摘要：本文详细描述了位于北京天普集团工业园区的太阳能空调/热泵的系统构成和设计思想，系统以太阳能供冷暖为主，热泵为辅，可以完全满足新能源示范大楼全年的空调、采暖及生活热水的需要。文中介绍了系统冬季运行的技术参数，并与其他几种传统的采暖方式进行了经济和环境效益方面的比较，总结了太阳能空调的特点。
关键词：太阳能；空调；热泵；分析
SOLAR POWERED AIR CONDITIONING-HEAT PUMP SYSTEM
─ the system’s structure and analysis in winter
Bai Ning Li Jianhong Ma Weibin Wang Donghai
(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, CAS, Guangzhou 510640,
China Graduate School of the Chinese Academy of Sciences)
Abstract: This paper reports the solar air conditioning-heat pump system at Tianpu industry area in Beijing. The system can meet the need of air conditioning, heating and hot water supplying of the building by the solar system and an auxiliary heat pump system. It analyses the character of performance, and concludes that the system’s working is economical and friendly to environment.
Key words：solar energy; air conditioning; heat pump; analysis
0 引言
随着经济的发展，人民生活水平的提高，空调和采暖能耗在我国建筑能耗中的比重大幅度地提高，逐步发展成为建筑能耗中的一个主要部分，给能源和环境带来更大的压力。而太阳能是一种取之不尽、用之不竭的洁净能源，用太阳能补充常规能源驱动空调和采暖系统对于节能和环保都具有十分重要的意义，目前国内已经建成了数套太阳能供冷、供暖的空调示范系统[1~3]，太阳能利用呈现出勃勃的生机。
本文详细描述了位于北京天普太阳能集团工业园区的天普新能源示范大楼的太阳能空调/热泵系统的设计、构成和冬季测试数据分析，旨在为太阳能空调的推广应用积累经验。
1. 太阳能空调/热泵系统详述
1. 1 系统工作原理
新能源示范大楼是一座集住宿、餐饮、娱乐、展览、会议、办公等多种功能为一体的综合楼，总建筑面积8000 m2。该楼主体建筑于2002年8月基本建成，2003年底通过验收，现已完成并投入运行。
本系统的目标是为满足天普新能源示范大楼夏季空调、冬季供暖的需求，系统主要由太阳能集热器阵列、溴化锂制冷机、热泵机组、蓄能水池和自动控制系统等几大部分组成。
系统工作原理如图1所示。建筑采暖、空调期间，均优先利用太阳能为储能水池蓄能。冬季，通过板式换热器将集热系统收集的热量交换给蓄能水池，达到蓄热的目的；夏季，吸收式制冷机以太阳能集热系统收集的热水为热源，制造冷冻水，作为储能水池的冷源。
热泵作为太阳能空调的辅助系统。冬季，当水池温度低于33℃或者处于用电低谷期（每晚22：00－次日7：00），热泵启动，向蓄能水池供热；夏季，当太阳能制冷无法维持水池温度18℃时，热泵则向蓄能水池供冷，保持水池的温度。
过渡季节系统仅启动太阳能部分制冷、制热，并在不同的过渡季节选用不同的工作模式。春季，系统在蓄冷模式下工作，吸收式制冷机向蓄能水池提供冷冻水，降低蓄能水池的温度为夏季供冷做准备；秋季，系统转换成蓄热模式，太阳能集热系统向蓄能水池供热，提高水池的温度为冬季供暖做准备。
不论冬季还是夏季，空调水系统的热水和冷冻水均由蓄能水池供给。冬季，室内温度低于18℃时大楼供能泵开启，水池向大楼供暖，当室内温度高于20℃，供能泵关闭；夏季，室内温度高于27℃时大楼供能泵开启，水池向大楼供冷，当室内温度低于23℃，供能泵关闭。建筑全年采用自然通风。
图1 空调系统图
1.2 系统技术参数
太阳能集热系统：
集热器： U型管式真空管集热器，热管式真空管集热器，储热式真空管集热器
总采光面积： 1018 m2
太阳能空调系统及生活热水系统：
制冷机：单级（热水）溴化锂吸收式制冷机
制冷能力：200 kw
热源温度：75～90 ℃
冷冻水温度：12～15℃
