太阳能与地源热泵在新农村住宅建设中的应用分析

太阳能与地源热泵

在新农村住宅建设中的应用分析

1 引言

党的十六届五中全会通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年

规划的建议》，提出了建设社会主义新农村的重大历史任务，其中重要的一项就是加强村

庄规划和人居环境治理。长期以来，北方农村住宅一般仅利用火炕和火炉取暖，供暖质量

不能保证，更谈不上空调和生活热水的供应。为了有效提高农村的人居环境，缩短城乡差

距，有必要在有条件的地区为农村住宅增设供暖空调和生活热水供应系统。

农村住宅一般具有建筑容积率较低，没有明显遮挡，能源价格较高，除电力外其他

能源一般较短缺的特点，非常适宜于太阳能和地源热泵等新能源系统的应用。作者受委托

对北京郊区的某新农村住宅小区应用太阳能和地源热泵系统来供暖空调以及供生活热水

的情况进行了分析。分析表明，太阳能和地源热泵系统的应用不仅可以实现供暖空调和生

活热水供应的功能，在经济性和节能性方面也具有显著优势。

2 项目概况与负荷分析

本文所研究对象是北京市新农村改造示范项目之一，一期规划建设十四万平方米的

回迁楼23栋，均为6层的多层住宅，每户住宅建筑面积在75－120平方米之间，共包含

住宅1416户，配套公共建筑面积1000平方米，屋顶形式为坡屋面。

据建设方提供的规划图和各栋住宅的标准层平面图，作者按照相关标准规范对全部

23栋回迁楼的生活热水和空调采暖负荷进行了估算，所有住宅楼的汇总见表1所示。

表1 生活热水和空调采暖负荷估算汇总

户数

(户)

1375

面积

(m

2

)

134118

总人数

(人)

4748

最高日用

水量(m

3

)

356.10

采暖负荷

（W）

供冷负荷

（W）

平均日用

水量(m

3

)

178.05

设计小

时耗热

量（kW）

2708.29 5032945 8184585

根据作者以往的工作经验，在缺少相关详细资料的情况下作者在估算中采用了以下

假设和估算指标：

（1）所有住宅均满足北京市地方标准DBJ 01-602-2004《居住建筑建筑节能设计标

准》。

（2）三室两厅户型按每户4人计算热水用量，二室两厅户型按每户3人计算热水用

量，一室两厅户型按每户2人计算热水用量。

（3）生活热水供水温度50℃，自来水上水温度12℃。

（4）村民最高日用热水量按规范低限选取，折合为50℃供水温度为每人75L/

（人·天），日平均用水量按最高日用热水量的50％选用。

（5）考虑到回迁楼位于市郊，采暖负荷热指标按照35W/m

2

选取，略高于北京市节

能设计标准推荐的最高采暖设计热负荷指标32W/m

2

。

（6）根据经验，住宅空调负荷指标按照60W/m

2

选取。

通过以上方式估算出的生活热水和空调采暖负荷将作为以下系统方案规划和经济分

析的基础。

3 方案分析

在本项目中，太阳能可以通过以下两种形式来应用：

（1）太阳能系统仅供应建筑生活热水。太阳能系统与负责空调采暖地源热泵系统完

全独立，与辅助能源一起负责建筑生活热水的供应。太阳能集热系统集热器面积按照生活

热水平均日用水量和60%的太阳能贡献率来设置。

（2）太阳能系统可同时供应生活热水和采暖。通过优化控制太阳能系统在生活热水

和建筑采暖功能之间的转换，尽可能增加太阳能的利用。在本工程中，当仅考虑在建筑南

向坡屋面布置太阳集热器时，满布太阳集热器也不能满足供热能耗要求，本着尽量利用太

阳能的原则，在南向坡屋面满布太阳集热器。

由于项目所在地地下水缺乏，也无适当的地表水可资利用，地源热泵系统采用地埋

管系统。经地质勘探，当地覆土25米以下为厚厚的铁矿岩，垂直埋管困难；且项目所在

地有大面积的绿化带可用，因此地源热泵系统选用水平式地埋管系统。

空调采暖系统末端采用常规的风机盘管系统，地源热泵机组采用水－水机组，管路

系统采用两管制，太阳能和地源热泵综合利用系统生成的冷热水通过循环泵送入风机盘管

中进行空调采暖。生活热水系统采用传统集中供热水系统，只不过热源优先使用太阳能而

已。

按太阳能应用方式的不同，作者拟定了以下三种系统作为主要研究对象：

（1）系统1：太阳能仅供建筑生活热水，电辅助加热；水平式地埋管系统空调采暖

（2）系统2：太阳能仅供建筑生活热水，水平式地埋管系统辅助加热；水平式地埋

管系统空调采暖

（3）系统3：太阳能供建筑生活热水和采暖；水平式地埋管系统空调采暖

4 系统运行模拟

由于太阳能具有能流密度低以及能量供应具有间歇性和不可靠性的特点，为保证空

调采暖系统的可靠性，在对地源热泵系统进行选型时，不应考虑太阳能的作用，而仍需按

照空调采暖负荷要求对地源热泵系统进行选型。因此，作者将太阳能系统和地源热泵系统

先各自独立进行分析和讨论，再根据需要将它们组合成为适当的系统。

4.1太阳能系统

在太阳能系统模拟计算中作者以北京市月平均气象参数为基础，采用f-chart法计算，

集热器采用常规的1×2m的平板集热器，安装角度与北京地区纬度相同，为40度正南向

安装。

4.1.1太阳能系统仅供应建筑生活热水

表2 太阳能系统仅供应建筑生活热水时系统选型与模拟结果 太阳能保证率f=60％

辅助热源

集热

器数

量

集热

器面

积

m

2

年水

泵耗

电量

MWh

全年太

阳能得

热量

MWh

贮热

水箱

容积

m

3

有效

贮热

容积

m

3

设计小

时耗热

量kW

用电加热

盘管

长度

m

辅助热源用地埋管

所需

地表

面积

m

2

地热

提供

热量

MWh

辅助热源

功率kW

年耗

电量

MWh

1756 3512 32.48 1734.36 210.72 70.2 2708.29 1932.24 45195 323.8 40676 814.07

表2给出了太阳能系统仅供应建筑生活热水时通过Retscreen软件模拟得出的各楼太

阳能系统的选型和运行结果。在模拟过程中，系统太阳能保证率取为60％，太阳能集热

系统采用单水箱间接式系统，供水温度50℃。

从模拟结果中可以看出，如果采用地源热泵作为系统辅助热源，地热能和太阳能这

两项可再生能源在生活热水系统中的贡献率将达到88.73%，该生活热水供应系统全年能

效比高达8.15。即使采用电辅助加热，系统全年能效比也可高达2.52。

4.1.2太阳能系统同时供应生活热水和采暖

表3给出了太阳能系统同时供应生活热水和采暖时的系统选型和运行模拟结果。在