太阳能采暖方案

方案编号 2011-030西安地区采用太阳能供暖技术方案

编制单位：北京国运光科科技有限公司

技术支持：清华大学基础工业训练中心太阳能课题组

编制时间：2011年3月28日

一、新能源供热采暖空调的趋势

1、节能减排和环境保护的宏观国策

为了应对气候变化和承担国际责任，国务院发布了“十一五”节能减排规划。在规划中将绿色环保、节能减排列为我国国民经济可持续发展的重要国策。

据有关资料报道，我国人均一次能源消费量相当于美国的1／18，我国是世界第二大能源消费国。我国的能源消费是以煤为主，煤的消费占一次能源消费的63.6％，由于煤的效率不高且洁净利用难度大，使用过程中已对人类的生存环境造成严重污染。另一方面，我国人均能源资源严重不足，人均石油储量不到世界平均水平的1／10，人均煤炭储量仅为世界平均值的1／2。2010年预计，我国石油供需缺口 1亿吨，天然气缺口 400亿立方米。因此，开发利用洁净可再生能源已成为我国政府最紧迫的任务。

青岛高功自动化有限公司是我国从事节能减排高新技术产业起步较早的企业，以节能降耗、减排污染为己任，以开发利用可再生能源、造福社会为目标，在与清华大学基础工业训练中心太阳能光热应用课题组联合攻关中，在太阳能、地源能、空气能、电能和燃气能的充分利用、互补利用、结合利用三个方面的技术整合走向行业前列，为更好的发展人类环境保护事业和节约能源，稳步发展和壮大企业，走出了坚实的发展道路。

国家“十一五”规划中提出了“落实科学发展观，建设节约型社会”的目标。要实现节约型社会，实现单位GDP能耗降低20％左右的目标，需要全社会的努力。国务院要求在“十一五”期间，新建建筑严格实施节能50%的设计标准，加快太阳能、地源能等可再生能源在建筑中的利用。鼓励利用太阳能与热泵复合供热制冷技术的应用。为了加快可再生能源建筑应用，优先支持技术先进且节能效果显著的可再生能源建筑应用示范项目，国务院开展了可再生能源示范项目的申报和国家资金的扶持或补贴工作。尤其对于广大农村，给予了建设低投入、高产出，低消耗、少排放，能循环、可持续国民经济体系和资源节约型、环境友好型社会的重要举措、政策和扶持力度。

2、建设部财建[2009]306号文件扶持政策

随着我国城镇化进程不断加快和居民生活水平的提高，城乡与农村地区建筑用能迅速增加，尤其北方地区农村建筑采暖以生物质能源为主的模式，正逐渐被以煤炭等化石能源为主的模式所替代，农村建筑节能和污染减排形势日趋严峻。我国城乡与农村地区太阳能、地源能等可再生能源资源丰富，具备良好的建筑应用条件，建筑节能潜力巨大。

我国城乡和广大农村地区的太阳能、浅层地能等可再生能源资源丰富、应用条件优越、发展空间巨大。为加快推进城乡与农村地区可再生能源建筑应用，建设部发布了[2009]305号和[2009]306号文件，以有力地推进可再生能源资源的应用。

文件要求，要因地制宜确定城乡与农村地区可再生能源建筑应用的重点领域。要求结合当地自然资源条件、客观实际需要、经济社会条件，因地制宜地确定推广应用重点。实施浅层地能与太阳能供热采暖工程，利用浅层地能热泵等技术解决供热采暖需求。

文件提出，为积极稳妥地推进可再生能源在农村地区的推广应用，今后2年内新增可再生能源建筑应用面积原则上不低于30万㎡。对于辖区人口较少、规模较小的县，可适当降低可再生能源建筑应用面积要求。县级财政、住房和城乡建设主管部门编写本地区城乡与农村可再生能源应用申报材料，逐级上报至财政部、住房和城乡建设部。

文件规定，中央财政对城乡和农村地区可再生能源建筑应用予以适当资金支持。地源热泵技术应用按建筑面积60元/平方米补贴，一体化太阳能热利用按建筑面积15元/平方米补贴，以分户为单位的太阳能浴室、太阳能房等按新增投入的60%予以补助。每个示范县补助资金总额最高不超过1800万元。补助资金由中央财政一次性拨付到省，由省级财政按规定拨付到示范县，示范县负责将补助资金落实到具体项目。

3、供热采暖制冷空调的方式及其比较

目前，国内外供热采暖采用的主要方式是热水为热媒介质循环传热的实现供热采暖的方式。用于供热采暖的热水设备可以归结为燃烧型和非燃烧型两大类，其中：燃烧型热水设备包括燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉、生物质燃料锅炉，非燃烧型热水设备包括电热锅炉、地源热泵、水源热泵、空气源热泵、太阳能空气源双效热泵、太阳能光热系统等。其中具备既节能又低碳的环保型设备为非燃烧型设备。

国内外制冷空调设备分为单效型和复合型。单效型指蒸发型氟利昂制冷空调或吸收型溴化锂制冷空调机组。复合型指热泵热水供热采暖与冷水空调机组。

各类供热采暖的热水设备从建设投资、运行成本、维护成本与换能热量构成的能效比，以及排碳量与换能热量构成的低碳比两个方面比较，太阳能空气源双效热泵系统、太阳能空气源地下水源三效热泵系统耗能量最低、低碳比最高，是未来供热采暖制冷空调的发展方向。燃烧型供热采暖与单效型制冷空调将逐渐淡出工程应用。

