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    • 熱泵和太陽能聯供冷熱裝置及系統集成技術
    •   來源:愛美泰
    • 2016-03-09
    【摘要】本項目“熱泵和太陽能聯供的住宅冷熱裝置及系統集成技術”,核心任務是:以直流變頻空氣能熱泵為核心,結合太陽能、電能及其它能源,向住宅供暖、供冷、生活熱水及除濕,如下圖,是本項目的典型原理圖,本項目著重解決如下幾個問題:直流變頻空氣能熱泵向住宅高效供暖;和太陽能及其它備用能源的聯動;面向住宅供暖冷及生活熱水的系統集成關鍵技術及工藝。
     
    【關鍵詞】熱泵太陽能空氣能直流變頻分戶供暖制冷
     
    1.前言
     
    當今世界,節能與環保問題日益提上日程。能源是經濟和社會發展的重要物質基礎,化石能源如煤炭、石油、天然氣等常規能源短缺,其不可再生性決定了終有一天將會枯竭;且以燃煤為基礎的傳統能源所帶來的負面影響也越來越不能適應社會可持續發展的要求。從長三角、珠三角的“電荒”,到涉及東北、華東、華南、西南等地區的“煤荒”與“油荒”,傳統能源緊缺的“紅燈籠”掛遍中國大地。隨著能源緊缺的進一步擴大,全民的節能意識也得到了很大的提高。節能不再只是作為一種宣傳口號被傳播,而是切實地被各地的政府等相關職能部門提上了日程。能源危機的警鐘喚起了人們對能源戰略應用的重新思考,同時也將人們的目光引向了新型能源的開發及利用,基于此中山市愛美泰電器有限公司不斷加強對熱泵和太陽能聯供的住宅冷熱裝置及系統集成技術的研究。
     
    2.國內外技術背景
     
    2.1地板采暖技術
     
    對一個建筑物,采暖系統通常包含三個部份:熱源、室內散熱末端、管路傳輸及控制系統,這三個部分是一個有機的整體,采暖系統的高效節能需要三個部份的完美配合!
     
    地板采暖是一種室內散熱末端,是指以溫度不高于60度的熱水為熱媒,在加熱管內循環流動,加熱地板,通過地面以輻射和對流的傳熱方式向室內散熱的供暖方式,相比于傳統的散熱器,地板采暖是一種新型的室內采暖模式,2000年后在我國發展,近幾年得到普及,為多數人所接受,在歐洲比我國早10來年,地板采暖行業興起主要得益于塑料管業的成熟,一種稱為PEX的適用于低溫熱水的壽命要超過50年的地暖管,是地暖能被市場接受的關鍵。
     
    相比于傳統的散熱器采暖,或以對流散熱為主的風機盤管采暖,地板采暖的突出優點是:散熱面積大,室內溫度場均勻,沒有局部干燥,從底部地板加熱的模式,既符合人體舒適感覺的要求:冬天腳暖的感覺最重要!又符合熱向上傳遞的自然規律。
     
    地板采暖的出現,打開了應用低溫熱水采暖的閥門,在歐洲多數國家,將地板采暖使用熱水的供水溫度確定在40℃以下,我國在制定地板采暖的標準中,考慮到地區差異及房屋保溫的特性,將供水溫度設定為60℃度,但實際工程應用中,大部分在45℃的供水溫度時,已能滿足室內采暖要求,隨著我國節能建筑規范的實施,建筑物保溫做得越來越好,建筑物熱負荷會進一步降低,地暖供水溫度也可以更低,這為熱泵作為一種新型的節能型的熱源,在建筑采暖中的應用推廣奠定了基礎。
     
    無論國內國外,在地板采暖的具體技術上,呈現出各種各樣的形式,如毛細管網、干式地暖、濕式地暖、預制??彀宓嘏?,其原則都是為了達到改善室內供暖的舒適性及節能的目的!
     
