北京新农村采暖方案(舒适型)

北京新农村住宅区

土壤源太阳能热泵采暖系统

投资方案(舒适型

)

常州大学太阳能热泵研究所常州海卡太阳能热泵有限公司

日期：2014.10.31

海卡太阳能

海卡太阳能

第一部分工程概况

一、当地气象及太阳能资源

北京位于北纬39°48'，东经116°28'，地处暖温带半湿润地区，气候受蒙古高压的影响，属大陆性季风气候，年降水量600-700毫米。年平均气温偏高，春温夏热秋凉冬冷，无霜期约180－200天。在全国太阳能资源区域划分中属于二类地区，年日照时数达到1919～2571小时，年累计太阳能辐照量达到5600～6000MJ／m2，具有丰富的太阳能资源。

月份Ta

单位℃

1月-4.631

HtHdHbHKtSm

MJ/(m2·d)MJ/(m2·d)MJ/(m2·d)MJ/(m2·d)

9.1433.9365.20815.3090.593200.8

2月-2.22812.1855.2536.93118.4430.595201.5

3月4.53116.1267.1528.97418.4830.584239.7

4月13.13018.7879.1149.67318.2050.541259.9

5月19.83122.2979.95212.34518.4160.561291.8

6月243022.0499.19212.85617.2220.528268.8

7月25.83118.7019.3649.33615.1980.461217.9

8月24.43117.3658.0869.27915.4650.477227.8

9月19.43016.5426.36210.1817.4810.554239.9

10月12.43112.734.9267.80517.0060.556229.5

11月4.1309.2064.0045.20115.1140.558191.2

12月-2.7317.8893.5154.37414.2050.569186.7

注：数据取自郑瑞澄的《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》Ta：月平均室外气温℃；

Ht：水平面太阳总辐射月平均日辐照量MJ／（m2·日）；Hd：水平面太阳散射辐射月平均日辐照量MJ／（m2·日）；Hb：水平面太阳直射辐射月平均日辐照量MJ／（m2·日）；

H：倾角等于当地纬度倾斜表面上的太阳总辐射月平均日辐照量U／（m2·日）；Sm：月日照小时数；Kt：大气晴朗指数。

2

二、工程概况

北京新农村住宅建筑面积面积200M2，本项目工程范围包括室内采暖。系统由“太阳能/地源热泵”提供热源，末端采用地板采暖或风机盘管的形式。

第二部分设计方案

一、设计依据

1、主要设计规范、标准

（1）《采暖通风与空气调节设计规范》（GBJ-2003）

（2）《建筑给排水及采暖工程施工质量验收规范》（GB50242－2002）（3）《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》(JGJ26-95)（4）《建筑工程施工质量验收统一标准》（GB50300-2001）（5）《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）（6）其他必需的规范、规程2、设计基础资料

（1）民用建筑暖通空调设计技术措施；（2）《采暖通风与空气调节设计手册》（3）甲方提供的建筑图纸；

二、采暖负荷计算

（一）室内采暖负荷的计算1、室外计算参数

按《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003确定。

表1、采暖室外计算参数

冬季室外计算干球温度（℃）

－11

冬季室外计算相对湿度（%）

45

室外平均风速（m/s）

2.8

2、室内计算参数

表2、采暖室内计算参数

建筑类型

冬季

办公用房

18℃-22℃

温度及相对湿度

相对湿度≥20%

≤45室内噪声标准db

3、采暖负荷的估算

单位面积采暖负荷按35W/M2计算，则采暖负荷为7KW，每天采暖总热负荷为604.8MJ/d。

三、系统设计

采暖主机采用土壤源太阳能热泵，白天充分利用太阳能热泵作为采暖的热源，多余的太阳能储存在土壤中，在能量不足时利用土壤源热泵作为采暖的辅助热源。保证系统高效、稳定的运行。

