“霧霾”是近些年所有人都躲不過、繞不開的話題，北方的供暖，更是采暖季霧霾直線加劇的根本原因。采用清潔能源供暖，是緩解甚至解決這一污染問題的最直接有效的辦法。北方部分城市及地區(qū)，也對太陽能和熱泵等清潔能源供暖項目給予了補貼。但各地區(qū)實施的方案合理性也是參差不齊，很多廠商也是任意發(fā)揮，使各類型太陽能、熱泵等清潔能源采暖的效果大打折扣。現(xiàn)就不同環(huán)境及使用條件下，如何選用合適的太陽能及熱泵供暖系統(tǒng)作了概括性分析，并對基于地源熱泵供熱的太陽能土壤源跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)作了簡要的技術(shù)闡述。
從該熱工分區(qū)圖可以看出，不需要供暖的“溫和地區(qū)”及“夏熱冬暖地區(qū)”國土面積占比很小，我國大部分地區(qū)都需要供暖。
1、采暖季輻照較為充足地區(qū)采暖方案
1.1、在采暖季輻照較為充足地區(qū)，季節(jié)性采暖時，宜采用太陽能熱泵（直膨式）。
在這樣的地區(qū)如采用一般的太陽能系統(tǒng)時，則非采暖季還須解決太陽能集熱系統(tǒng)的過熱問題，且采用太陽能熱泵（直膨式）時，太陽能集熱蒸發(fā)器宜采用無保溫的裸露在空氣中的有金屬流道及選擇性涂層的金屬集熱板（鋁制金屬膨脹板或類似結(jié)構(gòu)），這樣即使在非采暖季太陽輻照較大時，通過自然空氣對流，會及時將集熱蒸發(fā)器的熱量帶走，根據(jù)在不同輻照條件及風速條件下的測試及應用，溫度不會超過70℃。
另外太陽能熱泵（直膨式）還有如下特點：集熱蒸發(fā)器高效率-------集熱器效率可達70%以上。主機高COP值-------晴好天氣，COP高達5以上；即使在無光照的夜間甚至陰雨天氣，COP也能超過2。抗凍——采用環(huán)保冷媒R134a作為熱泵氟工質(zhì)，冰點為-103℃，自然環(huán)境中用不冰凍。
下面簡單介紹下太陽能熱泵的工作機理：吸熱蒸發(fā)、高溫壓縮、放熱冷凝、節(jié)流降壓。
吸熱蒸發(fā)------陽光照射到集熱熱蒸發(fā)板上，此時蒸發(fā)板上選擇性吸收涂層高效吸收太陽能輻射能（吸收比高達0.93），并即可轉(zhuǎn)化為熱能，加熱并蒸發(fā)流道內(nèi)的氟工質(zhì)，使之由液態(tài)吸熱變成氣態(tài);
高溫壓縮------氟工質(zhì)以一定的過熱度進入壓縮機壓縮，形成高溫高壓氟蒸汽;
放熱冷凝------高溫高壓氟蒸汽進入設置在儲熱水箱中的盤管式冷凝器（或套管式換熱器），氟蒸汽冷凝放熱加熱水箱中的冷水（或加熱經(jīng)過套管式換熱器的冷水）；
節(jié)流降壓------液態(tài)氟工質(zhì)在壓力作用下經(jīng)儲液器、干燥過濾器，進入電子膨脹閥節(jié)流膨脹，降壓降溫進入太陽能集熱蒸發(fā)器，再次吸熱蒸發(fā)而進入下一個熱量傳輸循環(huán)。
太陽雨太原形象店（及辦事處），共三層，每層建筑面積近200㎡，新能源采暖末端一二層為風盤，頂層為地暖。太陽能直膨式熱泵系統(tǒng)，為建筑樓面展示應用的四套新能源系統(tǒng)之一，因該建筑屋面面積限制，所以配套的直膨式集熱蒸發(fā)器(850mm*2200mm)只安裝了6塊，共計11.22㎡，直膨式熱泵主機也只相應配套了2P機組，采暖季輸出功率可達8kW。采暖季一般情況下由太陽能直膨式熱泵供熱，極端天氣采暖負荷增大后，直膨式熱泵機組再與配套的其他產(chǎn)熱設備共同供熱。
（原理圖1.1）季節(jié)性采暖——太陽能熱泵（直膨式）供暖方案
（案例1.1）太陽雨太原形象店（及辦事處） 太陽能熱泵（直膨式）供暖