二、新能源供热采暖空调应用技术

新能源指区别于传统的煤、油、天然气等化石能源之外的，在新技术基础上系统地开发利用的可再生能源，如核能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等。近几年，国内外的室内空调技术正以新能源应用发生着革命性的变化。

（一）新能源技术之一太阳能与太阳能供热采暖的应用

1、太阳光热资源与应用

太阳能是取之不尽、用之不竭的再生能源。1891年美国马里兰州的肯普发明了世界第一台太阳能热水器，1895年美国加州的亚伯萨迪纳创办了世界第一个太阳能热水器公司，太阳能光热设备的产品化至今有100多年。上世纪七八十年代欧洲一些国家和亚洲的日本开始利用太阳能与辅助热源互补采暖供热（即：Solar Combisystem）。当今如德国、比利时、挪威等国家太阳能光热互补供热采暖是国际上发展最好的。德国每百人拥有3.6㎡太阳能集热面积，比利时太阳能采暖占总采暖量的60%。

本世纪以来太阳能利用在世界各国迅猛发展。我国是太阳能光热利用大国，太阳能集热面积达870万㎡，占世界集热面积的90%。我国2009年颁布了GB 50495《太阳能采暖供热工程技术规范》，从技术与质量角度完善了我国太阳能供热采暖的机制。我公司与清华阳光基础训练中心太阳能光热应用课题组合作，借鉴发达国际的先进经验与模式，开发了太阳能与电热互补、太阳能空气源双效热泵、太阳能与燃气互补、太阳能与生物质热源供热采暖系统，形成了完善的太阳能与多热源互补的供热采暖技术体系。

从我国太阳能资源分布地图可见，我国是太阳能光热资源丰富的国家，占50%左右

的国土面积年日照达到3000h以

上，太阳能年辐射量达到5400MJ/

㎡以上，相当于800KWh有效热当

量。从图上可见，西藏、新疆、

内蒙古、宁夏、青海、甘肃、陕

北、山西、河北以及川西南、滇

西南等北部、西部、西南部和华

北等地是太阳能供暖的良好地

区。这些地区采暖期平均太阳能日照时数8小时左右，藏北达到10小时以上。按冬至前后太阳能辐照强度，我国北方地区每㎡太阳能有效集热面积每天可获得有效热量10MJ以上，相当于2KW有效电热的热量。以采暖期150～200天，房间温度18℃、每升高（降低）1℃增加（减少）17%热能、保温性建筑与非保温性建筑节能效果相差65%等工况综合分析，每㎡太阳能集热面积可驱动4-12㎡建筑面积供暖。按采暖期平均耗煤35Kg/㎡（建筑面积），每㎡太阳能集热面积每采暖期可以减少20公斤以上CO2排放。

太阳能具有普遍、巨大、长久、无害、可再生，以及勿须开采、运输，可直接开发利用的优点。我国太阳能辐照强度区域分布表：

（每3.6MJ/h太阳能热量相当于1KW/h电热热量）

我公司科研人员自1999年研究太阳能光热利用。2000～2002年进行太阳能光热独立供暖实地试验和测试。2003～2006年完成了太阳能与电热互补、太阳能和燃气互补供热采暖的研究与产品开发。2006～2009年完成了太阳能空气源双效热泵的研究与产品开发。截止2010年在冀、蒙、宁，甘、青、藏等地区完成了太阳能独立供暖、太阳能电热互补、太阳能燃气互补、太阳能生物质燃料采暖炉互补、太阳能空气源双效热泵电热互补等一系列的示范工程和应用工程。GB 50495规范规定太阳能供暖系统中太阳能贡献率不低于40%。从示范工程来看，当有满足需要的太阳能集热面积设置时，太阳能贡献率达到40%，即节能效果达到40%，以天然气价格相比较，利用太阳能节省的费用3年可以收回太阳能集热设备的投资。太阳能供暖经济效益还是可观的。

