农村户用光伏带动地源热泵空调系统简析介绍

1 农村户用光伏带动地源热泵空调系统简析农村户用光伏带动地源热泵空调系统简析 目前在边远地区和经济不发达地区的农村 居民采暖问题迫切 需要改善 解决农村的采暖问题应是新农村建设中能源问题的重要 方向 在目前节能减排不允许建设燃煤锅炉的大背景下 地源热泵 技术因其绿色环保 节能清洁 控制设备简单等优点是一个很好的 解决方案 再利用太阳能光伏发电带动地源热泵工作 可以实现一 次性安装 零 运行费用的解决方案 一 技术简析一 技术简析 可以考虑采用太阳能光伏带动土壤源热泵系统 太阳能光伏带动 空气源热泵系统两个技术方案 太阳能光伏发电系统目前已经是成熟 的发电技术 通过安装太阳能光伏板 配套逆变器即可在晴天产生 220V 380V 电流 再配套蓄能装置可以实现夜间和阴雨天气的供电 地源热泵和空气源热泵目前也是成熟稳定的技术 所以从技术角度分 析是可行的 屋顶光伏照片屋顶光伏照片 2 户用地源热泵示意图户用地源热泵示意图 户用地源热泵照片户用地源热泵照片 3 二 投资和占地面积简析二 投资和占地面积简析 以 100m2农户为例 终端冷负荷 100w m2 热负荷 80 w m2 1 太阳能光伏带动土壤源热泵系统太阳能光伏带动土壤源热泵系统 地源热泵的 COP 值大约为 4 需要一台功率 2 5kW 土壤源热泵 太阳能光伏系统单千瓦造价大约 10000 11000 元 咨询保定英利 含组件 支架 电缆 逆变器等 1kW 发电需要 4 块 250w 光伏板 单晶硅 每块光伏板的尺寸为 1650mm 990mm 2 5kW 总造价 约 2 5 万元 光伏板面积大约 16 3 m2 地源热泵系统单平米投资大约 250 300 元 100 m2大约需要 2 5 万元 需要打 2 口 120 米深地热竖井 占地面积大约 12 m2 具体计算如下 1 计算地埋管换热器的最大换热量 地埋管换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤中 吸收的热量 根据如下公式计算土壤性换热器的换热量 Q1 Q1 1 1 COP1 Q2 Q2 1 1 COP2 其中 Q1 夏季向土壤排放的热量 kW Q1 夏季设计总冷负荷 kW Q2 冬季向土壤吸取的热量 kW Q2 冬季设计总热负荷 kW 4 COP1 设计工况下地源热泵机组的制冷系数 COP2 设计工况下地源热泵机组的供热系数 本方案总冷负荷为 10kW 总热负荷为 8kW 地源热泵机组的制 冷系数 COP1 取 5 5 供热系数 COP2 为 4 2 Q1 Q1 1 1 COP1 10 1 1 5 5 11 8kW Q2 Q2 1 1 COP2 8 1 1 4 2 6 1kW 即系统夏季最大总排热量为 11 8kW 冬季最大总吸热量为 6 1kW 2 竖井埋管管长 单位管长换热量与地质结构成分有密切关系 而且各地质层传 热性能各有差异 在建立模型计算方面比较困难 而且也存在一定 的误差 根据东营地区的工程经验来计算单位管长的换热量 即单 位孔深排热量按 55W m 单位孔深吸热量按 35W m 单位换热量可 根据该项目岩土热响应测试后的实际情况调整 按排热量计算地埋管的长度 计算公式如下 L1 Q1 1000 W1 L1 竖井总深度 m Q1 换热器总排热量 kW W1 单位孔深排热量 w m 因此 竖井总深度 L1 Q1 1000 W1 11 8 1000 55 214m 