（案例1.1）太陽雨太原辦事處 太陽能熱泵（直膨式）供暖——集熱蒸發(fā)板
1.2、在全年輻照較為充足地區(qū)，且全年供暖時，宜選用：太陽能（主體）+雙源熱泵（輔助）或太陽能（主體）+鍋爐或電熱等（輔助）。
此類系統(tǒng)主要用在熱水負荷及采暖負荷各季節(jié)較為均衡的情況，雖然是全年采暖，但是冬季采暖負荷還是比夏季要大一些，為了減少夏季熱輻射（避免夏季過熱），增大冬季熱輻射（避免冬季供熱不足），可采用設計安裝特定的集熱器角度予以平衡。太陽能集熱面積按春秋配置，并且參照此選值，可以選用雙源熱泵，在熱負荷為輕載工況下，全部或大部分由太陽能直接供熱；在太陽能直接供熱不能滿足采暖需求時，系統(tǒng)自動切換到水源熱泵工況，該工況下，太陽能系統(tǒng)因工作在低溫條件下，所以太陽能系統(tǒng)集熱效率可達到正常工況的1.5倍甚至2倍。如水源熱泵工況仍不能滿足需求，則再自動進入到空氣源工況即可。
（原理圖1.2）全年采暖：太陽能+雙源熱泵供暖方案
（案例1.2）全年采暖——西藏國際云端大酒店
2、采暖季氣溫不太低地區(qū)采暖方案
此類地區(qū)氣溫不太低，則可優(yōu)選空氣源熱泵作為供暖主要熱源，其形式可為空氣源熱泵（或電）+蓄熱體供暖+太陽能提供生活熱水，或多聯(lián)供熱泵采暖制冷及生產(chǎn)熱水（冬季可以制熱；夏季在制冷的同時可以免費生產(chǎn)熱水，使夏季的綜合COP達到6左右）。
太原古交金龍商務酒店（參見“案例2.1”附圖），原設計是酒店全部采用空氣源供暖+太陽能熱水系統(tǒng)（參見原理圖2.1），但由于酒店沒有空氣源供暖經(jīng)驗，只改造了其中部分客房計900㎡左右，采用太陽雨牌20P空氣源低溫機組3臺，為此900㎡的客房供熱，且提供酒店生活熱水，該項目2015年底投入使用，已可靠運行了兩個采暖季。
南京工業(yè)大學浦口校區(qū)食堂二層建筑面積約1000㎡，室內(nèi)采用EP-238KM4風機盤管20臺（單臺換熱功率12.15kW），由三臺太陽雨牌25P多聯(lián)供空氣源熱泵機組供冷供熱，夏季制冷時熱回收產(chǎn)生的熱水，直接供應附近的體育館泳池使用。此項目為南京工業(yè)大學多能源耦合母系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)（參見“案例2.2”附圖），非制冷工況時，該三聯(lián)供機組又作為母系統(tǒng)的熱泵熱水機組使用，其模式切換，均根據(jù)帶有遠程監(jiān)控的PLC控制系統(tǒng)所發(fā)出的指令執(zhí)行。該項目2015年底投入使用，至今已可靠運行了近兩個冬季、兩個夏季。該子系統(tǒng)所用的25P多聯(lián)供機組，輸入功率22kW，制熱輸出76kW，制冷輸出67kW，考慮到機組首要功能是空調(diào)功能，為了確保制冷效率，熱回收效率僅按30%使用）。（注:本人為此項目太陽能部分技術(shù)總牽頭及方案審核）
（原理圖2.1）空氣源熱泵（或電）+蓄熱體供暖，太陽能提供生活熱水
案例2.1空氣源熱泵采暖——太原古交金龍商務酒店
（原理圖2.2）多聯(lián)供熱泵采暖制冷及生產(chǎn)熱水(制冷+熱回收)——南工大食堂二樓
（案例2.2）多聯(lián)供熱泵采暖制冷及生產(chǎn)熱水(制冷+熱回收)監(jiān)控界面——南工大食堂二樓
（案例2.2）多聯(lián)供熱泵采暖制冷及生產(chǎn)熱水(制冷+熱回收)現(xiàn)場機組——南工大食堂二樓
（案例2.2）多聯(lián)供熱泵采暖制冷及生產(chǎn)熱水(制冷+熱回收)現(xiàn)場機組——南工大食堂二樓
3、地下水豐富且地下水流動性好的地區(qū)采暖方案
