新闻来源：天津大学机械学院热能工程系 作者：宋德坤 王华军 赵军 李丽梅
日期：2005-11-29
全球范围内能源危机与环境的日益恶化，以化石燃料为主的城市集中供热系统带来的建筑能耗和环境污染等问题，已经备受人们关注。目前，建筑用能约消耗全球1/3的能源。在建筑用能的同时，还向大气排放大量的污染物，如TSP，SO2，NOx等。据有关部门测算，建筑用能排放的CO2几乎占全球总排放量的1/3，数量十分惊人。为此，许多国家都在积极地发展一系列的多元化的绿建筑节能技术。跨季节蓄热太阳能集中供热系统（以下简称CSHPSS），就是在此背景之下产生的一种新型住宅供热方式与理念。 1、系统原理
所谓跨季节蓄热太阳能集中供热系统，是与短期蓄热或昼夜型太阳能集中供热系统(以下简称CSHPDS)相对而言的。从某种意义上讲，现在普遍流行的小型家用太阳热水器系统(DSHS)以及其它类似装置就属于短期蓄热太阳能供热系统的范畴。由于地球表面上太阳能量 密度较低，且存在季节和昼夜交替变化等特点。这就使得短期蓄热太阳能供热系统不可避免地存在很大的不稳定性，从而使太阳能利用效率也变得很低。
CSHPSS系统可以在很大程度上克服上述缺点。它具有很强的灵活性，主要通过一定的方式进行太阳能量存储(蓄热)，以补偿太阳辐射与热量需求的季节性变化，从而达到更高效利用太阳能的目的。在欧洲，CSHPSS系统中太阳能占总热需求量的比例已经达到40%~60%(表１)，远远超出了CSHPSS系统和家用太阳热水系统。因此，目前CSHPSS系统已经成为国际上比较流行的极具发展潜力的大规模利用太阳能的首选系统之一。
常见的CSHPSS系统主要由太阳集热器、蓄热装置、供热中心、供热水网以及热力交换站等组成，如图1所示。系统基本工作原理如下：在夏季，冷水与太阳集热器采集的太阳能量换热后，一方面可以直接供用户使用；另一方面，有相当一部分太阳能被直接送入蓄
热装置中储存起来。冬季使用时，储存的热水经供热管网送至供热中心，然后由各个热力交换站按热量需求进行分配，并负责送至各热用户。如果储存的热量不足以达到供热温度，可以由供热中心通过控制其它辅助热源进行热量补充。这样一来，CSH-PSS系统就实现了太阳能的跨季节储存和使用，在很大程度上提高了太阳能利用率。
2、系统分类
根据蓄热温度的差异，CSHPSS系统可以分为低温蓄热和高温蓄热两种形式。低温蓄热的温度范围通常为0~40℃，而高温蓄热则为40~90℃。目前，国内外应用较多的是低温蓄热方式，技术上也相对比较成熟。对于高温蓄热，如何降低热损失是必须考虑的问题。譬如，对于一个圆柱形高温蓄热装置，热损失主要由底面、侧面和顶面三部分组成。其中顶面对装置的影响较大，占总热损失的35%~40%(无隔热材料)或15%~20%(有隔热材料)。
因此，通常对高温蓄热系统的蓄热规模有一定的限制和要求。一般而言，高温CSHPDS系统的最小储热容积应在10000m3以上。
根据蓄热介质的类型差异，CSHPSS系统又大致可分为下述几种方式即热水蓄热、砾石－水蓄热、埋管蓄热和蓄水层蓄热等。
(1) 热水蓄热
热水蓄热装置的结构如图2所示。水箱壁面由混凝土浇注而成，内侧通常还要敷设一层较厚不锈钢板?穴大于1.0mm?雪，以增强系统的坚固性、抗腐蚀性，同时还可以增大导热热阻，减小热损失。从热力学角度看，这种蓄热形式具有较大的热容以及良好的蓄热／释热性能，所以是上述４种蓄热方式中最佳的方式，其利用可能性最为广阔。热水蓄热的一