2、太阳能供暖设备

太阳能采暖系统与太阳能热水系统的技术结构有重大区别，选择太阳能采暖集热设备必须根据地理、气象气候、建筑结构条件等，科学、合理、准确选择。

常用太阳能集热设备性能及其采暖应用特性：

全玻璃真空管型太阳能集热器，简称真空管集热器。真空管集热器是清华大学早期

发明。真空管集热器是全玻璃单真空管与水箱联体的

结构，管内的水受热膨胀，冷热交换逐渐将水箱的水

加热。真空管集热器作为家用太阳能热水器使用较普

遍，价格在太阳能集热设备中最低。真空管集热器热

惰性大、启动慢，管子中存水难于防冻和防过热，因

此，仅适合热水系统使用，或在冬季气温不低于-5℃

的寒温带地区太阳能采暖使用，不适合寒带或严寒带地区太阳能采暖。

金属热管型真空玻璃管太阳能集热器，简称热管集热器。热管集热器是清华大学近期发明。热管集热器是太阳能集热设备的高端产品，

采用了真空超导技术，热管与集热板采用黑铬、黑钻、

阳极氧化涂层，减反射涂层，磁控溅射选择性吸收涂

层等高科技先进技术，具有高温取热的特点，在太阳

能光热制冷、太阳能发电、大型太阳能集中供暖与热

水工程中应用较多。由于热管集热器结构与工艺复杂，

价格很高，在小规模太阳能采暖工程中很难普及。

金属U形管型玻璃真空管太阳能集热器，简称U型管集热器。U型管集热器是在全

玻璃真空管中安装紫铜U形管，U形管流通防冻液进行

导热的新型太阳能集热装置，具有防冻、防过热的特

点。U形管集热器运行的防冻液是高分子水溶化合物，

在高温下产生分解导致冰点下降，需要每年进行冰点

测试和更新，故不适合采暖工程采用。U型管集热器是

在工厂整体组装，运输、安装维护极不方便。

平板型太阳能集热器，简称平板集热器。平板集热器是全金属结构，具有承压、免

维护、集热效率较高和良好的建筑一体化的特点，是早期发展太阳能光热应用的集热设

备，因此是国际公认的太阳能集热设备。但平板集热

器保温结构薄弱，阴天和大风天气的影响较敏感，冬

季集热效率比真空管集热器偏低，且价格较高。在我

国西南地区太阳能供暖应用较好，不适合寒带和严寒

带太阳能供暖（或太阳能热水）工程的应用。

玻璃热管式双真空管型太阳能集热器，简称双真空管集热器。双真空管集热器是低温超导传热的太阳能集热设备，其保温性、防冻与防过热性、耐久性、性

价比优于真空管、U形管和平板集热器，尤其适合太阳能采暖应用。双真

空集热管采用高透光率的高硼硅特硬玻璃管材，由外管、内管、喙管组成。

外管传递太阳能光热和防风；内管壁镀复合金属碳化膜吸收太阳能光热；

内管延伸突出为喙管。内外管之间第一真空腔是隔热保温层；喙管第二真

空腔是导热腔。双真空管分蒸发段和冷凝段。蒸发段接受太阳能光热；冷

凝段在水箱热交换。导热管的腔内注有低温导热介质，在太阳能光热作用

下气化，蒸汽以声速进入喙管冷凝段，蒸汽热量通过喙管释放给水箱的水，

周而复始实现了太阳能加热。双真空集热管内不进水，其热惰性小，启动较快，不会结水垢，不会结冰冻坏或过热沸腾、炸管。双真空管集热器还可以承压运行。

3、太阳能与多能源互补实现连续稳定的供热采暖

太阳能辐照强度受到地理纬度、海拔高度、季节与昼夜变换以及阴雨雪等条件的影响，表现为分散性、间断性，能流密度不稳定、不连续现象。因此，利用太阳能光热供暖需要与电力、燃气、生物质燃料等常规能源或其他可再生、可再利用能源组成互补系统，将太阳能设计为主要热源，全采暖期统算贡献率不低于40%；将空气源贡献率设置为40%，则其他补充热源不超过20%，从而形成全天候、稳定的、不间断的、环保节能的互补供热系统。互补能源的系统有：

（1）太阳能与空气源热泵组成太阳能空气源双效热泵供暖系统；

（2）太阳能与地源热泵组成的太阳能地热源双效热泵供暖系统；

（3）太阳能与电加热或谷电蓄热设备组成的光电互补供暖系统；

（4）太阳能与燃气壁挂炉组成的光燃气互补供暖系统；

（5）太阳能与生物质采暖炉组成光生物质互补供暖系统。

各种互补措施的经济技术分析。

（1）互补措施之一太阳能与热泵互补

太阳能热泵使太阳能光热效率提高，使太阳能集热面积配置下降。

太阳能集热器在上午初始阶段和下午末时阶段或多云天气时，水温较低而不能直接用于供热采暖，此时将太阳能系统退出启动其他热源互补必将造成太阳能集热系统投资的浪费和太阳能热源的浪费。借助热泵的优良特性，将太阳能集热器的低温热水作为热泵的热源，经过热泵进行高效热量转移和温度提升，即成为太阳能热泵。太阳能热泵将使太阳能集热器保证率和贡献率由50%左右提高到70%以上。太阳能热泵是我公司的创新技术，是太阳能采暖技术的重大突破，2009年获中国发明专利。

太阳能热泵设有太阳能水源蒸发系统和空气源蒸发系统。当太阳能的水温较低时，太阳能水源系统提升温度；当太阳能供热量不能满足采暖需求时，空气源系统给予热补偿，从而最大限度的较少电或燃气补热量，降低运行成本40%左右。

