現(xiàn)代建筑為滿足居住者的舒適要求和使用需要，應(yīng)具備供暖、空調(diào)、熱水供應(yīng)等一系列功能。我國民用建筑的整體舒適度低于世界各發(fā)達國家，但建筑能耗已占全國能源消費總量的25%以上，接近發(fā)達國家建筑用能占全社會能源消費量1/3左右。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活的提高，建筑能耗還將大幅度增長。
因此，必須發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，建設(shè)節(jié)約型社會，開發(fā)利用清潔可再生能源，加快可再生能源在建筑中的應(yīng)用和發(fā)展。我們通過深入的調(diào)查，潛心研究，設(shè)計出了太陽能熱泵耦合跨季節(jié)蓄熱供熱系統(tǒng)。本系統(tǒng)不但能夠滿足用戶冬季采暖、夏季制冷的需求，還能四季提供日常生活熱水?，F(xiàn)根據(jù)在北京市大興區(qū)榆垡鎮(zhèn)某村實施的工程項目案例進行淺析。
1項目概況
1.1項目背景
北京市大興區(qū)榆垡鎮(zhèn)某村位于永定河畔，現(xiàn)有農(nóng)戶110戶，農(nóng)村人口約400多人，是京郊以梨文化為特色的民俗旅游接待村。目前農(nóng)戶基本采用多設(shè)施、多操作點的能源供給方式：燃煤鍋爐（土暖氣）采暖、空調(diào)制冷、太陽能熱水器供生活熱水。這種傳統(tǒng)的用能方式每年約耗煤3t以上，耗電1萬kW·h以上，燃煤鍋爐采暖，室內(nèi)溫度一般在12～15℃之間，最高可達16～17℃，不但使用效果差，污染嚴重，而且運營費用高。為了響應(yīng)大興區(qū)“宜居宜業(yè)”的號召，倡導(dǎo)低碳減排的生活方式，改善人類的生態(tài)環(huán)境，同時也為了建立農(nóng)村建筑節(jié)能運行及節(jié)能技術(shù)改造的示范，榆垡鎮(zhèn)政府將某村作為一個試點，進行無煤村改造。（無煤村即用清潔能源取代不可再生的能源——煤為人們提供生活能源，既節(jié)能又環(huán)保。）
1.2項目簡介
本項目擬通過太陽能集熱蓄熱循環(huán)和土壤儲熱取熱循環(huán)兩大系統(tǒng)為村民提供供暖及熱水供應(yīng)熱源，空調(diào)冷源。具體地源熱泵、太陽能系統(tǒng)情況介紹如下。
1.2.1地源熱泵
地源熱泵是利用地球土壤所儲藏的太陽能資源作為冷、熱源，既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現(xiàn)低溫品位熱能向高溫品位熱能的轉(zhuǎn)移，從而達到建筑空調(diào)的效果。地源熱泵是一項高效節(jié)能型、環(huán)保型并能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的新技術(shù)，既不會污染地下水，又不會影響地面沉降。在冬天，管道內(nèi)的熱媒將地下的熱量帶出，然后通過系統(tǒng)導(dǎo)入建筑物內(nèi)，同時蓄存冷量，以備夏天使用；在夏天，熱量從建筑物內(nèi)帶出，通過系統(tǒng)排入地下，同時蓄存熱量，以備冬天用。地源熱泵在冬夏季節(jié)均能可靠地提供高品質(zhì)的冷暖空氣，營造一個非常舒適的室內(nèi)環(huán)境。系統(tǒng)充分利用了地下土壤溫度恒定、熱能可循環(huán)再生的特點，并通過電力這一清潔能源，實現(xiàn)了冬季采暖、夏季制冷的兩項功能。圖1是地源熱泵設(shè)備機房效果。
圖1設(shè)備機房效果圖
因此，選用地源熱泵這一清潔能源，有利于保護人們賴以生存的環(huán)境，有利于我國環(huán)保問題的解決。
1.2.2太陽能
太陽能是可再生能源中最為普遍的一種，其利用大致可以分為熱利用與光伏轉(zhuǎn)換兩個方向。我國在太陽能熱利用技術(shù)方面已有多年的開發(fā)、利用經(jīng)驗。目前，我國已成為太陽能熱水器生產(chǎn)和應(yīng)用大國。
對于年日照時數(shù)大于1200h，年太陽輻照量大于3500MJ/㎡的地區(qū)，宜設(shè)計、選用太陽能熱水系統(tǒng)。遵照的基本原則是：對太陽能資源豐富和較為豐富的地區(qū)，應(yīng)在有熱水供應(yīng)需求的民用建筑上推廣使用太陽能熱水系統(tǒng)；對資源一般地區(qū)，應(yīng)優(yōu)先考慮和選擇使用太陽能熱水系統(tǒng)；資源貧乏的地區(qū)，應(yīng)進行投資收益分析，并在合理的前提條件下，優(yōu)先選擇使用太陽能熱水系統(tǒng)。
太陽能熱水系統(tǒng)，是利用太陽能集熱器生產(chǎn)熱水的一種集成技術(shù)，根據(jù)其規(guī)模大小又可以分為家用太陽能熱水器與太陽能熱水系統(tǒng)。太陽能熱水系統(tǒng)具有運行成本低、安全、清潔等優(yōu)點，相對于家用太陽能熱水器，運行效率及可靠性高，適合于賓館、學校等熱水需求量大的場所。國家各部委和北京市政府對太陽能熱水系統(tǒng)的發(fā)展也給予了大力支持。
本項目通過太陽能全年集熱補充常規(guī)熱泵工作時造成地下土壤溫度逐年降低的不足，同時提高熱泵能源轉(zhuǎn)換效率，節(jié)約電能，甚至隨著系統(tǒng)使用年限的增加，冬季采暖不再使用熱泵機組。