    2.2熱泵技術
     
    熱泵技術是一種“能量搬運”技術,消耗少量的電能,實現幾倍能量的搬運,將熱量從底溫區“搬運”到高溫區。運用熱泵技術來供暖,就是從外界蘊含能量的介質中取得熱量釋放到室內,業內把從地下土壤中取得熱量的熱泵稱為地源熱泵,從江河湖泊中取得熱量的熱泵稱為水源熱泵,從空氣源中取得熱量的熱泵稱為空氣源熱泵,按照熱力循環工作原理分,又可分為消耗熱能的吸收式熱泵和消耗電能的壓縮式熱泵,本文所涉及的熱泵屬于消耗電能的壓縮式熱泵,這也是當前及未來熱泵發展的主流模式。
     
    壓縮式熱泵搬運熱量的能力與投入的電能之比稱為制熱性能系數又稱能效比(用COP來表示),當從0℃的外界環境介質中向室內20℃的供熱時,其理論效率為:(室內溫度20+273)/(室內溫度20-外界環境0)=14.65,但是實際當中,遠遠達不到這一數值,目前一般的效率在2.0~6.0之間。熱泵的特點是:
     
    1)能效比永遠>1;
     
    2)熱泵提升的溫差約小,其能效比約高,提升的溫查越大,能效比越低;
     
    因此,在冬季采暖的環境下,熱泵適合做低溫熱水,由于熱泵消耗的電能屬于一種高等級的能源,熱泵只有在應用中達到較高的能效比,才有應用推廣的經濟價值,才具備節能的效果!
     
    下表對各類采暖用能源所產生的費用進行對比(以我國北京情況為例),采暖能耗指數是以電加熱采暖費用為對比依據,電加熱的能耗指數為100,其它各類能源消耗費用和電加熱對比,如熱泵為38,天然氣為44,表明同樣熱值時,只要用到電加熱費用的38%、44%,因此在整個采暖季,熱泵的平均能效只比只要達到2.5,則運行費用就相當于集中供暖,正是因為這一點,當燃燒類的能源越來越緊缺的時候,全世界不約而同把目光轉向了熱泵技術。熱泵作為熱源,另一個特出優點是:可以實現冬季供暖外,還可以實現夏季供冷,這樣可實現客戶利益最大化。
     
     
    各類采暖用能源所產生的費用進行對比(以我國北京情況為例)
     
    北京:--2010-10-17(公告)
     
    一、燃氣(燃油、電)鍋爐非居民供熱價格統一調整為38元/建筑平方米?采暖季。
     
    二、市熱力集團非居民供熱價格調整為33元/建筑平方米?采暖季。
     
    三、燃煤鍋爐非居民供熱價格(直供方式、間供方式)統一調整為28元/建筑平方米?采暖季。
     
    四、本市菲居民熱計量收費計量熱價調整為0.2元/千瓦時(55.56元/吉焦),基本熱價保持18元/建筑平方米?采暖季不變。
     
    2.3空氣能與太陽能
     
    空氣源熱泵的熱能主要來自空氣中的熱能,而空氣中的能量最終來自于太陽輻射能的積累,因此也有人稱這類熱泵為間接太陽能,相比于地源熱泵、水源熱泵,空氣源熱泵最不受地理條件的限制,工程設計上不存在不確定因素,安裝簡單方便,易于維護,非常適合在家庭系統中使用,空氣源熱泵的缺點是受環境氣候的影響明顯,冬季空氣的溫度、濕度都對制熱效率有重大影響,也存在噪音、冷凝水排放等問題,在早期歐洲市場上以地源/水源熱泵為主,近幾年隨著空氣源熱泵技術的發展,其能效缺點得以克服,安裝及維護的便利性促使空氣源熱泵在住宅類項目中,其使用比例越來越高。
     
    空氣能熱泵的應用范圍受到氣候條件的約束,其工作效率與工作溫差成反比。隨著室外溫度的降低,用戶的需熱量不斷增加,空氣源熱泵的制熱量反而隨之減少;即工作溫差越大,工作效率越低,因此空氣能熱泵的關鍵技術在于:
     
    1)提高其工作效率,即制熱能效比;
     
    2)拓寬其對氣候的適應范圍;
     