热泵吸收空气潜热时空气的温度不能低于-10℃，否则能效比会下降。为了弥补这一缺点，可以采取空气源热泵与电热或其他热源互补。

在太阳能供热采暖系统配置中，太阳能保证率按60%设计时，秋末与初春时节太阳能

贡献率可以达到70%以上，而冬至前后40天左右贡

献率只有20%左右，全采暖期达到40%以上。如果将

太阳能贡献率提高到60%以上，太阳能集热系统的投

资将增加一倍，每建筑平米的投资将超过500元，从

经济角度不合算。如果采用热泵技术，按提高太阳能

保证率20%配置太阳能热泵，其投资仅相当于太阳能

集热系统增加投资的1/5，可以将太阳能贡献率提高到60%以上。

（2）互补措施之二太阳能与电热互补

太阳能与热泵往往因为阴雨雪天气和极低气温的影响其供热量不能满足供暖需要，因此，需要常规能源互补以保障全天候供热。电热互补是使用较多的热源。

石英管薄膜电加热体石英管薄膜电加热体是电热机组的核心部件。石英管具有耐高

温1200℃、耐电压击穿20KV、耐水压强度1.0MPa，温度膨胀系数

几乎为零的优良特性，是唯一可以同时满足电加热和水电分离的

材料。将多种金属元素制成凝聚态胶体，在高温高压下喷涂到石英管外壁，制成晶体薄

膜电加热管。加热管外壁受电加热，水在管内流过被加热，石英管壁成为水电分离层，绝无漏电危害。石英管薄膜电加热体是我公司的创新产品，获得三项中国发明专利。

热工智能控制节电技术采暖热负荷以室温和水温为函数随机变化，控制水温就等于控制了电耗。控制方式采取室温和水温两种，在室温控制条件下，只要达到设置的室温系统停止运行，待命，当室温比设置温度下降1℃时系统启动运行；在水温控制条件下，系统对比回水温度、出水温度和设置水温，自动设置加热功率，实现出水温度缺1℃补充1℃恒温调节，因为没有过余加热，具有明显的省电效果。

电热机组整机技术特性电是二次能源，洁净、无污染、无明火、普及率100%。电

力比燃气、燃油、燃煤更容易实现自动化智能化控制、安规标准

控制和节能控制。电热无明火、无异味、无污染，在常规能源中

属于清洁能源。按采暖成本比较，使用电热采暖电费与使用集中

供暖的运行费用相比基本相当。针对电气设备的特点和电热采暖

的机理，电热机组中设置了多层检测，建立了正常运行的必然条

件，即：水流量>4L/min、出水温度<70℃、加热体温度<80℃、

室内温度<40℃、本机温度<60℃时为正常运行条件，任何一个条

件不满足要求则不能启动加热。电热机组是我公司创新产品，2005年获得中国发明专利。

（3）互补措施之三太阳能与生物质燃料采暖炉互补

在我国农村地区和牧区可以利用的生物质燃料主要是农作物秸秆和牛羊粪干物质。

生物质燃料燃烧方式主要有直燃和汽化燃烧。汽

化燃烧的生物质炉适合农村地区使用农作物秸

秆，不太适合牧区使用牛羊粪干物质。农作物秸

秆的热值一般在11～15MJ/Kg之间，牛羊粪干物

质的热值一般在2.4～3.3MJ/Kg之间。用于牧区

的生物质燃料采暖炉按藏民的习俗，应具备提温

快、能做饭、能采暖、能热酥油茶、操作简单、

外观和颜色适宜等功能和习俗的要求。在满足功能需要的基础上炉体要求外观整洁，结构紧凑，尽量减小占地面积。为此，我公司到西藏自治区那曲地区双湖特别区牧民家庭进行了实地考察，结合太阳能供热、热水循环采暖的需要，组织技术人员设计了牧区专用的牛羊粪生物质燃料采暖炉。

（二）新能源技术之二 热泵与热泵的应用

1、热泵与太阳能空气源水源三效热泵

什么是热泵 通过电动设备做功的原理，用水泵通俗的解释热泵。水泵是消耗一定的电能，将水从低水位“泵”向高水位，使水的势能提高的设备。热泵是消耗一定的电能，将低温热源的热量“泵”向高温热源，使热能提高的设备。水泵是最佳的水位转移设备，但不是唯一的。热泵是唯一的热能转移到设备，是最佳的热力节能设备。

热泵的结构与功能 热泵是设备整体和组合概念。热泵由冷媒、以及密闭状态下运行冷媒的蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀组成。其中：冷媒是传递热量的超低温介质，如氟利昂；蒸发器吸收热量（Q L ）的部件；压缩机是“泵”送热量(从1到2)的部件；冷

凝器是释放热量（Q H ）的部件。

由原理示意图：超低温冷媒通过蒸发器吸收（水、空气

等）低温热源的热量后被等压蒸发为低温气态，低温气态冷

媒被压缩机消耗Q 电能从1端吸入经等熵压缩后从2端输出

为高压高温液态冷媒，高压高温冷媒经冷凝器3等压冷凝后

释放热量（加热水火空气）成为高压低温冷媒，再经节流阀

等焓减压后继续实现蒸发吸热，依次周而复始。热效率为

Q H >Q L ＋Q ，并恒大于1。

由原理示意图还可见，热泵具有双向功能，即：通过蒸发器从低温热源吸收热量、冷凝器释放热量的叫做热泵；反之，通过蒸发器释放热量、冷凝器得到冷量的即成为冷泵。热泵制热使环境温度提高，冷泵制冷使环境温度降低，即：一泵两用。

