約6300KW•h。

3.2.3 低谷電配置

1） 經計算，需要配置24KW低谷電加熱裝置，當電加熱裝置獨立工作

時可滿足別墅供暖；

2） 本設計配置的低谷電加熱裝置，主要工作在21:00～7:00的用電低

谷時段；

3） 本設計預計低谷電裝置需要提供約3600KW•h的電能，與熱泵合計

需要輔助消耗電能約9900KW•h。

3.2.4 太陽能集熱器配置計算表

3.3 儲能配置計算

3.3.1 儲能選型依據

1）選型依據

在最不利的氣象條件下（環境日平均-15.5℃），當沒有太陽輻射的一天，以能夠存儲谷電能量夠8小時供暖熱能為依據。

2）儲能配置計算

3）儲能水箱容積

經計算，低谷電蓄熱儲能保溫水箱總容積約為3m³。

4 工程內容及投資預算

投資概算表

預算表說明

1）432㎡建築太陽能+空氣源熱泵+低谷電蓄熱互補採暖，工程預算總金額為（不含稅價）14.46萬元。

2）上述預算為不含稅價款，稅款按工程合同金額的13%計算。更多信息請關注太陽能產業資訊官微獲取。

此文章為原創，轉載須聯繫太陽能產業資訊。