    太陽能作為一種可再生的清潔能源具有其它能源無可比擬的優勢。我國太陽能資源十分豐富,絕大部分地區年平均日輻射量在4kwh/㎡.d以上,全國2/3以上地區年輻照量大于502萬KJ/㎡,年日照時數在2000小時以上。太陽能取之不盡用之不竭,處處均可開發應用,無需開采和運輸,不會污染環境和破壞生態平衡,符合國家倡導的“建設資源節約型、環境友好型社會”的要求,具有良好的節能減排效果,太陽能技術是可再生能源應用的主要應用方向之一,太陽能應用中的一些難點是:
     
    (1)太陽能的能流密度低,集熱器實際采集到的太陽能輻射照度不高;
     
    (2)太陽能因地而異,因時而變,太陽輻照度全年變化大,一般夏季最大、春秋季節次之、冬季最小,而熱水的需求量剛好與太陽的輻照度相反;
     
    (3)太陽能具有間歇性和不可靠性,受氣候條件等各種因素的影響不能維持常量,特別是連續的陰雨天氣。
     
    空氣能熱泵技術和太陽能技術都存在著一定的局限性,如果空氣能熱泵系統與太陽能系統能夠聯合使用,互相彌補自身的不足,則可大大提高資源利用率,達到最大限度的節能效果。
     
    2.4直流變頻壓縮機技術
     
    變頻技術是相對于定頻技術而言的,傳統的定頻壓縮機其電機特性是固定的,壓縮機的工作點取決于壓縮機機械負載和電機驅動力之間的平衡,因此當系統變化使得壓縮機偏離額定工況時,此時電機為適應負載會偏離其最佳工作點,電機效率下降!變頻技術可以通過改變輸入電的頻率特性來調節電機特性,使其能在較高效率的工作點和機械負載相適應,從而降低壓縮機功率損耗,提高整個機組的效率!對于熱泵空調系統而言,部分負荷工作的時間比例超過80%以上,因此變頻技術能大大提高機組本身能效及實際運行能效。
     
    “直流變頻”是與傳統的“交流變頻”的相比較而言的,交流變頻的電機采用的是傳統的單相或三相異步電機,直流變頻的電機是無刷直流電動機,其轉子為永久磁鐵,一般情況下較交流變頻省電約10%,如果轉子的磁體排列更科學,磁力線集中度更高,再加上采用含稀土釹的磁體,則可較交流變頻省電可高達20%,直流變頻壓縮機和交流變頻壓縮機的比較如下:
     
    1)壓縮機效率提高,直流變頻壓機的效率要比交流變頻的效率提高10%;
     
    2)同樣輸出功率的壓縮機,直流的比交流的體積要??;
     
    3)震動及噪音更低;
     
    4)從驅動算法角度直流要比交流的復雜的多,直流壓縮機的無位置檢測的算法尤其復雜;
     
    因此,在壓縮機行業,最新的變頻技術已明確轉向直流變頻,且逐步向大功率壓縮機發展。
     
    2.5熱泵采暖系統的噪音控制技術
     
    熱泵要在低溫環境下提高能效就意味著要加大空氣流通斷面積或者提高室外機的換熱面積,但增大換熱面積和加大空氣流通斷面積都將意味著機組尺寸的增大。住宅建筑能留給機組安裝的空間都是非常有限的,尺寸增大不僅會導致機組安裝困難也會導致成本增加,在現有機組尺寸下增大風速就必然導致機組噪音增加。噪音對于人的身心健康的影響現在是越來越被人們所重視,噪聲不僅可以干擾人們的日常生活如語言交流、休息睡眠,影響人的心理狀況,降低學習工作效率,甚至引起聽覺、心血管、神經、內分泌等系統的損害,當今生活節奏加快,人們對環境舒適度的要求越來越高,特別在冬季,人的社會活動減少,對周圍環境的噪音越來越敏感,以采暖為主的熱泵,對噪音的控制提出了更高的要求。噪音的控制總體上要從壓縮機、風扇、水泵等運動部件及其引起的相關振動入手,在歐洲,很多情況下采用給熱泵另配消音外殼的辦法來達到目標。
     
