農(nóng)村戶用光伏帶動地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)簡析

1、農(nóng)村戶用光伏帶動地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)簡析目前在邊遠(yuǎn)地區(qū)和經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)的農(nóng)村，居民采暖問題迫切需要改善。解決農(nóng)村的采暖問題應(yīng)是新農(nóng)村建設(shè)中能源問題的重要方向。在目前節(jié)能減排不允許建設(shè)燃煤鍋爐的大背景下，地源熱泵技術(shù)因其綠色環(huán)保、節(jié)能清潔、控制設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)是一個很好的解決方案，再利用太陽能光伏發(fā)電帶動地源熱泵工作，可以實(shí)現(xiàn)一次性安裝，“零”運(yùn)行費(fèi)用的解決方案。一、技術(shù)簡析可以考慮采用太陽能光伏帶動土壤源熱泵系統(tǒng)、太陽能光伏帶動空氣源熱泵系統(tǒng)兩個技術(shù)方案。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)目前已經(jīng)是成熟的發(fā)電技術(shù)，通過安裝太陽能光伏板，配套逆變器即可在晴天產(chǎn)生220V/380V電流，再配套蓄能裝置可以實(shí)現(xiàn)夜間和陰雨

2、天氣的供電。地源熱泵和空氣源熱泵目前也是成熟穩(wěn)定的技術(shù)，所以從技術(shù)角度分析是可行的。 屋頂光伏照片戶用地源熱泵示意圖戶用地源熱泵照片二、投資和占地面積簡析以100m2農(nóng)戶為例，終端冷負(fù)荷100w/ m2，熱負(fù)荷80 w/ m2。1)太陽能光伏帶動土壤源熱泵系統(tǒng)地源熱泵的COP值大約為4，需要一臺功率2.5kW土壤源熱泵。太陽能光伏系統(tǒng)單千瓦造價大約10000-11000元（咨詢保定英利，含組件、支架、電纜、逆變器等），1kW發(fā)電需要4塊250w光伏板（單晶硅），每塊光伏板的尺寸為1650mm*990mm。2.5kW總造價約2.5萬元，光伏板面積大約16.3 m2。地源熱泵系統(tǒng)單平米投資大約25

3、0-300元，100 m2大約需要2.5萬元。需要打2口120米深地?zé)嶝Q井，占地面積大約12 m2。具體計算如下：1）計算地埋管換熱器的最大換熱量地埋管換熱量分別是指夏季向土壤排放的熱量和冬季從土壤中吸收的熱量。根據(jù)如下公式計算土壤性換熱器的換熱量Q1= Q1 ×（1+1/COP1） Q2= Q2 ×（1-1/COP2）其中：Q1：夏季向土壤排放的熱量，kWQ1 ：夏季設(shè)計總冷負(fù)荷，kWQ2：冬季向土壤吸取的熱量，kW Q2 ：冬季設(shè)計總熱負(fù)荷，kWCOP1：設(shè)計工況下地源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)COP2：設(shè)計工況下地源熱泵機(jī)組的供熱系數(shù)本方案總冷負(fù)荷為10kW，總熱負(fù)荷為8kW

4、；地源熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)COP1取5.5，供熱系數(shù)COP2為4.2。Q1= Q1 ×（1+1/COP1）=10×(1+1/5.5)= 11.8kWQ2= Q2 ×（1-1/COP2）=8×(1-1/4.2)= 6.1kW即系統(tǒng)夏季最大總排熱量為11.8kW，冬季最大總吸熱量為6.1kW。2）豎井埋管管長單位管長換熱量與地質(zhì)結(jié)構(gòu)成分有密切關(guān)系，而且各地質(zhì)層傳熱性能各有差異，在建立模型計算方面比較困難，而且也存在一定的誤差，根據(jù)東營地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)來計算單位管長的換熱量，即單位孔深排熱量按55W/m，單位孔深吸熱量按35W/m。（單位換熱量可根據(jù)該項(xiàng)目巖土熱響

5、應(yīng)測試后的實(shí)際情況調(diào)整）。 按排熱量計算地埋管的長度，計算公式如下：L1= Q1×1000/W1L1：豎井總深度，mQ1：換熱器總排熱量，kWW1：單位孔深排熱量，w/m 因此：豎井總深度：L1=Q1×1000/W1=11.8×1000/55=214m按吸熱量計算地埋管的長度，計算公式如下：L2=Q1×1000/W2L2：豎井總深度，mQ2：換熱器總吸熱量，kWW2：單位孔深吸熱量，w/m 因此：豎井總深度：L2=Q2×1000/W2=8×1000/35=110m采用按排熱量計算結(jié)果作為埋管長度，多余部分熱量用于制取熱水，則豎井總深度

