别墅建筑中太阳能采暖空调系统的设计研究
www.xlc.cn 网摘 何岳山 潘 阳 奚 阳

 2006.08.01  责任编辑:孙翠莲

    摘要：结合别墅建筑及其使用特点，对适合于别墅的几种太阳能采暖空调的各种系统进行分析和比较，并通过北京某实际别墅工程对各系统的初期投资和运行费用等经济性进行分析和比较，选择了一种在性能上和经济上都比较优越的制冷空调系统。

目前，在利用太阳能进行民用建筑的采暖和空调方面，利用太阳能的形式多样，迄今应用较多的是利用太阳能为热源的溴化锂吸收式制冷机组．其形式有：
1)自然循环式小型吸收式制冷机组；
2)单级热水型吸收式制冷机组；
3)双级热水型吸收式制冷机组；
4)单、双效组合式制冷机组．其中由于双效吸收式制冷机要求太阳能热源温度低(65℃以上)，利用温差大(达12—25℃)的优点而被许多实际工程中所采用．

1993年，350 l【W热水型两级溴化锂吸收式制冷机已由广州能源研究所研制成功．并投入实际使用．

本文结合别墅建筑及其使用特点，分别对适合于别墅的几种太阳能采暖空调的各种系统进行分析和比较，并通过北京某实际别墅工程对各系统的初期投资和运行费用等经济性进行分析和比较，以选择一种在性能上和经济上都比较优越的制冷空调。

2 别墅建筑特点及使用特点

别墅建筑特点：
a)别墅建筑面积较小且具独立性．通常别墅建筑为2至3层单元式建筑，单元建筑面积为150至300 m2左右；
b)、别墅建筑结构简单，外形富于变化，多样；
c)别墅建筑的太阳照射条件好．别墅建筑与其他住宅或商用建筑相比，建筑高度要低得多，并且别墅周边空大，在自然光利用方面条件优越。

别墅采暖空调使用特点：
a)由于别墅的建筑面积较小，人均使用建筑面积大，因而制冷空调负荷较小，一般在12 kW一30 kW之间．
b)采暖空调舒适性要求较高，并要求提供卫生热水．
c)太阳能采暖与太阳能集热在时间上存在交错性．太阳能集热器的集热时间主要在白天(8：oo至17：oo)．而采暖空调的使用时间还包括晚间(17：oo至次日8：00间的15小时)．因此，要求有足够的蓄热箱将太阳能集热热水进行蓄热(冷)以供晚间采暖空调．

3 太阳能采暖空调系统及经济分析

从目前大量别墅采暖空调形式上来看，在南方地区起主导地位的还是传统的风冷热泵机组，这种形式具有设备投资少，系统结构简单，操作维护方便等优点．但是，冬季运行制冷系数低，且存在结霜的问题而致使系统无法运行．本文从充分利用太阳能资源，以节约现有电力资源的角度，提出了几种适用于别墅的太阳能采暖空调系统，其构成和系统特点如表1 所示．

4 实际工程设计

别墅位于北京市，共2层，总建筑面积为150平方米．总采暖热负荷为10 kW，冷负荷为15 kW．

4．1 北京太阳能资源

我国太阳能资源可分布四个太阳辐射带．北京位于北纬39度57分，属于太阳能资源较丰富地区Ⅱ)，全年太阳总辐射量5 40O (m2a)，冬季采暖期太阳总辐射量1 530 MI／( a)，采暖期日平均太阳辐射量l0．5 m／(m2d)．日照时间为2 800小时／年，日照率最高值出现在冬季l2月至次年2月份．

4．2 系统设计

为了满足别墅舒适度和业主的要求，在采暖、空调的末端形式上，冬季采用地板辐射采暖；夏季采用盘管风机供冷的方式．对于制冷空调系统的选择上，结合别墅建筑和使用特点，主要从系统初期投资和其运行费用等方面作综合的评价(表2)．通过比较，决定采用地板辐射直接供暖和热泵组合系统．如图4所示

4．3 系统控制方案

如图4所示，冬季供暖时，当水温在45℃以上，关闭电动阀(1、2)，开启电动阀(3、4)，采用太阳能热水地板辐射采暖方式；2)当水温在小于45℃，大于室外空气温度并大于5℃时，关闭电动阀(3、4)，开启电动阀(1、2)采用水冷式热泵供暖，此时由于热源温度高，制冷机制冷系数很大，达到节能的目的；3)风冷侧作为辅助蒸发器使用；夏季供冷时，电动阀1、2、3、4关闭，采用风冷式冷水机组制得冷冻水为用户供冷。

4．4 卫生热水系统

当冬季利用太阳能时，考虑卫生热水的水质不受供热系统二次污染，供热水系统与采暖系统分开运行．为了最大利用太阳能加热低温水，卫生热水集热方式采用变温集热．同时为了保证能供应用户所要求的水温，用电加热器加以调节．在夏季，为了利用闲置的采暖系统集热器产生热水以供生活用，将两系统的热水系统连通．

4．5 集热器

集热器选用平板集热器，按冬季最大采暖负荷和卫生热水负荷进行配置．采暖和热水系统的太阳能集热器的安装角度为6o度【5J，正南安装，冬季十一月至次年二月日平均得热量1 4541 kJ／d．m2．总的太阳能集热器设计布置面积为46 m2，日平均总集热量668 866 k．1，用于卫生热水的集热器面积为8 m2，日平均集热量11 6325 kJ，可提供5o℃热水700升；用于采暖空调系统的集热器面积为38 m2．日平均集热量552 5427 kJ，基本满足一天大部分时间采暖负荷要求．

4．6 经济运行方案

由于北京实行分时电价政策，在白天高电价时，以太阳能热水地板辐射采暖，同时借助储热水箱的作用，采暖周期也可延续至深夜；当水箱水温度不能满足负荷要求时，采用水源热泵运行方案，此时，不仅制热效率高，而且电价处于谷值，达到运行经济的目的．

 

 

5 结论

建筑节能并利用新型能源是近年来世界建筑发展的一个方向。也是当代建筑科学技术的一个新的生长点．随着近年来对太阳能制冷空调设备和技术的开发，一些技术成果的不断涌现，以及在实际工程中应用的成功，已经显示出了其巨大的市场前景和无限的商机．太阳能制冷空调在别墅建筑中的应用是随着别墅的大量涌现而出现的。它也是非常有市场潜力的．对适用别墅的采暖空调系统产品开发，如小型吸收时制冷机组的开发，和生产成本的下降是目前设备生产厂家急需解决的问题．同时，系统初期成本和系统运行费用的最小化是我们暖通设计者不断需要追求的目标。

参考文献：

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