热泵是国际化新能源发展结果 1912年瑞士人成功安装了以河水取热的世界第一个水源热泵供热采暖系统，制热系数为200%。1931年美国人在爱迪生大厦成功安装了1050kW 大功率水源热泵供热系统，制热系数接近250%。上世纪40年代以后热泵技术迅猛发展，地源热泵、水源热泵、海洋热泵、空气源热泵等在商用建筑、工业建筑、住宅中得到广泛的应用。1957年美国政府决定使用热泵替代燃气供热，到60年代初期全美达到8万台大型热泵的应用，到上世纪末达到1000万台。我国热泵应用近几年得到大力发展。我公司于2004年开发成功太阳能热泵，2008年开发成功太阳能空气源双效热泵，2009年产业化用于采暖和制冷空调，2009年获得中国发明专利。太阳能与热泵的结合既提高了太阳能与热泵的效率，又降低了太阳能集热设备与热泵设备的配置和整体造价。

热泵是唯一的热能节能设备热泵可以低温制热，也可以高温制热。热泵的运行成本相当于电热的1/4，燃气或燃油的1/3～1/2。以温升40℃为准，热泵生产1T热水耗电13.3度，电热则要耗电49度。热泵的寿命15年以上。以加热1吨水为例，自来水温15℃，加热至55℃，需要40000kcal热量，不同的常规热源加热的费用比较如下：电热水器：40000kcal÷ 817 kcal/kwh = 49.0kwh×0.54元/kwh = 26.46元

液化气：40000kcal÷7560 kcal/kg = 5.3kg ×6.00元/kg = 31.80元

天然气：40000kcal÷6450 kcal/m3 = 6.2 m3 ×2.20元/m3 = 13.64元

管道煤气：40000kcal÷2660 kcal/m3 = 15.0m3 ×0.90元/m3 = 13.50元

柴油锅炉：40000kcal÷8670 kcal/kg = 4.6kg ×6.60元/kg = 30.36元

煤：40000kcal÷2752 kcal/kg = 14.5kg ×0.80元/kg = 11.60元

热泵：40000kcal÷3010 kcal/kwh = 13.3kwh×0.54元/kwh = 7.18元

（上述能源价格为2010年市场价格。电价为民用电价。燃煤没有考虑环保罚款。）常见热泵的分类热泵系统由热源、热泵机组和末端三部分组成。供热采暖（制冷空调）的热泵按工作热源的不同分为地表水源热泵、地下水源热泵、土壤源热泵、空气源热泵、太阳能热泵、太阳能空气源双效热泵和太阳能空气源水源三效热泵。

地源热泵地源热泵是指利用地下资源供热制冷的热泵系统。地源热泵系统包括土壤地源热资源与地下水地源资源两部分资源利用的热泵系统，系水源热泵属性。

太阳能空气源水源三效热泵太阳能空气源水源三效热泵是以水为介质，将太阳能集热设备、空气源蒸发设备、地下水源蒸发设备组合为多热源集热端，经压缩机转换后加热同一个采暖供热端的多热源新能源节能设备。太阳能为第一热源，空气源为第二热源，地下水源为第三热源；其中太阳能贡献率达到30～40%，空气源贡献率达到20～30%，地下水源补热率30～40%。太阳能空气源水源三效热泵比单纯的太阳能集热供暖系统投资下降80%，比单纯的地源热泵系统运行成本下降30%以上。以地理位置与建筑物用途等因素的不同，按供暖（空调）的建筑面积计算，太阳能空气源水源三效热泵系统建设投资为270～330元/㎡，与燃煤或燃气锅炉系统的整体建设投资基本相当。

太阳能空气源水源三效热泵的运行费用大大下降。太阳能显热和空气源潜热是免费的热源，太阳能空气源水源三效热泵每产生1KWh热量仅消耗0.3～0.5KWh的电能，按采暖期每建筑面积平均计算，供热采暖运行成本为8～17元/㎡。

太阳能空气源水源三效热泵具有复合功效，采暖期以外的作用是制冷空调。因此，

太阳能空气源水源三效热泵是具有全年供热水、冬季采暖和夏季制冷空调的多功能、节能、环保、低碳和低运行成本的高科技先进技术的新能源设备。

2、地源资源与地下水源资源的利用

地下水源热泵的取热资源是地源资源中的潜热或显热。地源资源分为地表水源、地下水源和土壤源三部分。我国冬季采暖地区是东北、北方、西北、西部和西南地区，这些地区分贝属于寒温带、寒带和严寒带。

地表水源资源除了少数地区能够在冬季从地表水源提取热量供暖外，大多数地区的地表水源冬季结冰，其取热采暖的可利用度几乎为零。所以，大多数地区利用地源资源冬季采暖取热主要依靠地下水源和土壤源，其中地下水源是主要取热资源。

土壤源资源土壤源资源指地下浅层岩土层地热资源。土壤温度一年四季相对稳定，各地5m以下土壤温度相对均衡，一般在12～14℃，冬季比环境温度高，夏季比环境温度低。岩土层的热焓相当于水的1/2，能流密度一般为25W/㎡左右。由于岩土层的密度较大，能量的动态调节性很差，所以，土壤源热泵需要在冬季制热采暖过程通过岩土层蓄冷，而夏季制冷空调过程通过岩土层蓄热，依次保持地温相对恒定。当土壤源单一地作为热泵的低温热源时，其承担的负荷不易超过1MW。