空调面积：5600 m2
生活热水最大日供量：10 m3
辅助系统：
热泵机组：GWHP 400
制冷能力：464 kw
制热能力：403 kw
自动控制系统：
传感器、可编程控制器及工业控制微机
1.3系统详述
图2 太阳能集热器与建筑一体化示意图
集热系统总采光面积812 m2，集热器由热管式真空管和U型管式真空管组成。考虑到与建筑一体化问题，集热器在安装前被预制成不同的模块，U型管集热器和热管集热器由φ58×1800的真空管分别预制成4000×1200 mm2和2000×2400 mm2的安装模块。经过建筑部门和设计人员的精心设计，热管式集热器布置在新能源示范大楼东楼的南向坡屋顶，U型管集热器安装在新能源示范大楼西楼的南向坡屋顶及机房的南坡屋顶（如图2所示），各排集热器并联连接，安装倾角同北京的纬度相近，38度左右。这样布置集热器不仅可以满足集热器的安装要求，又能够保证建筑物造型美观，充分体现出太阳能与建筑一体化的特色。在夏季，与建筑结合为一体的集热器还有隔热效果，同时达到节能目的。
由于太阳能本身能量密度低，受时间、天气等条件限制，要使空调系统能够全天候的工作，辅助系统是必不可少的。本系统采用了一台地源热泵机组作为辅助系统，这样设置主要有以下优点：(1)热泵能够制冷和制热，免于同时增加锅炉和制冷机，降低了系统的复杂程度，简化了系统设计；(2)热泵的启动和停止迅速，冬夏运行工况转换方便，便于控制。
冷却水系统摒弃了常规使用的冷却塔，利用距离机房不远处一水景水池作为冷却水的来源，冷却水在水池和机组之间循环。这样不仅节省了冷却塔的费用，而且与建筑和环境协调。
自动控制系统主要由传感器，可编程控制器（PLC）及工业控制微机三部分组成，分为自动和手动两个控制模式。为了符合各个季节系统运行的特点，自动控制模式又分为供冷、蓄冷、供热、蓄热、空挡五个运行工况。并且控制系统支持远程监控，可以通过网络从异地监视系统运行和改变操作指令，将网络等高科技介入了控制系统之中。
为了最大限度的利用太阳能，同时根据建筑空调的特点，系统设置了储能水池。本系统配置的储能水池比通常太阳能系统的储水箱容积要大的多，有1200 m3，这是本系统设计的一大特点。蓄能水池的大容积，保证水池所蓄能量可完全满足建筑的需要；同时在建筑不需要空调的过渡季节，水池可提前蓄冷、蓄热为空调季节做准备。由于蓄能水池对太阳能的储蓄中转，集热器全年工作，利用率大大提高。蓄能水池设置在地下，传热温差远远小于与环境的温差，有利于减少储能的损失。
2. 太阳能生活热水系统
大楼生活热水系统采用独立的太阳能热水系统，这样可以避免生活热水系统与空调水系统之间的切换，降低系统复杂程度。太阳能生活热水系统的储热式全玻璃真空管集热模块安装在建筑物南立面，模块在安装过程中取消常规的框架，水箱，与建筑融为一体，同时起到好的建筑物南立面隔热保温效果。建筑南立面共安装48个集热模块，总采光面积206 m2。
3. 冬季供暖系统分析
3.1 冬季供暖测试数据及分析
采集了2004.1.1～2004.3.15 的运行数据，以下列举部分数据进行分析。
表1 冬季系统工作概括
集热系统工作时间
（h） 太阳能蓄热总量
（kwh） 热泵蓄热量
（kwh） 系统耗电量
（kwh） 能耗比
（/kw/kw）
443.5 32762.9 299025 93644.5 3.54
注：能耗比为系统总蓄热量与耗电量之比值
2004.1.1～2004.3.15太阳能集热系统工作443.5小时，向地下蓄能水池储蓄能量32762.9 kwh，热泵工作675小时，蓄热299025kwh。根据热泵的工作原理，可以计算得到，热泵从废热（车间冷却水）中提取能量227475 kwh，则2004.1.1～2004.3.15，系统利用太阳能和废热共蓄热260237.9 kwh，新能源在供暖中的比例为0.784。260237.9/(32762.9+299025）=0.784
通过表1计算得到，2004.1.1～2004.3.15系统共蓄热331787.9 kwh，消耗电能93644.5 kwh，能耗比达到3.54，显示了系统的节能优越性。
表2热泵机组部分运行数据
时 间 冷凝器进口温度
（℃） 冷凝器出口温度
（℃） 流 量
（m3/h） 功 率
（kw） EER
2004-1-12
22：25 35.2 40.3 77.5 105.4 4.38
22：30 35.2 40.3 77.5 105.4 4.38
22：40 35.3 40.4 77.5 105.4 4.38
2004-1-14
22：45 33.6 38.6 77.5 101.8 4.44
22：50 33.6 38.6 77.5 101.8 4.44
23：00 33.7 38.7 77.5 101.8 4.44