此類應用條件下，因為地下水流動性好，所以地下溫度基本上就是全年恒溫的狀態(tài)，不會因為冷熱負荷的不均衡造成地埋管溫度持續(xù)下降或上升而影響制熱或制冷效果，所以這些地區(qū)直接采用地源熱泵供暖制冷制熱水即可。系統(tǒng)原理如下圖所示。
（原理圖3）地源熱泵供暖制冷制熱水
4、地下水貧乏或地下水流動性差的地區(qū)采暖方案
此類地區(qū)，會因為冷熱負荷的不均衡造成地埋管溫度持續(xù)下降或上升而影響制熱或制冷效果。
4.1、當熱負荷＞冷負荷時，除去采用地源熱泵供暖制冷生產(chǎn)熱水外，還須配套太陽能跨季節(jié)補熱方案，這樣就避免了地下溫度持續(xù)下降而造成的采暖季供暖功率不足的情況。
山西長治縣保障房金色家園小區(qū)地源熱泵結(jié)合太陽能跨季節(jié)儲熱項目，系統(tǒng)完全交工于2014年，小區(qū)面積21380㎡，建筑面積57000㎡，建筑占地面積9500㎡，主體住宅6層，實際利用換熱區(qū)域面積12150㎡，單井面積20㎡左右，實際打井數(shù)量620個，井深105米，換熱量40W/m，巖土溫度16℃，巖土熱容1940kJ/（M3.℃）；熱泵機組制熱量1400kw,制冷量1500kW兩臺；真空管型熱管集熱器近155組，計750㎡；小區(qū)道路下均鋪設了換熱盤管，作為路面集熱器路面集熱器，總面積約4800㎡。
（原理圖4.1）熱負荷＞冷負荷——地源熱泵供暖制冷生產(chǎn)熱水+太陽能跨季節(jié)補熱
下表簡略地分析了類似于長治輻照及氣候條件地區(qū)（華北大部分區(qū)域、西北大部分區(qū)域）的各類建筑中，太陽能供暖系統(tǒng)是否采用跨季節(jié)儲熱，是提升太陽能供暖保障率的顯著技術(shù)措施。在這類地區(qū)，多層住宅采用普通太陽能集熱系統(tǒng)，配套土壤源跨季節(jié)儲熱技術(shù)，可達到100%供暖保障率。
4.2、熱負荷＜冷負荷——地源熱泵供暖制冷生產(chǎn)熱水+冷卻塔散熱
此類地區(qū)，對應于附件中的夏熱冬暖及部分夏熱冬冷地區(qū)，會因為冷負荷遠大于熱負荷造成地埋管溫度持續(xù)上升而影響制冷效果，地源熱泵機組必須配套足夠散熱功率的冷卻塔才能持續(xù)有效地運行。
上文將適用于不同環(huán)境條件下的太陽能、熱泵等清潔能源供暖系統(tǒng)的應用形式作了簡單地介紹。其實在嚴寒地區(qū)、以及寒冷地區(qū)、甚至部分夏熱冬冷地區(qū)，也可以用水（有保溫措施的水箱、水池）作為儲熱體，配套一定的輔助熱源，建設成相當規(guī)模的清潔能源熱力站，將非采暖季太陽能采集的熱量儲存到非采暖季作為城鎮(zhèn)及社區(qū)的供暖熱源，再配套低溫傳熱用熱技術(shù)&分布式及集中式能源互補技術(shù)，用無污染的、環(huán)境界面友好的太陽能及熱泵等清潔能源供暖系統(tǒng)，完全取代以煤為主要熱源的傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)。在北歐的丹麥、荷蘭，北美的加拿大，已經(jīng)在大規(guī)模推廣普及這一供暖技術(shù)，甚至都將此納入國家能源替代計劃；近年來，國內(nèi)也有部分廠家，像太陽雨等太陽能行業(yè)領(lǐng)頭企業(yè)，對國外的先進、成熟、可靠的專業(yè)技術(shù)進行了引進與消化。相信在行業(yè)有識之士的努力下、在國家政策的激勵下、在市場及環(huán)境需求的推動下，不遠的將來，太陽能、熱泵等清潔能源必將成為供暖主力軍。
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