地下水源资源地下水源资源指地下水体储藏的热能。地下水体热能分为地热的深层热能和太阳热的浅层热能。常规供热采暖使用浅层地下水体储藏的热能，其属性是太阳热能。水是热的不良导体。水的热焓最高。地下水温年度变化1～2℃，深井的水温基本不变。低于20℃的地下水为冷水源，20～50℃的水源为温水源，50℃以上为热水源。我国东北地区深井水温在12～14℃；华北地区为15～19℃；西北地区为18～20℃。稳定的地下水资源的基本条件是土层孔隙度大、土壤渗透性好、地层具有相互贯通的粗砂岩和砾岩类含水层的岩层，一方面抽水量大，另一方面回灌特性好，即：灌抽比比较大，能够保持稳定的地下水源的可再生能力，并且需要通过冬季制热补冷和夏季制冷补热以保持稳定的能量转换和动态能量平衡。

地下水源的利用地下水的水量、水温、水质是影响和制约地下水源热泵系统正常运行、经济运行和使用寿命的关键因素，故应先期进行岩土层类型、分布、厚度、水文条件、温度分布等进行地勘和可行性研究，方可确定。系统针对性技术要点是：（1）建设灌抽井，实现灌抽井轮换使用，灌抽比力求达到1：1，减少水量消耗。

（2）冬季制热与夏季制冷双效运行，最大限度维持地下资源动态热平衡。

（3）水的矿化度小于350mg/L、含沙量低于1/200000的水采用直供式蒸发器；矿化度大于500mg/L的水采用板式换热蒸发器；含沙量高于1/20000时应增加沙克龙除砂器。

（4）井水在蒸发器的流量以0.3～0.5m/s为宜，两井间距20m左右。

（5）回灌水容易携带大量的溶解氧，容易与地下水的亚铁离子生成胶体沉淀而阻塞水道，定期采用氯化钙、甲醛液体进行PH平衡而防止阻塞管道。

（6）水井的衬管、沉淀管、过滤管（器）、砾层管等管道宜采用标准（白色）PVC管。

（7）机房应具备避风、避雨、防冻等安全条件，机房的噪音不大于60分贝。

适宜地下水源热泵使用的地下水的主要技术指标

（三）常用热源供热采暖经济分析

1、太阳能、热泵、电热互补供暖单位面积运行成本分析采暖建筑面积115㎡楼宇住宅。2009年冬至2010年春152天使用太阳能、热泵、电热机组三项互补供热采暖。采暖期间最低气温-17℃，室温保持18℃。太阳能集热系统换热蓄热供热温度设置为50～40℃，热泵的空气源蒸发器启动温度设置为-7℃以上、太阳能蒸发器运行温度设置为40～20℃，电热机组启动的室温设置为18℃、采暖供水温度设置为45℃。时间记录仪测试的太阳能、热泵、电热机组三部分按温度自动控制运行的时间比例分别为42%、39%和19%。太阳能、热泵、电热机组三部分实际配置的用电功率分别为6w/㎡（建筑面积）、15w/㎡（建筑面积）和46w/㎡（建筑面积），单位面积热负荷55w/㎡（建筑面积）。在温度自动控制调节下，采暖期151天总平均每天运行16小时，设备全负荷运行率为75%。电价0.54元/kw.h。不包括非采暖期太阳能供热，采暖期按建筑面积平均电费（0.006w/㎡×42%＋0.015w/㎡×39%＋0.046w/㎡×19%）×151d×16h×0.54元/kw.h×0.75=16.74元/㎡。

2、地下水源热泵供暖单位面积运行成本分析以山东省潍坊地区某小区采用地下水源热泵供暖为例，供暖总建筑面积35322㎡，热泵总输入功率900KW，单位建筑面积平均功率配置为25.5w/㎡，采暖期120天，平均每天运行时间12小时，设备全负荷运行率75%，电价0.54元/kw.h。临时性操作技术人员1人，工资总额10000元，按采暖建筑面积平均为0.283元/㎡。全采暖期按建筑面积平均运行费用为0.0255Kw/㎡×0.54元/kw.h×120d×12h×75%＋0.283元/㎡=15.15元/㎡。

3、电热锅炉供暖单位面积运行成本分析以山东省潍坊市某局家属院电热锅炉供暖

为例，供暖总建筑面积6554㎡，电热总输入功率330KW，单位建筑面积平均功率为50.4w/㎡，采暖期146天，日运行15小时，全负荷运行率50%，电价0.54元/kw.h，操作工在采暖期间按建筑面积摊入的工资为0.891元/㎡,采暖期建筑面积运行成本为0.0504w/㎡×0.54元/kw.h×15h×146d×50%＋0.891元/㎡=30.69元/㎡。

4、集中供暖单位面积运行成本分析以山东省潍坊地区某热电厂2008年至2010年两个采暖期集中供暖为例，平均收费总供暖建筑面积12308万㎡，平均每采暖期用煤455万吨，供暖期122天，单位建筑面积全采暖期平均耗煤36.8Kg/㎡，按采暖建筑面积平均供暖操作管理人员工资0.177元/㎡，计划内与计划外供煤的平均总成本0.794元/Kg，平均每天供暖13.7小时，设备全负荷运行率75%，集中供暖年度收费为每建筑面积每供暖季25元/㎡，热电厂在供暖季实际运行成本为0.0368Kg/㎡×13.7h×122d×0.794元

