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多熱源熱泵及其智能控制技術的產品開發

成果與項目的背景及主要用途：成果背景：由于建筑能源消耗的急劇增加，熱泵作為一種通過消耗少量高品位能量，把熱量從低溫處傳輸到高溫處的裝置，日益受到人們的關注。熱泵通過使用清潔的冷熱源如太陽能、土壤能、空氣能等，能夠同時實現制冷、制熱、提供生活用熱水。這種復合可再生能源系統的出現，給人們提供了更具靈活性的方案，來實現潔凈能源系統的三聯供功能。系統主要用途：多熱源熱泵系統是指以太陽能-空氣源-地源等為熱源的熱泵系統，主要包括：太陽能集/散熱系統、空氣源集/散熱系統、埋地盤管集/散熱系統（含室內蓄熱體）、水源熱泵系統、房間熱力系統、控制系統。本方案利用先進的智能控制技術，將太陽能源、空氣源和地源熱三者有機結合，通過水源熱泵機組實現向建筑物供熱、供冷和提供生活熱水。太陽能集/散熱器的利用可彌補地源熱泵因埋地管束多而導致的投資過大的缺點，同時減少地下環境受到過度的熱污染，而少量地源和蓄熱系統的使用可彌補太陽能和空氣源熱泵受氣候條件影響大的缺點，使系統即使在惡劣的氣候條件下也能在高能效狀態下工作。太陽能-空氣源-地源熱泵聯合系統可以設計為基本工作模式，還可以根據具體情況開展因地制宜的設計，組合成適合當地地理及氣象特點的系統。系統采用全新的智能控制技術，采集實時的系統參數，提高溫度調節的準確性，使系統始終維持在高效狀態下工作。通過將太陽能源、空氣源集/散熱器做成外圍護結構的一部分，實現新能源與建筑結構的完美結合。結合三步節能建筑技術的普及推廣，本技術產品的目標是實現空調和采暖方面的一次投資和日常費用僅為傳統空調+暖氣方案的 50%。技術原理與工藝流程簡介：夏季：系統處于制冷工況，需要把從室內吸收的熱量轉移到室外，太陽能散熱器、空氣源散熱器、埋地換熱器分別提供冷源，此外，在房間內有相變蓄能材料，晚上積蓄冷量，減輕熱泵系統在白天的熱負荷。由于空調系統在夏季并不處于常開狀態，如果空調不處于制冷狀態時，使系統處于制熱工況，關閉室內熱力系統，并且打開閥 V4 和 V6，關閉閥 V5，此時系統成為太陽能熱泵式熱水器，可以提供穩定的熱水。兩種工況的切換通過實時測量的室內溫度和熱水箱溫度等參數，由智能控制系統進行判斷。冬季：系統處于制熱工況，太陽能集熱器和埋地換熱器作為熱源給建筑供熱，同時供生活熱水。當熱水箱溫度達到設定值時，關閉閥 V4 和 V6，打開閥 V5。此外，在房間內有相變蓄能材料，白天積蓄冷量，減輕熱泵系統在夜晚的工作負荷。三個熱源可以任意兩個之間并聯工作，也可以分別工作，要依具體的工作狀況，包括環境溫度、室內溫度、熱源溫度等狀況而定。技術水平及專利與獲獎情況：該技術已申請專利，并通過小試鑒定。應用前景分析及效益預測：應用前景分析：本項目的實施可以加快可再生能源產業化的發展，促進建筑節能與熱泵系統的有機結合，對空調行業進一步向綠色能源的發展，都有非常顯著的作用。三步節能的盡快實現，客觀上也促進了新能源的普及推廣。效益預測：下面以天津地區為例對本系統的一次投資成本及運行費用進行說明，將本系統與單冷空調+暖氣、地源熱泵、空氣源熱泵比較。建筑面積 150m2，采暖天數 125 天，制冷天數 120 天，每天制冷 10 小時，平均運行負荷按 70%計，電費 0.41 元/度以三步節能后的指標計，供暖負荷取 36W/m2，總供暖熱負荷為 5400W/m2，制冷負荷 72W/m2，總的制冷負荷為 10800W/m2。第一種方案采用單冷空調+集中供暖，集中供暖中室外采暖的投資為 85 元/m2，室內的費用為 25 元/m2，總的費用為 110 元/m2，天津地區的暖氣費用為15 元/(m2 年)，設制冷系數為 2.5。第二種方案完全采用地源熱泵，冬季單位鉆孔長的取熱率為 30W/m，夏季的放熱率為 50W/m，約需 210m 的鉆孔長，管長和施工總費用取 90 元/m。第三種方案完全采用空氣源熱泵，冬季采用電輔助加熱的時間為全部取暖時間的一半，冬季制熱，夏季制冷系數為 2.5，冬季制熱系數取為 2。第四種方案為本項目系統，太陽能集熱板取 17m2，地源熱泵系統的冬季負荷為 1500W，夏季負荷為 2500W，地源熱泵約占總負荷的 25%，夏季性能系數取為 4，冬季的性能系數取為 3。應用領域：建筑節能；新型熱泵、空調系統；制冷、供暖系統工程；可再生能源建筑。技術轉化條件（包括：原料、設備、廠房面積的要求及投資規模）：熱泵、空調及控制系統。設備：機械加工及系統安裝設備。廠房面積：1000m2 以上。投資規模：600 萬以上。合作方式及條件：合作方式：技術入股、合資經營。條件：對建筑、節能及可再生能源利用感興趣且致力于該技術的推廣實施。

天津大學 2021-04-11

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