按吸热量计算地埋管的长度 计算公式如下 5 L2 Q1 1000 W2 L2 竖井总深度 m Q2 换热器总吸热量 kW W2 单位孔深吸热量 w m 因此 竖井总深度 L2 Q2 1000 W2 8 1000 35 110m 采用按排热量计算结果作为埋管长度 多余部分热量用于制取 热水 则竖井总深度 L 214m 3 竖井数量 常规竖井深度为 120m 左右 如果地下有岩层或其他硬物 则 需另外考虑 计算竖井数目 N L H 其中 L 竖井总深度 m N 竖井口数 个 H 单口竖井深度 m 本项目竖井深度 H 120 米 因此 N L H 214 120 1 8 取整数为 2 口 则本项目室外地埋管总设计竖井数为 2 口 4 竖井间距 埋管孔径约为 120mm 150mm 下管深度 120m 立管采用 DE25 的 HDPE 高密度聚乙烯管单 U 管 根据工程经验 设计井间距为 4m 既能满足换热的需求 又能节省埋管空间 6 地埋管采用垂直埋管 地埋管深度为 120m 埋管井间距按 4m 计算 地埋管系统一般埋深 1 5 2m 以下 不影响地面的使用 竖井总占地面积 S 3 4 12 2 2 太阳能光伏带动空气源热泵系统太阳能光伏带动空气源热泵系统 空气源热泵的 COP 值大约为 3 需要一台功率 3 3kW 空气源热 泵 太阳能光伏系统千瓦造价大约 10000 11000 元 咨询保定英利 含组件 支架 电缆 逆变器等 1kW 发电需要 4 块 250w 光伏板 单晶硅 每块光伏板的尺寸为 1650mm 990mm 3 3kW 总造价 约 3 3 3 6 万元 光伏板面积大约 21 6 m2 空气源热泵系统单平米投资大约 180 220 元 100 m2大约需要 1 8 2 2 万元 占地面积大约 2 m2 综上所述 综上所述 采用太阳能光伏带动地源热泵系统 每户大约需要 投资 5 万元 光伏板占地面积约 16m2 地埋管占地面积约 12m2 地源热泵机组占地面积约 0 5 m2 采用太阳能光伏带动空气源热泵 系统 每户大约投资 5 4 万 光伏板占地面积大约 21 6 m2 空气源 热泵机组占地面积约 0 5 m2 三 运行简析三 运行简析 1 1 太阳能光伏带动地源热泵系统太阳能光伏带动地源热泵系统 夏季 太阳能光伏发电一方面维持地源热泵机组运行 另一方 面利用地源热泵不运行时间 对蓄电池进行充电 夜间通过蓄电池 维持地源热泵运行 剩余发电量用于自用或者上网 另外还可以利 7 用地源热泵回注侧热水 通过换热器制取热水供洗浴等生活用热水 冬季 太阳能光伏发电一方面维持地源热泵机组运行 另一方 面利用地源热泵不运行时间 对蓄电池进行充电 夜间通过蓄电池 维持地源热泵运行 剩余发电量用于自用或者上网 另外还可以增 加换热器制取热水供洗浴等生活用热水 春秋过渡季节 此时房间没有空调要求 可用太阳能光伏所发 的电用于自用或者上网 也可以利用地源热泵制取生活用热水 2 2 太阳能光伏带动空气源热泵系统太阳能光伏带动空气源热泵系统 夏季 太阳能光伏发电一方面维持空气源热泵机组运行 另一 方面利用地源热泵不运行时间 对蓄电池进行充电 夜间通过蓄电 池维持空气源热泵运行 剩余发电量用于自用或者上网 可利用空 气源热泵的排热用于制取生活用热水 冬季 太阳能光伏发电一方面维持空气源热泵机组运行 另一 方面利用地源热泵不运行时间 对蓄电池进行充电 夜间通过蓄电 池维持空气源热泵运行 剩余发电量用于自用或者上网 因空气源 