    3.技術特征、主要技術指標及創新點
     
    3.1技術特征
     
    本技術針對熱泵機組與太陽能聯動供冷暖和熱水裝置應用在住宅的研究,采用直流變頻技術與蓄能水箱融為一體實現冷熱聯動功能、利用OPRD集成控制進行制冷與制熱的切換及采用按太陽能、變頻空氣源熱泵、燃氣(油)鍋爐、電加熱的優先順序的能源優先等級控制。
     
    本技術是由太陽能、空氣熱能及其它能源組成一個多能源綜合利用系統,做到優先利用太陽能等清潔能源。太陽能是“免費”的能源,但由于初投資大及受天氣影響,在我國的發展,幾乎一直局限在生活熱水領域。而本技術是將太陽能制熱合理地融入到采暖空調系統中,應用到家居住宅,實現能源利用最高效,在國內屬首創。
     
    本技術是多用途系統,實現全新冷熱聯供功能,滿足換熱、儲熱、制熱、供地暖、制冷、除濕等多用途,在國內屬首創。
     
    本技術針對住宅使用特點,從系統集成角度,對地板采暖、風機盤管中央空調及生活熱水三聯供技術實施過程中的關鍵技術難題,創造性的提出了解決方案,包括和地暖結合的水溫控制模式、適用于住宅使用的超靜音風機盤管、管路系統中的關鍵工藝,在國內屬首創,并申請相關專利。
     
    3.2主要技術指標
     
    (1)產品能力以標準工況下的制熱量標稱,包含AVH-12,AVH-24兩個基本型號及多個模塊機型,AVH-12主要技術指標:制熱量5.4KW,COP4.2,制冷量4.6KW,EER12.0,AVH-24主要技術指標:制熱量9.8KW,COP4.5,制冷量8.0KW,EER11.0;工作環境:-25℃—43℃;模塊化組合最大制熱量50KW,制冷量40KW。
     
    (2)采用直流變頻技術與多功能蓄能水箱融為一體,形成高效的機組,實現全新冷熱聯供功能,滿足換熱、儲熱、太陽能盤管、供地暖、制冷、除濕等多用途。
     
    (3)利用OPRD集成控制,進行制冷與制熱的切換,冷熱切換平穩、可靠;多種運行模式選擇:制熱、制冷、熱水、制熱+熱水、制冷+熱水,完全滿足用戶多方面的需要。
     
    (4)采用能源優先等級控制。按太陽能、變頻空氣源熱泵、燃氣(油)鍋爐、電加熱的優先順序,機組智能優先選用清潔能源取暖。
     
    3.3創新點
     
    熱泵和太陽能聯供的住宅冷熱裝置及系統集成技術創新點在于:
     
    (1)通過直流變頻、智能控制等技術,實現從-25℃到43℃環境條件下正常工作;
     
    (2)通過雙系統設置,實現低溫冷水除濕和高溫冷水供冷的兩級冷源,夏季制冷高效節能;
     
    (3)通過超低噪聲高可靠性的壓縮機技術、超低噪聲高效率風扇換熱技術,明顯降低了室外主機噪聲。
     
    (4)本技術在國內外首創應用在家庭住宅,實現制冷、采暖、生活熱水、除濕多聯供,節支節能;
     
    (5)采用能源優先等級智能自動控制的集中供暖控制,次序為:太陽能→熱泵→其它輔助能源,舒適節能;
     
    (6)熱泵室外機組內部結構制造工藝改進和技術創新突破,室內機組的創新工業設計;
     
    (7)針對住宅建筑特點及使用特點,在空氣源熱泵和地板采暖、風機盤管中央空調制冷、內置盤管換熱器儲熱水箱的系統集成應用中,分析了從熱源、室內散熱末端、管路系統、控制系統設計、安裝、維護過程中存在的問題,在水力系統的適應性、管路布置、冷凝水處理、適合家庭的超薄風機盤管、防風雪蚊蟲的熱泵整機結構等方面提出了創造性的解決方案,使得這一成果能順利走向實際應用,具有大范圍推廣的可行。
     