6、L=214m。3）豎井?dāng)?shù)量常規(guī)豎井深度為120m左右。(如果地下有巖層或其他硬物，則需另外考慮)。計算豎井?dāng)?shù)目：N=L/H其中：L：豎井總深度，m N：豎井口數(shù)，個 H：單口豎井深度，m 本項(xiàng)目豎井深度H=120米，因此N=L/H=214/120=1.8，取整數(shù)為2口，則本項(xiàng)目室外地埋管總設(shè)計豎井?dāng)?shù)為2口。4）豎井間距埋管孔徑約為120mm-150mm，下管深度120m，立管采用DE25的HDPE高密度聚乙烯管單U管。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計井間距為4m，既能滿足換熱的需求，又能節(jié)省埋管空間。地埋管采用垂直埋管，地埋管深度為120m，埋管井間距按4m計算，地埋管系統(tǒng)一般埋深1.52m以下，不影響地面

7、的使用。豎井總占地面積S=3×4=122) 太陽能光伏帶動空氣源熱泵系統(tǒng)空氣源熱泵的COP值大約為3，需要一臺功率3.3kW空氣源熱泵。太陽能光伏系統(tǒng)千瓦造價大約10000-11000元（咨詢保定英利，含組件、支架、電纜、逆變器等），1kW發(fā)電需要4塊250w光伏板（單晶硅），每塊光伏板的尺寸為1650mm*990mm。3.3kW總造價約3.3-3.6萬元，光伏板面積大約21.6 m2。空氣源熱泵系統(tǒng)單平米投資大約180-220元，100 m2大約需要1.8-2.2萬元，占地面積大約2 m2。綜上所述，采用太陽能光伏帶動地源熱泵系統(tǒng)，每戶大約需要投資5萬元，光伏板占地面積約16m2，

8、地埋管占地面積約12m2，地源熱泵機(jī)組占地面積約0.5 m2。采用太陽能光伏帶動空氣源熱泵系統(tǒng)，每戶大約投資5.4萬，光伏板占地面積大約21.6 m2，空氣源熱泵機(jī)組占地面積約0.5 m2。三、運(yùn)行簡析1) 太陽能光伏帶動地源熱泵系統(tǒng)夏季：太陽能光伏發(fā)電一方面維持地源熱泵機(jī)組運(yùn)行，另一方面利用地源熱泵不運(yùn)行時間，對蓄電池進(jìn)行充電，夜間通過蓄電池維持地源熱泵運(yùn)行，剩余發(fā)電量用于自用或者上網(wǎng)。另外還可以利用地源熱泵回注側(cè)熱水，通過換熱器制取熱水供洗浴等生活用熱水。冬季：太陽能光伏發(fā)電一方面維持地源熱泵機(jī)組運(yùn)行，另一方面利用地源熱泵不運(yùn)行時間，對蓄電池進(jìn)行充電，夜間通過蓄電池維持地源熱泵運(yùn)行，剩余發(fā)

9、電量用于自用或者上網(wǎng)。另外還可以增加換熱器制取熱水供洗浴等生活用熱水。春秋過渡季節(jié)：此時房間沒有空調(diào)要求，可用太陽能光伏所發(fā)的電用于自用或者上網(wǎng)，也可以利用地源熱泵制取生活用熱水。2) 太陽能光伏帶動空氣源熱泵系統(tǒng)夏季：太陽能光伏發(fā)電一方面維持空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行，另一方面利用地源熱泵不運(yùn)行時間，對蓄電池進(jìn)行充電，夜間通過蓄電池維持空氣源熱泵運(yùn)行，剩余發(fā)電量用于自用或者上網(wǎng)。可利用空氣源熱泵的排熱用于制取生活用熱水。冬季：太陽能光伏發(fā)電一方面維持空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行，另一方面利用地源熱泵不運(yùn)行時間，對蓄電池進(jìn)行充電，夜間通過蓄電池維持空氣源熱泵運(yùn)行，剩余發(fā)電量用于自用或者上網(wǎng)。因空氣源熱泵制熱功率

10、比制冷功率要大，可將多出的這部分制熱功率用于制取熱水。春秋過渡季節(jié)：此時房間沒有空調(diào)要求，可用太陽能光伏所發(fā)的電用于自用或者上網(wǎng)，還可以利用空氣源熱泵制取生活用熱水。四、市場優(yōu)劣勢簡析1、優(yōu)勢1）“零”能耗，概念領(lǐng)先；2）節(jié)能環(huán)保，社會效益和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益顯著；3）冷、暖、熱水聯(lián)供效果均比較好（傳統(tǒng)空調(diào)冬季制熱效果差）。2、劣勢1）初始投資高，5萬元左右，傳統(tǒng)空調(diào)投資大約1.5萬左右；2）系統(tǒng)相對復(fù)雜，穩(wěn)定性方面較傳統(tǒng)空調(diào)稍差；3）系統(tǒng)相對復(fù)雜，運(yùn)行控制、檢修維護(hù)方面較傳統(tǒng)空調(diào)稍差。五、初步結(jié)論該方案在技術(shù)上是可行的，如投入市場應(yīng)用，需進(jìn)行專項(xiàng)技術(shù)深入研發(fā)，在系統(tǒng)的匹配性、穩(wěn)定性、控制方便性、整