约14.9Kg/㎡。

/kg×0.75＋0.177元/㎡=36.81元/㎡。每建筑面积每供暖季排放CO

2

5、燃气壁挂炉供暖单位面积运行成本分析以青岛地区某别墅2009年供暖为例。别墅供暖部分的建筑面积311㎡，供暖时间156天，供暖耗气7250m3，天然气价格2.2元/m3。全采暖期单位建筑面积采暖成本（7250m3×2.2元/m3）÷311㎡=51.29元/㎡。

6、太阳能与燃气壁挂炉互补供暖单位面积运行成本分析以青岛地区某别墅2010年安装太阳能集热系统与燃气壁挂炉互补供暖为例。别墅供暖部分总建筑面积311㎡。别墅屋面安装太阳能集热面积88㎡。供暖运行159天，供暖耗气3540m3，天然气价格2.4元/㎡。全采暖期单位建筑面积平均采暖成本（3540m3×2.4元/m3）÷311㎡=27.32元/㎡。如果没有太阳能供热，单纯使用壁挂炉供暖时，平均日运行时间15小时，壁挂炉全负荷运行率75%，全采暖期单位建筑面积运行成本约为（7250m3÷156d÷15h÷311㎡）×15h×159d×2.4元/m3=57.02元/㎡。全供暖期太阳能贡献率为52.09%。

从分析可见，采用太阳能互补供暖、地下水源热泵供暖运行成本最低。一份阳光提供一份热量，节省一份成本，这是最直观的道理。只要太阳能集热面积达到相应的供热需要，太阳能供暖节能效率无容置疑。热泵是高效节能设备，只要有好的节水技术和节水措施，结合科学的管理，地下水热泵供暖更能突显节能效果。

地下水源、电、煤、天燃气等资源一是紧缺、二是当前价格都比较高、三是都在酝酿和不断涨价中，而且用地下水、用煤或用燃气，国家都要征收资源费或排污费。太阳能与空气能取之不尽、用之不竭，既不存在收费与涨价问题，也不存在污染与环保问题，仅消耗少量的电能作为循环动力。因此，太阳能和空气能是未来最廉价的能源资源。

（四）新能源供热采暖概述

1、太阳能的弱势仅在冬至前后太阳能供暖往往让人感到异议，或产生一定的争议。原因是太阳能光热在冬至前后是弱势；如果拿冬至时段的太阳能弱势论述太阳能供暖的效果，显然不合情理。按天气工况将采暖期分为秋春季与冬至两个阶段，秋春季大约占总供暖期的2/3，是太阳能供热能力最好的阶段，太阳能供热量约占总供暖热负荷的1/2；冬至前后30～60天，占供暖期的1/3，此间用电或燃气互补供热约占供暖热负荷的1/2。照此粗略估算，太阳能贡献率至少可以达到40%，即不低于GB 50495规范中的要求。所以。太阳能供暖的弱势仅在冬至，秋春季有着良好的供热贡献率。

2、热泵技术是太阳能供暖系统最佳配合采用太阳能热泵是提高太阳能节能效果的有力技术手段。太阳能集热系统在一早、一晚或阴天时约占系统有效供热量30%的热量因为水温低而不能直接用于供暖。利用热泵优越的低温换热的特性，将低温热能转换为可以供暖的热能，太阳能贡献率提高20%左右。同时利用热泵的空气源蒸发器，可以从-5℃以上气温中提取空气潜热，进行供暖热量的补充，热泵贡献率则可以达到30%以上，将电热或燃气热补偿率控制在20%以下，当今最经济适用、最节能环保的技术措施。

3、新能源中央空调系统新能源中央空调系统是我公司2009年获得的中国发明专利（200910013960,X）。新能源中央空调系统是由太阳能集热系统、空气源集热制冷系统、地源集热制冷系统、电或燃气补热系统，以及智能控制系统组成。新能源中央空调系统实现了冬季供暖、夏季空调、全年供热。供热或供冷的核心是太阳能与热泵，太阳能和空气能的热量有多少汲取多少，不足部分由地下水源或电热或燃气热系统进行补偿供暖；夏季，热泵制成7～12℃冷水，通过室内的风机盘管进行空调。新能源中央空调系统与天然气锅炉或燃煤锅炉加溴化锂制冷机组组成的中央空调系统相比，或与分立式空调机组供冷系统相比，投资额基本相当，而运行费用要低50%以上。

4、电热是供暖热源的主力电具有功率无级调节特征，是燃气或煤无法实现的。用弱电，通过计算机技术进行用电的节能与安全控制，简单、容易、可靠。我国建筑面积平均采暖耗煤量35Kg/㎡，可以发电约110KWh；建筑面积平均采暖热负荷30W/㎡、采暖期160天，110KWh电可供2㎡电热采暖，可供4～6㎡太阳能采暖。我国人均供热采暖耗能占全年人均总热能的60～75%，包括对环境的污染，随着人们生活水平的提高，已经不是可忽略的生活和生存质量关系。电是绿色能源，电热是未来的主导热源。

太阳能与多热源互补供暖工程照片

山东科明电气公司太阳能电热互补供暖青岛风情旅馆太阳能热泵电热互补供暖

河北野三坡农家游旅馆太阳能电热互补供暖北京房山别墅太阳能电热互补供暖

中石化加油站太阳能电热互补供暖藏北高原太阳能生物质采暖炉互补供暖

三、西安地区20000㎡建筑面积新能源中央空调系统设计

1、工程概况

（1）工程平面图（略）

（2）工程基本情况以西安地区为例。建筑面积20000㎡.