     
    熱立方技術產品的運用示意圖
     
    4.與國內外同類典型產品技術性能的比較
     
    本產品的技術水平對照國外最先進的燃氣壁掛爐、熱泵、太陽能一體機組,技術上達到同等先進水平,產品設計上更符合中國的建筑和氣候特點;與國內通常采用的單一能源利用模式相比,本技術產品先進性體現在:一套設備同時滿足供暖、供冷、除濕和生活熱水;優先利用最廉價的能源;采用直流變頻熱泵技術大大提高了整機的能效比、拓寬了產品使用的環境溫度范圍,提高了產品的可靠性、穩定性。
     
    本技術系統以空氣能熱泵系統為主,太陽能系統為輔,但在運行控制上要優先采用太陽能,并加以充分利用。在供熱運行模式下,生活熱水和室內采暖同時運行,優先熱水模式;在制冷運行模式下,生活熱水主要由太陽能系統供應,室內空調制冷由空氣能熱泵供應,熱泵在太陽能制熱不足時優先熱水模式;在除濕運行模式下,低溫冷水除濕。
     
    本技術產品研發耗時7年,采用直流變頻和模糊控制技術,首先突破空氣源熱泵在冬季采暖遇到的一系列問題,使得空氣源熱泵在冬季采暖領域具備了商業推廣價值,并進而擴展到夏季供冷、一年四季提供熱水,真正做到讓百姓居民買得起、用得起、用得舒服!
     
    本產品在和太陽能聯動技術上,有創造性突破、獲得發明專利一項,軟件著作權一項,及其它實用新型專利。太陽能集熱效率對水溫不敏感,因此太陽能熱優先供應高溫的生活熱水,供應生活熱水有余時,太陽能熱自動轉到室內供暖。
     
    本產品在熱泵和地板采暖、風機盤管中央空調、生活熱水三聯供系統集成技術中,創造性解決了其中的關鍵工藝,并申請實用新型專利。

    5.推廣應用的條件和前景
     
    本技術產品已實現了小批量生產,具備了進一步開發市場和技術產業化的基礎。在國內外已有不少用戶案例,在此基礎上,我們還將針對國內環境氣候情況,在具有不同氣候區特征有代表性的城市建立示范工程,對樣板工程進行長期運行測試,分析總結測試結果,并按照不同氣候區分類歸納,掌握第一手資料,不斷改進和完善樣板工程系統,并將總結積累的經驗推廣應用到各個氣候區的用戶工程中,達到空氣源熱泵高質量、高能效、安全、經濟供暖空調產業化推廣的目的。
     
    本項目預計影響推廣應用的主要因素是因消費者對此技術和產品的陌生而產生的顧忌,影響到最終的購買和選擇,進而影響公司產品的推廣速度及整個產業化的進程。為了使各地的用戶能夠盡快的了解此產品的優勢及節能效果,公司各地的業務人員和各地的經銷機構正在用工程可分期付款的方式盡量減少用戶的顧忌,在當地樹立起樣板工程,再通過已使用用戶對產品的肯定和宣傳配以當地經銷商大量的宣傳及現場演示,擴大產品的影響力和口碑,逐步把整個市場啟動。
     
    我國正在進行城市化進程,綠色環保的理念越來越深入人心,更多的人希望在滿足居家舒適性要求的情況下,盡可能省錢,盡可能節能,盡可能環保,直流變頻等多項高新技術的應用使得本項目達到了“舒適性“和”節能環保“的完美結合,將對傳統家庭空調采暖方式在節能及舒適性方面帶來一次巨大革新,使過去空氣源熱泵僅局限于熱水系統的應用,擴展到采暖、空調和生活熱水的立體應用,使應用的地域從我國長江中下游、西南、華南地區擴展到黃河流域、華北及東北地區,其節能減排的意義將是不可估量的,因此本技術產業化生產一定會有一個廣闊的市場前景。
     
    6.結束語
     
    熱泵和太陽能聯供的住宅冷熱裝置及系統集成技術是一項比較新興的前沿技術,符合當今節能減排、低碳環保、分戶供暖制冷等時代發展大勢,在空氣源熱泵領域占據著十分重要的地位,主導整個分戶供暖制冷系統的快速發展,會帶來巨大的經濟效益和社會效益,具有廣闊是市場前景。
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