主要设备：三合一太阳能热泵主机

系统功能：制冷+采暖+生活热水（可选）采暖末端：地板采暖+散热器；制冷末端：风机盘管辅助能源：土壤源热泵（保证晚上和雨雪天气稳定运行）采暖效果：恒温控制（设定温度±0.5℃）

采暖费用：燃气采壁挂炉采暖的26%；电采暖的20%；

系统原理：

1、土壤源太阳能热泵机组

1.1土壤源太阳能热泵机组工作原理

土壤源太阳能热泵是将地源热泵和太阳能集热系统合二为一的一种装置，在有太阳辐射时，系统转化为太阳能热泵原理制热；在没有太阳辐射时，系统转化为地源热泵原理制热。装置既能保证供热的稳定，又具有相对地源热泵和太阳能集热系统较高的制热效率，节能效果显著。太阳能/地源热泵在满足冬季供暖的同时，还能提供夏季空调和全年的卫生热水。

工作原理：利用卡诺循环的原理，将太阳能集热板制成太阳能集热蒸发器，集热蒸发器中的制冷剂工质直接吸收太阳能辐射能（太阳能热泵工况）和地热能（地源热泵工况）低温蒸发，经压缩机压缩排出高温高压的制冷剂蒸汽进入高温冷凝器冷凝放热，冷凝液在高低压差的作用下通过热力膨胀阀降压降温进入蒸发器中吸热蒸发，从而形成一个热泵工作循环。实现了花少量的电能，将大量的热能从低温热源向高温热源的输送，输送的热量除以所花电能称为热泵的能效比（COP）。通常，在太阳能热泵工况下，COP值高达6-10。

1.2太阳能/地源热泵机组的优点

太阳能和地热能都属于绿色可再生能源，土壤源太阳能热泵将太阳能光热转化和地源热泵相结合的一个技术，既解决了各自的缺点，取长补短，又放大了各自的优点，使得系统效率更高、运行更稳定。

A、高效——制热COP高达5.0以上，制冷COP高达6.0以上

①采用高效热泵压缩机；②采用高效蒸发器和冷凝器；

③各组件的最佳匹配，氟路系统的优化设计，使得系统达到最佳出力；④控制太阳能集热蒸发器的蒸发温度≥15℃；

⑤太阳能集热蒸发器集热效率高达75%以上，较常规太阳能集热器集热效率大大提高。

B、节能——节能80%以上

充分利用太阳能和地热能这种免费的低温热源，花费1/5的电能将低温热源提升到可用的高温热源，节能80%以上。C、环保——太阳能/地热能

①不向环境中排放热空气，不会产生热岛效应；

②太阳能和地热能是绿色可再生能源，有利于环境的改善。

D、可靠——不受阳光、天气和土壤的影响

①由于采用了地热能作为辅助能源，系统稳定运行，不受太阳能辐照强度变化的影响，免除了纯太阳能采暖热源不稳定的缺点；

②由于太阳能和地热能不受环境温度的影响，免除了空气源热泵在低温环境下结霜无法运行和效率低的缺点；

③地源热泵采暖以土壤作为低温热源，持续取热会造成土壤温度的持续下降，造成系统效率下降或无法正常运行。太阳能/地源热泵采暖，白天利用太阳能，且将多余的能量储存在地下土壤中以利晚上取用，系统间隙从土壤中取热，利于土壤温度的恢复，保证了系统始终处于高效区运行。

④整机寿命15年（其中压缩机开机100000小时，启停500000次）。E、安全——不冻、不失衡

①采用制冷剂（R134a等）作为热泵工作液，R134a的冰点温度为-101.3℃，彻底解决了平板太阳能集热器的冬季防冻问题；

②在北方地区，以采暖取热为主，夏季空调放热负荷远小于冬季取热负荷，造成全年的取/放热不平衡，运行几年以后会造成土壤温度失衡，系统崩溃。而采用太阳能/地源热泵采暖空调系统，由于有太阳能的补热，使得全年的取/放热平衡。