注：热泵功率根据热泵冷凝器水温和功率的曲线拟合得到
热泵的输出对象是地下蓄能水池，所以热泵不用考虑变工况，热泵几乎都是在满负荷的条件下运行，发挥了热泵的最大效能，这和当今大多数空调机组以较低的负荷率运转相比，本身就是一种节能。从表2可以看出，虽然进入热泵冷凝器的水温有所变化，但是这对热泵的能效比并没有太大的影响，热泵的EER都可以保持在一个较高的水平。
图3 室内外温度对比
图3显示了2004.1.1～2004.3.15连续最冷七天的室内外温度对比，从图中我们可以看到，当环境温度低且有波动时，室内温度在20～22℃之间变化，室内温度和温度变化幅度符合设计标准[4]，表明本系统完全可以满足建筑采暖的温度和舒适度要求。
3.2 经济性分析
分别对空调采用的几种典型热源方案和本系统比较，见表3
表3 典型热源方案
方案A 方案B 方案C 方案D
太阳能空调/热泵系统 燃煤锅炉 燃油锅炉 天然气锅炉
燃煤锅炉选用普通燃煤（燃料热值：20.9Mj/kg），燃油锅炉以0＃柴油为燃料（燃料热值：42Mj/kg）。燃煤锅炉和燃油锅炉的效率分别取0.58和0.88[4]。天然气锅炉效率0.88，鉴于天然气热值有一定波动范围，该文取值49.5Mj/kg。
本文只对各种方案的运行费用进行比较，并且只针对热源，不包括输配系统和终端设备。为简单起见，不计管理费用和维修费用。按照初期设计热负荷234950W，冬季热负荷指标取30W/m2。方案B、C、D按照运行天数75天，全天24小时运行。电价以高峰，平段和低谷分别为0.5，0.4和0.3元/kwh计。详见下表：
表4热源单位面积运行费用比较
方案A 方案B 方案C 方案D
能源价格 ---- 0.22元/kg 2.8元/kg 1.40元/m3
单位建筑面积耗燃料量 ----- 16.0 kg/(m2?a) 5.3kg/(m2?a) 4.46kg/(m2?a)
冬季供暖/元/m2
3.57（电费） 3.53 14.84 8.68
其他方案与A方案燃料费比值 1 0.99 4.2 2.4
比较可知，太阳能热泵系统的供暖费用除稍高于燃煤锅炉外，均低于其他几种热源方式。因为环境保护需要，城市中小型燃煤锅炉逐步退出民用建筑供暖领域已是必然趋势，因此太阳能热泵系统供暖在经济运行方面也显示出其优势和潜力。
3.3 环境效益分析
各种方案单位面积采暖燃料燃烧产生的CO2数量见下图：
图4 热源单位面积二氧化碳产量对比
从图5中我们可以看出，煤燃烧释放出的CO2量最多，其次是柴油和天然气，太阳能系统污染排放量为零，对环境是最友好的。
太阳能空调热泵系统的运行仅仅使用电能，而其他几种方案除需电能外均要产生二氧化碳等温室气体，尤其是燃煤锅炉产生的氮、硫化物的污染也是不容忽视的。可见用太阳能空调热泵采暖避免了燃料燃烧对大气的污染以及所产生的温室效应，其环保优势是其他几种方案所不能比拟的。
4．结论
据现有文献报道，本系统是国内利用太阳能采暖、空调规模最大的工程，经过夏季试运行及采暖季节运行，系统工作稳定，可靠性强，达到了初期的设计目标，实践证明其完全可以满足新能源大楼采暖/空调的要求。
系统主要有以下特点：（1）将集热器预制成安装模块，实现与建筑的良好结合；（2）利用地源热泵作为太阳能空调的辅助系统，简化了太阳能空调系统的构成，增加了太阳能空调系统的可靠性；（3）系统设置大容积地下蓄能水池，使太阳能系统全年工作成为现实，同时降低了蓄能的损失；（4）新能源利用率高，具有较强的节能优越性。在采暖季节，利用太阳能和废热的蓄热量接近总蓄热量的80％，能耗比达到3.54；（5）环境效益明显。通过与利用常规能源的采暖系统比较，具有污染排放物少等环保优势。
综上所述太阳能采暖/空调系统在能量利用，环境安全和经济运行等方面都具有优势和潜力，随着各方面技术的进一步成熟，太阳能采暖/空调系统会逐步进入实用化和商业化，成为广大暖通设计人员的另一选择。
参考文献：
[1] 李戬洪，马伟斌，江晴等.100kw太阳能制冷空调系统[j].太阳能学报，1999，20（3），239～243
[2] 何梓年，朱宁，刘芳等.太阳能吸收式空调及供热系统的设计和性能[j].
太阳能学报，2001，22（1），6～11
[3] K.SUMATHY，Z.C,HUANG，Z.F.LI. solar absorption cooling with low grade heat source-a strategy of development in south china[j].solar energy，2002，72（2），155～165
[4] 建筑工程常用数据系列手册编写组. 暖通空调常用数据手册(第二版). 北京：中国建筑工业出版社，2002，290～332，742