因此，選用太陽能地源熱泵系統(tǒng)無論從經(jīng)濟性還是環(huán)保性，都具有十分重要的意義，夏季太陽能設(shè)備不再處于浪費狀態(tài)，充分利用其功效，太陽能和熱泵的組合，在地下土壤儲能的幫助下，徹底實現(xiàn)全年能源平衡利用，而且完全使用清潔能源，對當?shù)厣鷳B(tài)保護和環(huán)境建設(shè)是一個突破性的創(chuàng)新。
1.2.3設(shè)計原則
1.節(jié)約日耗費用，充分利用太陽能；
2.倡導(dǎo)環(huán)保；
3.節(jié)省投資，具有良好的設(shè)備投資性能價格比；
4.方便用戶，所有操作全自動控制執(zhí)行；
5.系統(tǒng)運行安全可靠，故障率低；
6.系統(tǒng)符合國家產(chǎn)業(yè)政策和技術(shù)標準，一次通過規(guī)范的檢測驗收。
1.2.4設(shè)計原理
由于太陽能分布與季節(jié)不匹配的特點使得太陽能利用受到限制，太陽能和地源熱泵相結(jié)合，能夠彌補太陽能不穩(wěn)定性和間歇性的缺點，并減小太陽能集熱器和地埋管換熱器面積，二者聯(lián)合運行能滿足一定供暖要求。所以本項目通過地源熱泵利用地球土壤所儲藏的太陽能資源作為熱泵熱源，空調(diào)冷源。系統(tǒng)可分為太陽能集熱蓄熱循環(huán)和土壤儲熱取熱循環(huán)兩大系統(tǒng)，由地源熱泵、太陽能集熱器、熱水箱、連接管道、控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。
在冬天，管道內(nèi)的液體將地下的熱量抽出，然后通過系統(tǒng)導(dǎo)入建筑物內(nèi)，由于冬季土壤溫度較低，系統(tǒng)運行初期地埋管換熱器周圍土壤溫度場得不到有效恢復(fù)，熱泵效率也將降低，因此采用太陽能季節(jié)性土壤蓄熱，把除冬季外收集的太陽能熱量通過地埋管換熱器蓄存在土壤之中，冬季再用熱泵將熱量從土壤中取出的補熱方式進行供暖。同時蓄存冷量，以備夏季使用。在夏天，熱量從建筑物內(nèi)抽出，通過系統(tǒng)排入地下，同時蓄存熱量，以備冬季使用。系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換成熱水，將熱水儲存在水箱內(nèi)，然后通過熱水輸送到發(fā)熱末端（風機盤管散熱器采暖、制冷），提供建筑采暖、制冷和生活熱水。
1.3設(shè)計參數(shù)
1.3.1空氣計算參數(shù)（見表1）
2效益分析
2.1經(jīng)濟性分析
該項目改造工程按每戶投資約9萬元，制冷和采暖年運行費用約0.25萬元，采用太陽能供生活熱水，完全免費，無需另外投資。按照傳統(tǒng)方式用能的土暖氣采暖裝置、空調(diào)機組和熱水器的費用約為4萬元，制冷、采暖和生活熱水的供應(yīng)年運行費用約為1.13萬元。通過兩者對比可發(fā)現(xiàn)，本方案每年可節(jié)約用能費用約9千元，預(yù)計5～6a即可回收投資。
2.2環(huán)境效益分析
本工程以太陽能和地源熱泵作為熱泵熱源、空調(diào)冷源，從能源利用的角度來講，節(jié)能效果顯著；從用戶運營成本的角度來講，明顯降低了運行成本。項目實施后可減少由于燃煤所產(chǎn)生的粉塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物的排放量，從而促進了社會環(huán)境保護，有利于社會的可持續(xù)發(fā)展。
根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)測算，太陽能地源熱泵系統(tǒng)使用時每戶每年可節(jié)省約7.36t標準煤。本項目安裝太陽能集熱器和地埋管換熱器系統(tǒng)110套，其太陽能集熱器面積共2640㎡。每戶每年可減少二氧化碳的排量約18.36t，減少二氧化硫排量約0.405t、減少氮氧化物排量約0.184t。
系統(tǒng)運行無任何污染，無燃燒、無排煙，不產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣和煙塵，不會產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)。
3結(jié)論
作為大興區(qū)首個“無煤村”試點，通過地源熱泵耦合太陽能供熱系統(tǒng)儲蓄能量供暖、制冷項目的設(shè)計實施，意在尋求一種新的民用采暖致冷用能方式，改變現(xiàn)有非環(huán)保型的采暖用能模式，建立能源利用的新體系，且本項目采用的技術(shù)符合國家和北京市關(guān)于節(jié)能、環(huán)境保護的有關(guān)規(guī)定。利用成熟的可再生能源技術(shù)，既節(jié)省了常規(guī)化石能源消耗，降低了運營成本，又有利于周邊地區(qū)的大氣環(huán)境治理，為在大興地區(qū)推廣使用太陽能綜合利用技術(shù)，提供良好的示范作用。該項目的實施不僅是現(xiàn)代科學技術(shù)水平進步的重要體現(xiàn)，而且實現(xiàn)自然生態(tài)平衡、環(huán)境保護，減少了常規(guī)能源消耗，保障能源供應(yīng)安全，更有利于北京市及區(qū)縣的可持續(xù)發(fā)展，促進了新農(nóng)村建設(shè)。
