鄭州市惠濟(jì)區(qū)古滎鎮(zhèn)曹村坡村農(nóng)房節(jié)能改造——太陽能和地源熱泵復(fù)合采暖技術(shù)

中國建筑科學(xué)研究院 ■ 鄒瑜 李驥 劉晶

河南省建筑科學(xué)研究院有限公司 ■ 杜永恒

一 工程概況

該示范工程位于鄭州市惠濟(jì)區(qū)古滎鎮(zhèn)曹村坡村，建于2008年9月，建筑面積130m2，磚混結(jié)構(gòu)，共一層，層高3600mm。外墻為240mm粘土實(shí)心磚；外窗為塑鋼雙層玻璃窗；平屋頂，屋面為80mm現(xiàn)澆鋼筋混凝土板。建筑南向外墻為面磚飾面，東、西、北向外墻均為淺色涂料飾面。室內(nèi)冬季無采暖設(shè)施，夏季依靠開窗開門通風(fēng)和風(fēng)扇降溫。建筑平面圖如圖1所示。

圖1 鄭州市惠濟(jì)區(qū)古滎鎮(zhèn)曹村坡村示范農(nóng)居平面圖

二 地源熱泵與太陽能復(fù)合采暖空調(diào)技術(shù)

1 系統(tǒng)介紹

鄭州地區(qū)屬于寒冷地區(qū)，夏季需要空調(diào)，冬季需要采暖。針對這種情況，為項(xiàng)目設(shè)計(jì)了太陽能復(fù)合土壤源熱泵系統(tǒng)(機(jī)組額定制冷量8.8kW，額定制熱量7.9kW，輸入功率2.1kW，太陽能水箱200L)(圖2)。

地源熱泵與太陽能復(fù)合采暖空調(diào)技術(shù)利用地源熱泵作為主要熱源，太陽能集熱器作為輔助熱源，共同提供熱量用于寒冷地區(qū)村鎮(zhèn)建筑冬季采暖和夏季空調(diào)。該技術(shù)充分利用土壤的環(huán)境熱能和太陽能對環(huán)境無污染、無破壞的特點(diǎn)，是很好的節(jié)能環(huán)保采暖技術(shù)。在農(nóng)村院落內(nèi)埋設(shè)地盤管，屋頂上安裝太陽能集熱器，建筑內(nèi)設(shè)置帶風(fēng)機(jī)的水源熱泵機(jī)組，由熱泵機(jī)組直接引風(fēng)管至各個(gè)采暖房間送風(fēng)。冬季水源熱泵機(jī)組通過循環(huán)水從地埋管吸收熱量，加熱室內(nèi)空氣，供給室內(nèi)熱量；太陽能系統(tǒng)在集熱器水溫足夠時(shí)，向水源熱泵機(jī)組循環(huán)水提供熱量，以增大水源熱泵機(jī)組的供回水溫差，達(dá)到節(jié)能的效果。夏季水源熱泵機(jī)組通過循環(huán)水從地埋管吸收冷量冷卻室內(nèi)空氣，達(dá)到降溫目的。該技術(shù)已在鄭州惠濟(jì)區(qū)古滎鎮(zhèn)曹村坡農(nóng)居節(jié)能改造中進(jìn)行示范。

圖3 太陽能復(fù)合土壤源熱泵系統(tǒng)圖

2 太陽能－地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

(1)采用太陽集熱器輔助熱源供熱時(shí)，熱泵機(jī)組的蒸發(fā)溫度提高，使得熱泵壓縮機(jī)的耗電量減少，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用；

(2)在夏季夜間運(yùn)行時(shí)太陽集熱器可作為輔助散熱設(shè)備，從而減少了夏季向地下的排熱量，使地溫在數(shù)年內(nèi)保持穩(wěn)定，以保證機(jī)組在高效率下運(yùn)行；

(3)在冬季運(yùn)行時(shí)由于蒸發(fā)溫度提高，使得用戶側(cè)出水或空氣出口溫度上升，舒適性提高；

(4)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)可按照夏季工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而減小了地下?lián)Q熱器的容量，降低了地源熱泵地下部分的投資。