（3）供热采暖中央空调西安地区地下水资源较丰富，拟采用太阳能空气源地下水源热泵中央空调系统实现供热、采暖、制冷。末端为吊顶式风机盘管。

2、技术依据

3、基础资料

4、系统原理设计

原理图简析——

①热源部分系统由太阳能集热系统、空气源热泵蒸发系统、地下水源热泵蒸发系统组成热源。第一热源为太阳能，第二热源为热泵。太阳能集热器采用ф47X1500/56型清华阳光全玻璃真空管太阳能集热器。热泵采用涡旋式变频压缩机。

②供水部分全部水路采用水质处理器，避免杂质阻塞和结垢。水质处理器采用管道安装，固体磁场，通过切割磁力线抑制水中钙镁离子凝聚、结垢，达到改善水质、防止结板状水垢的目的。水质处理器包括细沙过滤、悬浮物吸附和可拆卸定期清理。

③控制部分系统运行管理采取温差控制模式。太阳能集热器供热启动温度45℃。运行水箱水温满足45℃时热泵不参与运行。太阳能集热器水温低于43℃时太阳能蒸发器启动，配合太阳能集热器充分利用光热。运行水箱水温低于43℃时表明太阳能供能不足，空气源蒸发器启动进行补充。当气温低于-3℃时停止空气源蒸发器，启动地下水源蒸发器。即构成太阳能、太阳能蒸发器、空气源蒸发器、地下水源蒸发器接力式控制。

④系统年限太阳能集热管、太阳能联集箱、太阳能集热器支架，以及系统室外管道等易损件部件正常局部更换的条件下，系统运行寿命不低于15年。

⑤如果需要配置洗浴等生活热水时，生活热水属为非确定性供热，采取自来水顶水式供热，即开即热、即用即补。

5、热工计算

按暖通相关标准、规范规定的项目进行本工程热工计算。所用相关公式：

（1）建筑物耗热量计算 Q n＝A n HB r C c(T n-T w) （KJ/h）（2）建筑物耗冷量计算 Q L＝A n HB r C c(T n-T w) （KJ/h）（3）采暖运行水量计算 G n＝0.903Q n/(T n-T L) (Kg/h) （4）制冷运行水量计算 G L＝0.903Q L/(T n-T L) (Kg/h) （5）生活热水负荷计算 Q r＝4.187G(t g-t h) (KJ/h) （6）太阳能有效集热面积计算 A c＝[(Q n+Q r)?]/[J Tηcd(1-ηL)] （㎡）

（7）地下水源热泵供热计算 P h＝A c J T(1-?) （KJ/d）相关参数准备：建筑面积20000㎡，建筑层高拟3.5m。冬季室温20℃，供暖设计气温-8℃；夏季室温25℃，供冷设计气温35℃。海拔高度400m，故不考虑大气压影响因素。拟可安装太阳能集热器的屋面面积2000㎡，可安装太阳能集热面积921㎡。

工况计算简析——

①工况计算参照本地气象资料，按建筑物空间补热平衡方式计算供暖供冷工况。

②太阳能供热计算按屋面实际安装太阳能集热面积和太阳辐照强度以及太阳能热泵辅助作用计算太阳能供热量。全采暖期太阳能总贡献率可以达到38.5%。

③太阳能热泵配置本地冬季太阳日照系数为0.6，太阳能平均日得热量1533KWh，其中低于35℃的低温热量平均为460 KWh，配置太阳能热泵的输入功率150KW。

④空气源热泵配置最冷月1月份平均气温-0.1℃时采暖热负荷972KW，通过空气源潜热供暖，配置空气源热泵的输入功率500KW。

⑤地下水源热泵配置按极端最低气温-3.8℃工况下，保证室温20℃，采暖热负荷1118KW，配置地下水源热泵的输入功率600KW。

⑥热泵运行机制至此，本工程热泵最大输入功率为600KW，配置50台12KW分立式机组。当用于太阳能采暖时运行10～15台，当用于空气源采暖时运行25～50台。

⑦运行水箱配置运行水箱兼有太阳能集热、蓄热、热泵制热、采暖运行供热、采暖系统运行水量维持，以及夏季冷水机组制冷和空调循环系统运行水量维持，同时兼有太阳能防冻或防过热排空作用。计算水箱容量70m3，水箱为非承压式结构。

⑧太阳能集热器防冻和防过热考虑节电和安全因素，本系统不采用电伴热带保温防冻。当太阳能集热器水温低于5℃时、或高于70℃时，自动化控制启动系统排空阀将太阳能集热器内的水排向运行水箱。

⑨本方案确认后进行详细设计。