③氟系统设置了高压和低压保护；

④电气设置了多重保护，如过载保护，漏电保护、缺相保护、相序保护等。F、省钱——较常规空调运行费用节省50%以上

相比于常规空调运行费用节省50%以上。G、省力——全自动运行

土壤源太阳能热泵空调机组全自动运行，省却了燃煤蒸汽锅炉专职锅炉操作工。H、省心——人性化的操作界面

人性化的操作界面，可以任意设置运行模式（制冷模式、采暖模式、热水模式和储能模式）、运行时间和运行方式——并且可以根据人体需求设置好不同时间区间内不同的空调温度值。

1.3太阳能热泵/地源热泵机组运行模式及工况分析

土壤源太阳能热泵空调系统由太阳能集热蒸发器、地埋管系统、土壤源太阳能热泵主机、空调末端（风机盘管（冷暖）、地板采暖）、管路和控制系统组成。

土壤源太阳能热泵空调系统由三种控制模式四种不同工况组成。三种控制模式包

含：制冷模式、制热模式和储能模式，其中制冷模式只有一种工况，即地热能制冷工况；制热模式有三种工况，即太阳能热泵制热模式、地热能热泵制热模式和太阳能热泵储能模式；储能模式即太阳能热泵储能模式

1.3.1制冷模式——地热能制冷工况。地埋管作为散热器，将建筑物内的热量通过热泵主机转移到地下。

1.3.2采暖模式——分为太阳能热泵采暖、地热能热泵采暖和储能三种工况

A、太阳能热泵采暖模式：太阳能热泵工况制热量能够满足室内采暖需要时，通过板换、采暖末端直接提供室内采暖。

B、储能模式：当太阳能热泵工况产生的热量高于室内末端需求的热量是：一部分热量通过板式和采暖末端对室内供热；一部分热量通过地埋管储热系统储存在地下土壤中。C、地热能热泵采暖：当室外没有太阳辐射时，地埋管储热系统释放出热量作为热泵的热源，通过板式和采暖末端对室内供热。

1.3.2储能模式——用于春秋夏三季，将太阳能量储存在地下土壤中，以备冬季取用。

1.4土壤源太阳能热泵空调机组主要型号及技术参数

制热工况（风机盘管）：

太阳能工况：太阳能集热板芯温度：15℃，冷冻水进/出水温：40℃/45℃；地热能工况：冷却水进/出水温：5℃/10℃，冷冻水进/出水温：40℃/45℃；制热工况（地板采暖）：

太阳能工况：太阳能集热板芯温度：15℃，冷冻水进/出水温：31℃/36℃；地热能工况：冷却水进/出水温：5℃/10℃，冷冻水进/出水温：31℃/36℃；

2、土壤源太阳能热泵机组选型

选择土壤源太阳能热泵机组的原则是，在满足采暖负荷的基础上尽量节能和降低初投资。根据前面计算，采暖设计负荷为7KW，室内末端采用地板采暖。则选择型号为SHP-A/L-007土壤源太阳能热泵机组1台，性能参数如下。

机组型号

SHP-A/L-007

数量

（台）制冷量

（kW）1

6.681

制冷工况耗电量（kW）1.135

COP5.9

太阳能制热工况制热量（kW）8.988

耗电量kW）1.418

COP6.3

地热能制热工况制热量（kW）6.929

耗电量（kW）1.331

COP5.2

注：制冷工况：冷却水进/出水温：20℃/25℃，冷冻水进/出水温：12℃/7℃；

制热工况（地板采暖）：

太阳能工况：太阳能集热板芯温度：15℃，冷冻水进/出水温：31℃/36℃；地热能工况：冷却水进/出水温：5℃/10℃，冷冻水进/出水温：31℃/36℃；

运行工况如下：

夏季：由于北京地区夏季空调所需负荷较小，热泵主机装机制冷量为6.681KW，即可满足需要；

冬季：白天系统主要工作在太阳能工况，额定制热量为8.988KW，大于设计负荷7KW，多余的能量储存在地板中；晚上系统工作在地热能工况，额定制热量为6.681KW，满足设计负荷7KW。

