1项目概况
为了响应北京市教委、市发改委开展的“阳光校园”工程建设号召，建设低碳发展模式的校园，结合怀柔区渤海小学节能减排，为全校师生创造温暖舒适教学环境的想法，北京九阳实业公司设计并安装了“怀柔渤海小学太阳能采暖、开水示范工程”。
选取渤海小学校内两间教室进行工程示范，总建筑面积120m²，单层砖混结构；节能改造前冬季采用学校燃煤锅炉进行集中供暖，采暖末端为散热器，采暖季，供热燃料费约为45元/m²。
针对学校教室的实际情况，示范工程采用了如下关键技术：
1.太阳能热水供暖系统技术；
2.风机盘管低温末端供热技术；
3.被动式空气集热墙技术；
4.超低温空气能冷热机组采暖—制冷技术；
5.太阳能开水系统技术；
6.外墙保温装饰板技术；
7.远程监控技术；
该示范项目结合了多种节能技术，示范教学意义重大。
2项目实施
2.1工程主要内容
2.1.1建筑外立面加装60mmXRY节能保温装饰板，屋面加装50mm岩棉保温。
校区内所有教室均为砖混结构，墙体、屋面均未做保温处理，建筑的散热量较大，在外立面及屋面加装保温材料，是该示范项目基本节能改造设计。
2.1.2南立面加装太阳能空气集热墙———9m²
在教室南立面窗户下部加装空气集热墙9m²，空气集热墙进出风口与室内相连，直接加热室内空气，达到提高房间温度的目的，为太阳能被动式采暖的一种形式。
空气集热器盖板采用阳光板遮盖，且集热墙与室内相连的通风孔加装过滤网，以免学生向内扔杂物，并加盖专用堵头，在夏季不需采暖时将空气集热墙与室内完全隔断（如下图所示）。
太阳能集热器为太阳能采暖系统的集热设备，根据建筑面积及其热负荷计算，设计安装平板型太阳能集热器18m²，采用建筑构件型太阳能集热器。平板集热器具有结构简单、使用寿命长（30年以上）、维修率低等优点，尤其在太阳能采暖项目中，平板型太阳能集热器对于解决系统的“非采暖季能源过剩”问题，具有明显的优势。
太阳能采暖系统的辅助能源为超低温空气能冷热机组，可在太阳能系统不能完全满足室内采暖需求时自动启动，向室内供暖。
超低温空气能冷热机组不同于传统的空气源热泵，超低温型在环境温度－15℃的条件下，机组的COP值可达到2.5以上，在华北地区冬季也可稳定工作。为了防止机组工作时噪音过大，我们在机组设备与教室之间加装了隔音墙，并在机组外部安装了防护网，以免碰伤小学生。
考虑到夜晚、周末及寒假期间，教室内没有师生上课，故热泵机组设有定时开关功能，即提前于上课时间启动，提高室内温度，与系统24h运行相比，节能效果明显。
2.1.5安装室内FP-51型风机盘管6台
每间教室安装壁挂式风机盘管3台，作为太阳能采暖系统的末端，即该项目采取的是热风供暖的形式。由于学生上课的间断性，周一至周五的07:30～16:00为上课时段，周六、周日放假，故风机盘管设定的工作时间为学生的上课时间，并且根据室内温度启停，即室内温度达到设定温度时，风机盘管关闭，当室内温度降至设定温度下限时，风机盘管自动启动，不需人工操作。
另外，考虑到夜晚、周末及寒假等学生不上课时段，若采暖系统停止运行，室内采暖管线存在冻损的可能，故该项目采暖管线内的循环介质为防冻液，以保证不采暖时，设备及管线不会冻损。采用此方法，采暖系统可间歇式运行，进一步节约系统运行费用。
2.1.6安装200L采暖水箱一台及太阳能200L开水箱一台
本次示范工程所设计的太阳能采暖系统为短期蓄热式，根据集热器面积计算，选用200L开式采暖水箱一台，安装在新建设备间内；另外考虑到非采暖季太阳能系统的利用问题，设计安装200L太阳能开水箱一台，在非采暖季，可为全校师生提供饮用开水。
2.1.7全自动控制系统及远程监控系统
以上所述系统中各设备的启停、温度、时间的控制均由系统控制器控制，不需人工操作，自动化运行程度较高。另外在该项目上，我们还采用了远程监控技术，不受空间限制，只要是有网络地区，随时可以对系统各设备的运行、室内温度、水箱温度等情况进行监控。
2.2系统功能
