1 供暖基本情况
1.1 项目背景
朝阳市某别墅冬季原来使用燃煤锅炉供暖沈阳建筑大学暖通考研，由于燃煤锅炉费时费力、需要专职人员操作、且造成污染沈阳建筑大学暖通考研，别墅主人拟将供暖改造为清洁能源供暖。将项目命名为别墅供暖改造工程。
1.2 建筑概况
供暖别墅为两层框架结构，一层布局由卧室、厨房间、卫生间及客厅构成，其中客厅约占一层总面积的50%；二层由小客厅、卧室、卫生间等布局构成；在二层屋顶，用保温彩钢板及轻钢构件做的三层。不包括三层，建筑供暖总建筑面积约432㎡。
别墅外墙体外部使用高密度阻燃保温板做外墙保温层，窗户使用三玻节能窗，经目测，该栋建筑保温性能优良，符合节能65%建筑标准。
2 技术方案
2.1 热源系统设计
2.1.1 热源系统设计原理
1）热源系统设计，要满足当地最不利（最坏）气象条件下建筑采暖的供热需求，这一供热需求称为建筑供暖热负荷；
2）本设计的热源工质是65～80℃较高温度的热水，并以水为集能、储能、运能、供暖的工作介质。低温时，工质吸收太阳辐射能、空气源热泵加工的热能及电转换的热能升温，储存在保温容器中（或称储热水箱，下同）；当室温下降到设定温度的低值时，通过室温控制系统启动静音循环泵，将储热容器中的高温水送到地暖（或暖气片、或风机盘管）放热，加温室内空气，使室内空气达到人体舒适的温度。
2.1.2 太阳能集热系统
1）太阳能集热系统是通过采暖专用真空集热管吸收太阳辐射能，将太阳辐射能转换为水的热能，通过循环泵工作，将热能储存在保温容器中；
2）太阳能是廉价能源，在使用中，仅集热循环泵每天消耗约0.5KW?h的电能，其运行成本低到可以忽略不计，为此，本设计以太阳能作为主力热源，使其占比达到50～60%；
3）在采暖期的开始或结束的日期，虽然还处于采暖阶段，但是，环境平均气温已达到0℃以上，此时建筑的能耗是平均能耗的30～60%，如果太阳能供热所占比例过大，就需要较大的储热容器才能储存每一天的过余能量，相对于适当增加辅助电能、显得不经济，为此，需要将太阳能的比例控制在一个经济适宜的范围，这个比例叫太阳能保证率。
2.1.3 空气源热泵系统
1）空气源热泵是吸收空气中低品质的热能，通过压缩机升温再传递给水，将低温水（比如30～35℃）加热到45～50℃的范围。空气源热泵的优势是沈阳建筑大学暖通考研：为压缩机提供1KW?h的电能，可获得2～3.5KW?h的热能，获得的热能与输入电能之比称为能效比（COP）,因此,热泵属于节能产品；
2）本设计，一般将空气源热泵设计在9:00～21:00的时间工作，因为这段时间、环境气温相对于其他时间段较高，可以获得较高的能效比（COP在2.3～3.2），为用户节省采暖辅助需消耗的电能。
2.1.4 低谷电装置
1）国家为了推动燃煤锅炉供热改清洁能源供热，对在采暖期利用电能供暖的居民用户实施优惠的分时电价政策，即在夜间的21:00～翌日7:00的时间，用电电价是平均电价的50%左右，辽宁省是0.28元/(KW?h)；
2）本设计具备低谷电辅助功能，为供暖所需热源设定双重保障，又可为用户节省采暖电费支出。
2.2 储热系统设计
2.2.1 储热系统的作用
储热系统，具备储存热源系统吸收转换的热能的能力，当热源系统不工作时，将储存在容器中的热能送到采暖末端，又起到热源的作用，为此说，储热系统又是过程热源系统；
储热系统设计，是基于当地最不利（最坏）气象条件下，储热系统能够存储建筑8小时所需的供暖热能。
2.2.2 热能储存
将冷水加热，得到65～80℃的热水，理论上，一吨水温度升高35℃，其温升部分的热量相当于41KW?h（度电）的能量，为此说，水是较好的储热（或称为储能）材料；
2.2.3 保温性能
1）将太阳能集热系统、空气源热泵和低谷电装置吸收转换的热能，储存在保温容器中；
2）因为保温容器外壁利用绝热材料密封，如果将保温容器置于密闭的建筑内，在冬季，经检测，24小时容器内的热水温降在2～3℃的范围，其热能损失是总能量的5%左右。
2.3 控制系统设计
2.3.1 控制内容及方式
1）太阳能集热系统运行控制
通过控制集热系统条件上水、定温循环、防冻排回及定时补水等功能，控制太阳能集热系统安全、稳定的将太阳辐射能量源源不断的送到储热容器中储存。
2）空气源热泵系统运行控制
空气源热泵作为太阳能的辅助能源设备，在储热系统热能不足时，实现条件启动而工作。
3）低谷电辅助运行控制
低谷电装置是太阳能系统的第二保障辅助能源设备，在寒冷月份或连续阴雪天气时启动工作。
首先使用太阳辐射能量供暖，当太阳辐射能量不足或不够用时，在电价低谷时间（21:00～7:00）自行启动电热装置，在为建筑供暖的同时向储热水箱储存热能。
4）室内供暖控制
有关权威研究文献证明：冬季室内采暖温度在18～24℃对人体健康有利。本建筑为节能建筑，建筑采暖能耗较小，如果采取传统的大流量、小温差、不间断供热方式，室内温度将超过合理的健康温度，并造成能源的浪费。为此，本设计采取分时段温度控制策略，即：睡眠时段、室温控制低些，非睡眠时段、温度控制高些，不使用房间室温可再低些。