3、太阳能集热蒸发器面积校核（1）太阳能集热蒸发器提供热负荷

每天采暖总热负荷为604.8MJ，太阳能热泵和地源热泵各提供一半采暖负荷，即302.4MJ，则太阳能集热蒸发器需提供的热负荷由下式计算：

Q

1Q1

COP



其中：Q——太阳能集热蒸发器提供的热量，MJ；

Q——太阳能热泵提供的总热负荷，302.4MJ；

COP——设计工况下太阳能热泵机组的制热系数，取6.3。

。计算得：Q252MJ（2）太阳能集热蒸发器面积

太阳能集热蒸发器的布置以满足冬季采暖为主。本工程集热器安装角度为40（当地纬度）。则集热器阵列每天提供的能量按下式计算。



AQ/(fHJ(1S))

其中：Q：热负荷，252MJ；

A：集热器面积；

(2)

H：倾角等于当地纬度倾斜表面上的太阳总辐射月平均日辐照量MJ／（m2·d），北京采暖季为11月15号-3月15号，H取11、12、1、2、3月的平均值，为16.311MJ／（m2·d）

f：太阳能保证率,无因次；按晴好天气计算，f=1ηJ:集热器全日集热效率，取0.75；

ηs:管路及储水箱热损失率，由于太阳能热泵主机安装在室内，取0；计算得到：A=20.6M2，采用规格1000×2000×80（mm）的太阳能集热蒸发器共10块。

（3）太阳能集热蒸发器阵列布置

设计太阳能集热蒸发器面积为20.6M2，采用规格1000×2000×80（mm）的太阳能集热蒸发器共10块，组成5×2的阵列。每块集热蒸发器均采用并联的方式连接，由流量分配补偿器控制每一块板的流量，阵列布置、管道连接图详见施工图。

4、地下换热/储热——地下垂直埋管热交换系统

a、埋管形式：

地源热泵的地下埋管形式有竖直埋管和水平埋管两种形式，本工程中，采用竖直埋管中的双U型管。采用制作成型的双U型管，可节约用地面积，换热性能好，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积；同时，垂直U型管还具有管路接头少、承压能力强、不易泄露等优点。

b、管材的选取

由于工程的所有埋管均在地面下，一旦将埋管埋入，就不可能进行维修或更换，这就要求保证埋管的化学性质稳定并且耐腐蚀。根据地源热泵施工规范要求选择高密度聚乙烯PE100管。额定承压能力1.6Mpa，导热系数0.42W/(m·k)。

c、管路设计计算

根据现场地质情况，初步设计采用打井深度为101.5m（埋管深度100M）的DN25双U型埋管形式。

在北方，冬季采暖从土壤中的取热要大于夏季制冷向土壤的排热，地埋管设计按冬季工况设计，冬季从热源中吸取的热量：

1Q2Q21COP2

Q其中：2——冬季从土壤中吸取的热量，KW；

Q2——冬季设计总热负荷，7KW；

COP1——设计工况下地源热泵机组的制热系数，取5.2。

Q2计算得到：=5.65KW。

根据在北京地区对双U（φ25×2.3）的热响应实验数据。冬季，在进/出地埋管温度为7℃/10℃的工况下，垂直埋管换热为30W/m(井深)。所以根据系统的设计热负荷及以上数据，可计算得打井数量与埋管长度。

地源系统打井数量与埋管长度

冬季

设计冷负荷（KW）与土壤的换热量（KW）打井数量（口）竖埋管长度（米）

75.652800

竖井沿建筑物基础外2.5m处均匀布置。孔横间距5m，竖向间距5m，孔口直径在145mm左右，孔内直接埋设双U型（φ25×2.3）PE管道；管道内循环介质采用防冻溶液。4、室内末端选型及设计