11、體結(jié)構(gòu)緊湊性、安裝方便性等方面進(jìn)行研發(fā)設(shè)計。由于初始投資較高，一般農(nóng)戶家庭很難接受此價位空調(diào)系統(tǒng)，在單個農(nóng)戶市場推廣上有很大的難度。六、類似技術(shù)1、格力空調(diào)研發(fā)的“格力光伏變頻離心機(jī)系統(tǒng)”此技術(shù)是將太陽能與永磁同步變頻離心機(jī)結(jié)合起來，可直接在不加任何DC/DC穩(wěn)壓環(huán)節(jié)的情況下使用太陽能供電，與太陽能直流系統(tǒng)對接，還可將余電發(fā)給市網(wǎng)，并通過發(fā)用電一體化群控管理系統(tǒng)對系統(tǒng)進(jìn)行智能化管理和調(diào)度。單平米的價格在800-900元。2、直膨式熱泵輔助太陽能熱水新系統(tǒng)流程是將太陽能集熱器與熱泵蒸發(fā)器合二為一，太陽能集熱器同時作為熱泵的蒸發(fā)器，制冷劑直接在太陽能集熱器中蒸發(fā)，可以大大提高熱泵制取熱水的效率，在

12、制冷量提升方面沒有優(yōu)勢，適用于單一供熱型市場，由于含太陽能制熱，投資成本也很高。3、 太陽能吸收式制冷技術(shù)與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行 太陽能與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)多設(shè)計成夏季采用地源熱泵系統(tǒng)制冷，冬季采用太陽能熱泵與地源熱泵聯(lián)合供熱。但建筑物夏季所需冷負(fù)荷要大于冬季所需熱負(fù)荷，而熱泵機(jī)組又往往都是制熱量大于制冷量(通常熱泵機(jī)組的制熱量是制冷量的 1.11.3倍)。因此在機(jī)組選擇時，如果按夏季冷負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)選擇機(jī)組，會導(dǎo)致機(jī)組的制熱能力大大超出建筑物的熱負(fù)荷需求。而若按照冬季熱負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)選擇，則會出現(xiàn)夏季制冷量不夠。 地源熱泵機(jī)組可按照冬季熱負(fù)荷進(jìn)行選擇，夏季冷負(fù)荷不足部分以太陽能吸收式制冷作補(bǔ)充。這樣不僅可

13、以降低地?zé)釗Q熱器的初投資，而且還可以使地?zé)釗Q熱器間歇運(yùn)行，土壤溫度場得到及時恢復(fù)。 近年來太陽能吸收式制冷技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。在太陽能集熱器方面，平板型集熱器、真空管型集熱器都已在市場上推廣應(yīng)用。在制冷機(jī)方面，適合于太陽能利用的吸收式制冷機(jī)也有了很大的發(fā)展，低溫?zé)崴蛢杉壩帐戒寤囍评錂C(jī)的熱源溫度只需60以上。同時，如以溫度為80以上的熱源驅(qū)動單效吸收式制冷機(jī)，其系統(tǒng)的COP值可達(dá)到0.7；而若溫度低于80，可用其驅(qū)動雙效吸收式制冷機(jī)，則系統(tǒng)的COP值約為0.35。所以可以冬季采用太陽能熱泵與地源熱泵聯(lián)合供熱，夏季采用太陽能吸收式制冷與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行制冷。 此項(xiàng)技術(shù)由于采用光熱、溴化鋰制冷等吸收式熱泵，所以單千瓦投資更高。 七、建議以上類似技術(shù)和太陽能帶動地源熱泵系統(tǒng)，均存在初步投資高的硬傷，很難打開農(nóng)村戶用市場。太陽能帶動地源熱泵系統(tǒng)造價高的主要原因是光伏發(fā)電部分造價高，受光伏價格拉升導(dǎo)致整個系統(tǒng)價格偏高，光伏發(fā)電的投資回收期在10年左右，所以搞聯(lián)合運(yùn)行，在經(jīng)濟(jì)上不理想。建議此類項(xiàng)目可以打造出“零”能耗、節(jié)能環(huán)保等概念，在別墅類高端項(xiàng)目進(jìn)行市場開發(fā)；另外也可以將此類項(xiàng)目在