3 投資分析

地埋管太陽能復(fù)合式采暖、空調(diào)系統(tǒng)相對于常規(guī)系統(tǒng)初投資較大，目前在農(nóng)村大面積應(yīng)用還不現(xiàn)實(shí)，本項(xiàng)目可作為該系統(tǒng)在農(nóng)村應(yīng)用的一個(gè)探索和示范，積累經(jīng)驗(yàn)。該項(xiàng)目實(shí)施過程中，工程總造價(jià)為36090元。項(xiàng)目中，太陽能熱水器系統(tǒng)(7500元)是為了滿足夏季生活熱水的需求，在增投資計(jì)算中不應(yīng)計(jì)入。因此，該系統(tǒng)實(shí)際投資為28590元。

對于該建筑，如采用常規(guī)采暖、空調(diào)系統(tǒng)，冬季采用土暖氣系統(tǒng)采暖成本約為6000元；夏季利用房間空調(diào)器降溫，夏季需要房間空調(diào)器制冷容量約為7.5kW，電功率約為2.5kW，即3.4匹，市場上現(xiàn)在每匹空調(diào)售價(jià)約為2500元，一次投資約為8500元。房間空調(diào)器壽命約為10年左右，而水環(huán)熱泵壽命約為20年，因此在水環(huán)熱泵壽命周期內(nèi)房間空調(diào)器需要更新一次，成本應(yīng)為17000元。因此，采用常規(guī)土暖氣采暖、房間空調(diào)器制冷降溫系統(tǒng)(20年的使用壽命內(nèi))總投資為23000元。

冬季利用土暖氣系統(tǒng)采暖，保持房間溫度14℃，建筑全年采暖耗煤量為3.12t標(biāo)煤，空調(diào)耗電907kWh。如果考慮標(biāo)煤成本為800元/t，電價(jià)為0.55元/kWh，每年節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用為951元。因此，靜態(tài)投資回收期為：

系統(tǒng)投資回收期=增投資/運(yùn)行費(fèi)用差值=(28590?23000)/951=5.87年

4 土壤源熱泵系統(tǒng)測試與模擬比對

2009年12月～2010年1月、2010年7～8月，中國建筑科學(xué)研究院聯(lián)合河南省建筑科學(xué)研究院分別對地埋管空調(diào)系統(tǒng)的冬夏季工況進(jìn)行了測試。檢測內(nèi)容包括：室內(nèi)外溫濕度、冷凝器(或蒸發(fā)器)(地埋管側(cè))進(jìn)出口水流溫度、流量等。同時(shí)對該項(xiàng)目在能耗模擬軟件TRNSYS中建模，進(jìn)行全年逐時(shí)關(guān)鍵參數(shù)的分析，測試數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算數(shù)據(jù)比對如圖5、圖6所示。

圖5 采暖地埋供水溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算數(shù)據(jù)比對

圖6 空調(diào)試驗(yàn)過程中某天地埋供水溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算數(shù)據(jù)比對

由以上結(jié)果可知，實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)較接近，驗(yàn)證了模擬計(jì)算具有一定的精度和合理性。該系統(tǒng)由于地埋管進(jìn)出口水溫工況適宜，尤其是夏季工況，地埋管進(jìn)出口水溫約20℃，系統(tǒng)能效較高。建筑全年采暖能耗為3179kWh，采暖系統(tǒng)COP為3.28，建筑全年空調(diào)能耗為537kWh，系統(tǒng)COP為5.40。

5 室內(nèi)溫度測試

2009年12月～2010年1月、2010年7～8月，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取節(jié)能措施前后的室內(nèi)最低、最高和平均溫度進(jìn)行了對比，見表1。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能前后的室內(nèi)最低、最高和平均溫度對比

土壤源熱泵與太陽能復(fù)合系統(tǒng)運(yùn)行期間，冬季室內(nèi)平均溫度約16.3℃，夏季室內(nèi)平均溫度約25.5℃，既能滿足冬季采暖需求，又能滿足夏季空調(diào)需求，同時(shí)可解決農(nóng)村生活熱水問題，提高了村民的生活品質(zhì)。