热泵制热功率比制冷功率要大 可将多出的这部分制热功率用于制 取热水 春秋过渡季节 此时房间没有空调要求 可用太阳能光伏所发 的电用于自用或者上网 还可以利用空气源热泵制取生活用热水 四 市场优劣势简析四 市场优劣势简析 1 优势 优势 8 1 零 能耗 概念领先 2 节能环保 社会效益和运行经济效益显著 3 冷 暖 热水联供效果均比较好 传统空调冬季制热效果差 2 劣势 劣势 1 初始投资高 5 万元左右 传统空调投资大约 1 5 万左右 2 系统相对复杂 稳定性方面较传统空调稍差 3 系统相对复杂 运行控制 检修维护方面较传统空调稍差 五 初步结论五 初步结论 该方案在技术上是可行的 如投入市场应用 需进行专项技 术深入研发 在系统的匹配性 稳定性 控制方便性 整体结构紧 凑性 安装方便性等方面进行研发设计 由于初始投资较高 一般 农户家庭很难接受此价位空调系统 在单个农户市场推广上有很大 的难度 六 类似技术六 类似技术 1 格力空调研发的 格力光伏变频离心机系统 此技术是将太阳能与永磁同步变频离心机结合起来 可直接在 不加任何 DC DC 稳压环节的情况下使用太阳能供电 与太阳能直流 系统对接 还可将余电发给市网 并通过发用电一体化群控管理系 统对系统进行智能化管理和调度 单平米的价格在 800 900 元 2 直膨式热泵辅助太阳能热水新系统流程 是将太阳能集热器与热泵蒸发器合二为一 太阳能集热器同时 9 作为热泵的蒸发器 制冷剂直接在太阳能集热器中蒸发 可以大大 提高热泵制取热水的效率 在制冷量提升方面没有优势 适用于单 一供热型市场 由于含太阳能制热 投资成本也很高 3 太阳能吸收式制冷技术与地源热泵联合运行 太阳能与地源热泵联合运行系统多设计成夏季采用地源热泵 系统制冷 冬季采用太阳能热泵与地源热泵联合供热 但建筑物夏 季所需冷负荷要大于冬季所需热负荷 而热泵机组又往往都是制热 量大于制冷量 通常热泵机组的制热量是制冷量的 1 1 1 3 倍 因 此在机组选择时 如果按夏季冷负荷标准选择机组 会导致机组的 制热能力大大超出建筑物的热负荷需求 而若按照冬季热负荷标准 选择 则会出现夏季制冷量不够 地源热泵机组可按照冬季热负荷进行选择 夏季冷负荷不足部 分以太阳能吸收式制冷作补充 这样不仅可以降低地热换热器的初 投资 而且还可以使地热换热器间歇运行 土壤温度场得到及时恢 复 近年来太阳能吸收式制冷技术已经逐渐成熟 在太阳能集热器 方面 平板型集热器 真空管型集热器都已在市场上推广应用 在 制冷机方面 适合于太阳能利用的吸收式制冷机也有了很大的发展 低温热水型两级吸收式溴化锂制冷机的热源温度只需 60 以上 同 时 如以温度为 80 以上的热源驱动单效吸收式制冷机 其系统的 COP 值可达到 0 7 而若温度低于 80 可用其驱动双效吸收式制 冷机 则系统的 COP 值约为 0 35 所以可以冬季采用太阳能热泵与 10 地源热泵联合供热 夏季采用太阳能吸收式制冷与地源热泵联合运 行制冷 此项技术由于采用光热 溴化锂制冷等吸收式热泵 所以单千瓦投 资更高 七 建议七 建议 以上类似技术和太阳能带动地源热泵系统 均存在初步投资高 的硬伤 很难打开农村户用市场 太阳能带动地源热泵系统造价高的主要原因是光伏发电部分造 价高 受光伏价格拉升导致整个系统价格偏高 光伏发电的投资回 收期在 10 年左右 所以搞联合运行 在经济上不理想 建议此类项目可以打造出 零 能耗 节能环保等概念 在别 墅类高端项目进行市场开发 另外