该系统投入运行后，可为120m²教室提供冬季采暖、夏季制冷及非采暖季饮用开水等多项工程，系统全自动运行，可进行时间、温度的设定，并可实现远程监控。
3项目测试
系统投入运行后，我们于2011年1月25日～3月7日，针对各工况下，设备的运行状况、室内温度变化情况、教室外围护结构随房间温度的影响等情况做了大量的测试工作，掌握了该系统运行的一手资料，为今后系统的设计提供了宝贵的依据，具体测试数据如下：
3.1加装保温前后房间温度对比
3.1.1不采暖情况下
我们于2月16日、17日两天，对加装保温后，在没有任何采暖设施的情况下，教室温度变化作了对比：
表1所记录的房间温度为06:00时室内温度，此时两个房间均未进行采暖，由此可以看出，加装保温后，室内温度提高了5～6℃，且房间最低温度在0℃以上，而未加装保温的教室夜间室内温度低于0℃，加装保温后节能效果明显。
3.1.2采暖情况下
于2月17日～3月7日，对加装保温后房间温降情况进行测试并记录见表2：
2011年2月17日～3月7日夜间环境温度最低为－6℃，在此条件下，加装保温的房间一夜平均温降4.2℃，且夜间无任何采暖设备。在未加装保温材料前，若夜间无采暖设备，房间温度一般在0℃以下。
3.2太阳能采暖系统效率的测试
太阳能采暖系统安装完毕后，2月15日，我们对系统效率做了测试：
太阳能辐照量：4214wh/m²×18m²=75.852kW·h；
水箱得热量：5.814kW·h
采暖供热量：22.285kW·h
太阳能系统得热量：水箱得热量+采暖供热量=22.285+5.814=27.469kW·h；太阳能效率：
太阳能系统得热量/太阳能辐照量=27.469kW·h/75.852kW·h=36.%
理论计算，当天的系统平均效率为37.5%（系统散热损失按照15%计算），二者基本吻合。
3.3太阳能采暖教室与集中供暖教室温度对比
该示范项目的采暖效果要与原有集中供暖教室相对比，以下选取了部分测试数据进行效果说明，如表3。
2.教室平均温度、环境温度均指上课时间段07:30～16:00内，教室的平均温度;
3.由于寒假期间，学校集中供暖教室停止供暖（散热器及系统循环管路中的水放空以防冻损），故集中供暖教室平均温度从2月20日开学后为有供暖温度，之前无供暖温度。
太阳能采暖教室和集中供暖教室07:30时的温度对比及最高温度对比见表4。
从表4测试数据可以看出：
系统通过太阳能集热器、超低温空气能冷热机组的共同作用，结合定时、定温等功能的节能设计，在学生上课时间段7:30～16:00内，保证室内平均温度18℃，一般维持在16℃～20℃，室内最高温度达25.5℃；集中供暖教室平均温度15℃，一般维持在12℃～18℃，最高达22.2℃。总体来看，太阳能采暖教室温度要高于学校集中供暖教室3℃左右，无采暖、无保温的教室室内平均温度0℃。
3.4水箱温度尧风机盘管出风温度尧室内温度三者的关系
3.4.1水箱温度与风机盘管出风温度的关系
1月26日、27日两天，我们对水箱温度、风机盘管出风温度及房间温度分别做了记录，由于共选取两间教室做示范，故表5数据分为东侧房间及西侧房间，1月26日数据为例：
经过测试得出，一般室内温度稳定后，风机盘管的出风温度较水箱温度低15℃～20℃，故此类型的系统形式，建议水箱温度保持在45℃以上为宜。
3.4.2风机盘管出风温度与房间温度
由表五可以看出，在风机盘管出风温度维持在30℃以上时，可保证房间温度在16℃以上。
3.4.3房间温升情况
以房间温度升到18℃为时间节点，计算一般房间温度升至18℃所需时间，具体数据见表6：
每日测试的开始时间为06:00，也是系统开始运行的时间，一般需3.7h将房间温度由起始的5℃～8℃升至18℃，结合表2的数据，系统运行1.5h后，即学生正式开始上课时，房间温度可达到16℃，处于稳定上升状态，并较集中供暖教室房间温度高3℃左右，更好地满足了教室内师生的采暖要求。
3.5超低温空气能冷热机组回水温度对房间温度的影响
太阳能采暖系统的辅助能源为超低温空气能冷热机组，1月28日，我们对机组的回水设定温度对教室温度影响做了如下测试：