个关键技术在于水箱围护结构的设计和隔热。德国Ilmenau科技大学已经开发出一种由玻璃纤维增强塑料组成的新型复合壁面材料。目前，研究小组正对这种材料进行长期耐久性能测试。
(2)砾石－水蓄热
砾石－水蓄热装置的结构如图3所示。在内壁敷设有不透水塑料材料的蓄热槽中，填充了一定密度的砾石－水混合物，作为主要蓄热材料。太阳能可以通过埋设在各层的换热管，进行储存和释放。这种方式的特点是不需要特别的承重框架，因为作用力可以被砾石分解至蓄热槽的四周及底部区域。但是，由于砾石－水混合物的比热较小，在相同蓄热量的情况下，砾石－水蓄热装置的容积要比热水蓄热高出50%左右。
(3) 埋管蓄热
埋管蓄热装置的结构如图4所示。通过地下埋管，热量直接被存储或释放至埋管周围的土壤中。埋管蓄热方式对地质结构具有较强的选择性，比较适合地质结构有岩石和饱和水土壤等。在实际应用中，垂直钻孔换热器是比较典型的埋管蓄热装置，主要分为单Ｕ型、双Ｕ型等多种类型。此外，桩埋换热器也是近年来发展起来的一种新型埋管蓄热装置。这些装置在地源热泵系统中应用较为广泛，技术成熟度也较高。
埋管蓄热方式的最大优点在于可以实现模块化设计，根据负荷的增加，可以添加埋管进行适应性调节。但与热水蓄热方式相比，其容积要高出3~5倍。通常在高温蓄热时，此种蓄热方式的经济性比较明显。
(4)蓄水层蓄热
蓄水层蓄热装置的结构如图5所示。系统主要由冷井和热井组成。蓄热时，地下水从冷井中抽出，经太阳能系统加热后，重新注回热井；释热时，地下水的流程正好与蓄热时相反。因此，冷热井都要配备水泵系统。蓄水层蓄热方式对于技术性的要求较高，需要矿产学、地质化学甚至微生物学方面的知识，以保证整个系统的安全可靠性。此外，在系统运行中，还要特别注意防止出现塞井、腐蚀以及霉菌等现象。
在实际工程中，具体采用哪种蓄热方式主要取决于当地的地理位置、气候、地质水文等条件，要进行必要的技术经济分析。此外，对于埋管蓄曝和蓄水层蓄热，要进行先期的地质勘探工作，并获得有关管理部门的施工许可证。
2 热泵热回收技术与太阳能在空调系统中的应用
新闻来源：官房集团 作者： 日期：2005-12-27 14:39:00
工程概况
本工程位于云南省红河州蒙自地区，是官房集团投资兴建的一座五星级旅游假日酒店，其建筑面积为30321m2，共拥有286间各档次的客房，其中主楼建筑面积为23265 m2、娱乐楼为1781m2、贵宾苑为1589 m2，其余为酒店的辅助配套建筑。
整个建筑物根据功能使用的要求须设置中央冷暖空调系统。空调和暖通的要求是能够满足供暖和供冷需要，给排水专业则要求能够提供酒店24小时的生活用卫生热水的要求。
考虑到酒店运营受旅游淡、旺季或特殊时期（如：非典防治）制约影响的特殊性，既要求酒店的供冷供暖系统具有良好的部分负荷调节性和高效性，又要求整个酒店空调系统有一个较低的初投资和运行费用。
根据气象资料显示，蒙自地区全年室外空气温度低于8℃的天数为零。因此，我们建议甲方
采用既环保又节能、运行费用经济的风冷热泵热回收中央空调系统。可以实现一机三用，夏季供冷，冬季供暖，全年提供生活用卫生热水（夏季为全免费提供）。
风冷热泵空调热回收技术