考虑到不破坏原装修，室内末端：冬季采用地板采暖，夏季采用风机盘管的形式，出风形式为下出顶回

第三部分系统配置及投资

这里系统配置及投资只考虑冬季采暖，详见表6：

表6、系统配置与投资

序号12345

分类项目土壤源太阳能热泵机组垂直埋管地板采暖（采暖）风机盘管系统（制冷）

合计

规格SHP-A/L-007

¢135DN16FP-3.5

单位台MM

2

数量1200200200

单价（元）[1**********]

总价（元）[***********]0066000

备注含太阳能集热

板

土建甲方负责

M

2

注：1、室内风机盘管系统，80元/M2，即16000元；

2、如考虑增加全年热水，增加150L或200L盘管水箱和主机热回收装置，即5000元；3、如冬季采暖也采用风机盘管，则总投资为54000元。

第四部分经济性能分析

一、初投资分析

初投资包括整个系统的冷/热源部分以及空调末端。为便于投资分析，以下就土壤源太阳能热泵空调系统（SHP-A）与常规“燃气壁挂炉+壁挂分体空调”空调系统初投资进行分析。

单位：万元

序号11.11.222.12.23

系统配置冷/热源部分

热源冷源室内末端风机盘管（制冷）地板采暖（采暖）

合

计

1.61.26.6

1.25.6

2

SHP-A①3.7

燃煤热水锅炉+壁挂

分体空调②

3.5

2.42.0

备注

②燃气壁挂炉②壁挂分体空调

注：1、燃气壁挂炉费用包括：①壁挂炉8000元（含安装费）；②天然气管道建设费80元/M，计16000

元，合计24000元。

2

2、壁挂式分体空调：100元/M，计20000元。

二、运行费用分析2.1冬季采暖费用

采暖负荷：7KW，每天开放24小时，则每天所需采暖总热负荷为604.8MJ。设采暖季为4个月120天，以下就两种系统运行费用进行详细分析（由于末端均采用地板采暖的形式，热水循环泵运行费用没计算）：

热源方式燃气壁挂炉

能源种类天然气

燃烧热值7800kcal/m3

热效率80%

单价2.8元/m3

每天运行费用

（元）64.81

16.8

全年运行费用

（元）7778

2016

土壤源太阳能电0.52元/kwh860kcal/kwh520%能热泵采暖

注：土壤源太阳能热泵系统能效比5.0，已包括水源测泵的运行功率。

从上表可以看出，一个采暖季节省费用5762元。2.2夏季空调费用

考虑到夏季实际是使用空调较少，空调负荷取6.68KW，每天24小时，则每天所需制冷总负荷为577.152MJ。以下就各种系统运行费用进行详细分析：

A、土壤源太阳能热泵供冷

土壤源太阳能热泵机组全天制冷平均能效率（COP）5.9。则每天所需耗电为：577.152×103/(5.9×3600)=27.17Kwh，电价为0.52元/Kwh，每天费用为14.13元，整个夏季空调期90天，总费用为1272元。B、壁挂式空调

壁挂式空调全天制冷平均能效率（COP）为2.4。则每天所需耗电为：577.152×103/(2.4×3600)=66.8Kwh，电价为0.52元/Kwh，每天费用为34.74元，整个夏季空调期90天，总费用为3126元。

一季冷空调节省的费用为：1854元。2.3全年空调节省费用

全年空调节省费用：5762+1854=7616元。三、经济性能分析

从以上分析可知，采用土壤源太阳能热泵空调的方式初投资较“燃气壁挂炉+壁挂分体空调”空调系统稍高（1.0万元），如采暖末端也采用风机盘管，则出投资基本相等。但运行成本及管理费用远为降低，土壤源太阳能热泵空调系统一年运行费用（采暖+制冷）为3288元，“燃气壁挂炉+壁挂分体空调”空调系统一年运行费用（采暖+制冷）为10904元，一年节省的运行费用7616元，1.31年即可收回超出部分投资。

另外，土壤源太阳能热泵空调系统运行稳定、安全可靠、健康舒适。因此，是办公、宾馆、学校等公共建筑和民用住宅理想的空调配套设施。