3.5.1设定机组回水温度为40℃
将超低温空气能冷热机组回水温度设定为40℃，经过9h的系统运行，房间温度由0.8℃升至14.5℃，无法继续提升。
3.5.2设定机组回水温度为45℃
由表7数据可以看出，将机组的回水温度设定为45℃，在环境温度平均－7.5℃的条件下，40分钟后，房间温度3℃升至17℃，升温较快，之后的20分钟，室内温度温升较慢，一直未达到18℃。
3.5.3设定机组回水温度为50℃见表8
由表8数据可以看出，将机组的回水温度设定为50℃，在环境温度平均－4.4℃的条件下，23分钟后，房间温度由2.7℃升至18.1℃，且房间温度处于稳定上升状态。
3.5.4设定机组回水温度为48℃见表9
由表9数据可以看出，将机组的回水温度设定为48℃，在环境温度平均－6.4℃的条件下，房间温度稳定在18℃以上。
由上述机组测试数据可知，对于采暖系统，将超低温空气能冷热机组回水温度设定为48℃为宜，可将房间温度加热至18℃以上，若回水温度设置较低，室内温度在前期上升较快，但升至某一温度后，室内温度很难得到提升；综合考虑机组的工作效率，回水温度亦不宜设置过高，故设置在48℃为宜。
3.6门窗的散热量对房间温度的影响
由于两间教室北侧都有窗户，有一定的冷空气进入，为了测试其对房间温度的影响，将东侧房间的北窗用保温材料暂时封住，分别记录两个房间的温度变化，测试时间为1月30日～2月18日,结合多天的测试数据，将北侧窗户封住的东侧房间温度比西侧房间平均高约1℃，且从表9也可看出，在相同时间内，西侧房间温降较东侧房间多1℃，而温升却较东侧房间少1℃。
3.7测试结论
加装保温材料后，房间温度较未加装保温材料的教室提高5℃，保温后教室夜间平均温降4.2℃；
太阳能采暖教室较集中供暖教室温度高3℃，室内温度一般维持在16℃～20℃；
风机盘管的出风温度较水箱温度低15℃～20℃，若水箱出水温度维持在45℃以上，房间温度可维持在18℃以上；
风机盘管出风温度维持在30℃以上时，室内温度可维持在16℃以上；
环境温度－4℃～8℃时，平均需3.7h将房间温度由5℃～8℃升至18℃，需1.5h将房间温度升至16℃以上；
空气能冷热机组回水温度设置在48℃为宜；
北侧窗户的遮掩对房间温度有1℃的影响；
一般需要6～10分钟，房间温度由18.5℃降至15.5℃，平均为7分钟左右，而温度再次升至18℃以上，平均仅需4分钟。
4节能效果分析
该项目的测试工作在一月底至三月初进行，为北京地区采暖季的末期，实际考虑系统节能效果时，应综合考虑整个采暖季的系统运行效率。
北京地区的采暖时间为120天，其中最冷的时间段为寒假期间，学生上课时间主要集中在采暖季的初期和末期，故在计算系统实际节能效果时，采暖季的初末期，环境温度、太阳辐照量及空气能机组效率等条件基本相同，故将采暖末期数据的平均值认为是整个采暖季系统运行的平均值，通过上述测试数据进行推算得出：
一个采暖季，太阳能系统可节能1300kW·h，热泵系统可节能4050kW·h；非采暖季，开水系统每年节能3240kW·h。整套采暖/开水系统，年节能8590kW·h。
结合上述的节能数据，经计算，与燃煤相比，该系统每年可减排CO₂4.3t。
5系统运行费用分析
测试时间段内，我们对该系统每日的耗电量进行了详细的记录见表10：
由表10数据可以看出：测试时间段内，太阳能采暖系统日耗电量在30kW·h～50kW·h之间，日均耗电量35.2kW·h，由于学生上课期间，经常有人出入教室，冷风渗透耗热量较大，若无此影响因素，日均耗电量将更低。
综合考虑整个采暖季的系统运行效率，一个采暖季的系统运行费用约为10元/m²，与原有系统45元/m²的运行费用相比，每年可节约采暖运行费用4200元；另外非采暖季开水系统可节约运行费用约1620元，则系统每年可节约运行费用5820元。
6推广应用
将该系统进行大面积推广应用，若建筑面积10万m²的项目，每年可节约运行费用约485万元，CO2减排3580t。