空调在制冷的同时，根据能量守恒原理要将与制冷量相当的热量通过冷却塔或冷却风扇向大气中排放掉，此举除造成大气废热污染外，还会产生温室效应。而人们又要另外消耗高品位的电力、天燃气、燃油等能源来加热仅45℃的热水，表面上似乎没有热能的损失，实际上伴随着热能形式转换过程中的熵损失，已经是一种能源的浪费。能不能充分发挥高品位能量工作效率和利用低品位能量呢？
答案是肯定的，这就是利用热回收技术则巧妙的在空调制冷的同时将被浪费的热能集中回收来制取卫生热水（或提供冬季采暖用热）。其方法就是在空调制冷压缩机出口侧高温高压制冷剂蒸汽与冷凝器进行热交换的部件前串联或并联一个换热设备?穴制冷剂在空调制冷循环中的物化状态及性质在此不再累叙?雪，在废热没有被冷却塔或冷却风机排放到大气环境中去之前就将这部分热量回收提走，这样既保证了热量的有效回收再利用，又保护了大气环境免受热污染，而这部分回收的废热则可以用来加热卫生用热水，直接产生二次经济
效益，一举数得。
在风冷热泵空调机上应用热回收技术时，夏天相当于增加了一个水冷却装置。水冷却效率比风冷却效率高，空调制冷机因此可节能10~15%，而且由于冷凝温度降低还可延长压缩机使用寿命。
冬天热泵则转换为制热模式，为房间提供采暖用热媒水。在满足采暖需求的前提下还可以生产部分卫生用热水。
在春秋季过渡季节，建筑物既无制冷要求、又无供热需要，则可以充分利用热泵设备的高效热转换效率来生产卫生热水。
地源热泵系统
在满足热水加热要求的前提下，其余时间还可以对蓄热水箱进行循环保温加热，大大降低了运行费用。
热回收技术还使“一机三用”成为可能。利用热泵技术冬季向建筑物供暖、夏季向建筑物供冷、并可同时提供卫生热水，配以“四管制系统”还可以实现夏季无需投入锅炉的前提下同时制冷、供暖，大大提高了设备的综合利用率，性价比极高，其能源利用率为传统方式的2~3
倍，投入1kW的电能可得到3~4kW以上的制冷或供热的能量(额定工况下)。
对于我国这样一个人口众多、能源日益紧张，资金有限的实际状况，在室外气候条件合适的地区大力推广热泵制冷采暖和制卫生热水，是符合国家可持续发展战略的，也是充分保障使用方的社会效益及经济效益的。
太阳能的有效利用
根据对一次能源替代趋势的研究结果表明，到公元2050年，核能将占第一位，太阳能占第二位；到21世纪末，太阳能将取代核能占第一位。这种趋势的本质是：能源发展从粗放型利用向技术型转化，从环境污染向环境保护转化。
作为利用太阳能资源的产品之一，太阳热水器，对环境保护及能源节约的作用是显而易见的：它不消耗常规能源，利用的是取之不尽、用之不竭的太阳能，安全可靠、免费、无爆炸、漏电、漏气等造成人身伤害的危险，且自动运行、操作简单、基本无维修工作。
太阳热水器没有固、液、气体排污，对环境无任何不利影响，若有辅助加热器，则可充分发挥其功效，在夜间、阴雨天或适度的低温期间也能使用，可以说是百益而无一害。
针对本工程所在地（蒙自）的气候特点：
1．大气透明度高（3级）、工业污染小
2．冬季气温高：低于8℃的天数为零，无冻结危险
3．冬季日照率为64％，日照时数约2600h，年太阳辐射总量为4608~54326MJ/m2·年。
4．一年中绝大部分时间处于空调期，采暖期短
如果把太阳能集热器配合辅助加热器，结合前文阐述的空调热回收系统获得的热量，共同组成“三联供”式卫生热水系统，不但可以全年运行、实现CO2、SO2、粉尘等污染物的零排放，而且其免费、无限制获取的特性使运行具有明显的经济性。
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