2.4 室温控制方式
2.4.1 设计依据
室温控制运行方式，是依据用户对房间的使用特点、温度要求，结合节能方式的最佳设计。
2.4.2 控制内容
1）别墅一层控制方式
建筑一层各房间为每天使用房间，尤其是主卧室、厨房及卫生间供暖温度必须保证，白天室内平均温度控制在20～23℃；睡眠时间控制在18～20℃，以保证睡眠质量；客厅使用时控制在18～20℃，不使用时控制在15℃左右。
2）别墅二层控制方式
建筑二层为不经常使用房间，当使用时，白天室内平均温度控制在20～23℃，睡眠时间控制在18～20℃；在不使用时，将房间温度控制在10～12℃，以利于节省供暖辅助费用开支。
2.5 防冻及防过热设计
2.5.1 防冻设计
“思宇”牌太阳能采暖集成系统具备自防冻功能。
2.5.2 防过热设计
采暖期结束后，如果设备不使用，可将每个系统每一排的下部和顶部集热模块、各卸下两支真空管，让空气自行在系统内流通，即可起到对系统冷却和保护作用。
3 参数设计及工程配置
3.1 建筑能耗计算
3.1.1 建筑耗热量计算表
3.1.2 表-1说明
1） 表-1是依据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ26-2010)标准中相关计算公式，进行了建筑采暖平均总耗热量、设计热负荷指标、设计总热负荷和采暖日平均耗热量及采暖期总耗热量等采暖能耗参数的计算值。
2）建筑总耗热量参数
依据（JGJ26-2010)标准，该类节能建筑，平均室温达到18℃时的耗热量指标21.7w/㎡；当用户要求平均室温达到20.5℃时，其耗热量指标可达到24.7w/㎡。因为别墅二层不经常使用，故采取使用与不使用分别控制方式运行，使用时室温控制在20～22℃，不使用时室温控制在10～12℃，将这种方式称为节能运行供暖模式。本设计以此计算，建筑平均总负荷为：
21.6×432÷1000=9.33（KW）；
3）建筑采暖总热能计算
采暖期，建筑平均每天消耗的采暖热能计算：
9.33×24=244（KW?h/d），
采暖期按实际运行时间170天计算，建筑采暖总热能计算：
224×170÷10000=3.81（万KW?h）。
3.1.2 采暖设计热负荷
1）采暖设计热负荷
是根据当地（一般在最冷月一月份出现）连续5天最不利气象条件下、为保持室内设计温度，建筑采暖需要消耗的热能，也是建筑最大采暖热负荷。朝阳地区环境设计取值温度为-15.5℃，通过计算，设计热负荷为16.3（KW）。
2）设计热负荷的作用
设计热负荷值是室内散热末端和供暖热源设计的依据。本设计匹配的空气源热泵、低谷电设备及蓄热储能水箱的设计，将依据上述热负荷设计值进行计算。
3.2 供暖热源配置计算
3.2.1 太阳能配置
1）经计算，需要安装“思宇”牌型号SYGC-58/1800-Ⅲ的太阳能采暖集成模块9组；
2）在采暖期，朝阳地区太阳集热接收表面接收的太阳辐射平均值约为17.67 MJ/（㎡?d）；
3）9组太阳集热模块，在采暖期的晴天,每天可转换约150KW?h的太阳辐照能量；采暖期平均每天转换有用的太阳辐照量约110KW?h，采暖期累计可转换有用的太阳辐照能量约2万KW?h。
4）因为本建筑为节能建筑，且采取了分室、分时节能供暖措施，太阳能保证率可达到57%。
3.2.2 空气源热泵配置
1）经计算，需要配置一台10P全直流变频喷液增焓型空气源热泵；
2）本设计配置的空气源热泵，主要工作在9:00～21:00环境温度相对较高的时间段，这段时间环境气温在-10～15℃的范围波动，空气源热泵的能效比可以达到1.8～3的范围；
3）空气源热泵最大输入功率为7.5KW,制热能力达到13.5KW～22.5KW；
4）本设计预计空气源热泵需要提供约1.45万KW?h，消耗辅助电能约6300KW?h。
3.2.3 低谷电配置
1） 经计算，需要配置24KW低谷电加热装置，当电加热装置独立工作
时可满足别墅供暖；
2） 本设计配置的低谷电加热装置，主要工作在21:00～7:00的用电低
谷时段；
3） 本设计预计低谷电装置需要提供约3600KW?h的电能，与热泵合计
需要辅助消耗电能约9900KW?h。
3.2.4 太阳能集热器配置计算表
3.3 储能配置计算
3.3.1 储能选型依据
1）选型依据
在最不利的气象条件下（环境日平均-15.5℃），当没有太阳辐射的一天，以能够存储谷电能量够8小时供暖热能为依据。
2）储能配置计算
3）储能水箱容积
经计算，低谷电蓄热储能保温水箱总容积约为3m?3;。
4 工程内容及投资预算
投资概算表
预算表说明
1）432㎡建筑太阳能+空气源热泵+低谷电蓄热互补采暖，工程预算总金额为（不含税价）14.46万元。
2）上述预算为不含税价款，税款按工程合同金额的13%计算。更多信息请关注中国太阳能产业资讯官微获取。
（原标题：两层节能别墅太阳能+热泵+低谷电互补采暖技术案例 ）
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来源：辽宁思宇新能源应用科技有限公司