1、太陽能一地源熱泵技術的可行性分析新能源的優勢太陽能太陽每年輻射到地球表面的能量巨大，約為50X1018 kJ,相當于目前全世界年能量 消費的1. 3萬倍1,利用的潛力很大，而且對太陽能的利用不會對地球的熱平衡產 生影響，也不會造成環境污染。因此太陽能是取之不盡、用之不竭的一種綠色環保能 源。我國地域遼闊，太陽能資源豐富，我國廣大北方地區年日照時間一般在2 000 h 以上，甚至高達2 8003 300 h,屬于太陽能利用較有利的地域。地熱能地熱能，尤其是土壤熱源，是廣泛存在的良好低位熱源。土壤溫度相對穩定，全年波 動小。根據測定，地下lo m深處的土壤溫度相當于該地區全年平均氣溫，多數情況下

2、比氣溫高12C,并且不受季節的影響2。土壤溫度以余弦函數的規律隨時間變化， 并且其溫度波振幅隨地層深度的增加而出現衰減的趨勢，當地層深度足夠大時，溫度 波動振幅就衰減到可以忽略不計的程度，在這個深度以下，地溫常年保持不變。而且 溫度波在深度z處具有時間上的延遲性，其溫度達到最大值的時間比地表溫度達到最兀_大值的時間落后一個相位9二小:一，所以當冬季室外空氣的溫度很低時，地層內卻 aT具有較高的溫度，夏季的情況則正好相反。土壤的這些特性，使得地源熱泵的制熱性 能系數較高，約為2. 23. 22，而且蒸發溫度及冷凝溫度基本保持恒定，從而保 證了熱泵的穩定運行。同時，土壤作為一個巨大的蓄能體，冬季蓄

3、存冷量供夏季取用， 而夏季則蓄存熱量供冬季取用。1. 2末端系統適宜采用太陽能一地源熱泵技術在本文所述的系統中，用戶端采用地板輻射空調系統。其低溫輻射供暖、高溫輻射供 冷的特點與太陽能地源熱泵系統所提供的冷熱水溫度的特點相一致。a）地板輻射空調系統夏季要求的進水溫度較高，大約在1520C，供冷能力一般小于 50w/m2；而冬季供暖時要求的進水溫度較低，一般在3050C，供熱能力為50120 W/m24f。b）熱泵系統提供的冷熱水溫度恰好在地板輻射空調系統進水溫度所要求的范圍內。=有效制熱量c）熱泵的制熱性能系數 h凈輸入能量，在理想的熱泵循環逆卡諾熱泵循T環的情況下，h ，其中Tn為高溫熱源溫

4、度，Ta為低溫熱源溫度。由此可知h T 一 Th a熱泵熱源溫度與供熱溫度之間的溫差越小，其制熱性能系數越大。因此冬季較低的供 熱溫度，以及夏季較高的制冷溫度將提高熱泵的運行效率，從而取得良好的經濟效果。d）由于地板輻射空調系統較普通的空調系統具有顯著的節能效果，因此一方面可大大減小太陽能一地源熱泵系統的規模，降低初 投資；另一方面使地層以下的溫度場波動較小，地溫能夠得到及時恢復。e）地板輻射空調系統在初夏或初冬季節可以直接利用地熱能及太陽能進行供冷供暖，推遲熱泵啟動時間，降低電能消耗，達到節能的目的。1. 3政府支持采用新能源及可再生能源為了在建筑領域貫徹節約能源的方針，國家及建設主管部門頒

5、布了系列法律法規和 規章辦法，大力提倡在建筑中應用新能源和可再生能源。在節約能源法中規定：“國家鼓勵開發、利用新能源和可再生能源”在民用建筑節能管理規定中提出 把“太陽能、地熱等可再生能源應用技術及設備”和“空調制冷節能技術與產品”， 列為“國家鼓勵發展的建筑節能技術（產品）”。而且為了加快新能源和可再生能源產 業化發展，國家經貿委于2001年10月印發了新能源和可再生能源產業發展“十五” 規劃，提出的發展重點中包括太陽能光熱利用，指出要“研究和開發太陽能熱利用、 采暖、空調等與建筑一體化技術”等5。由以上分析可知，太陽能及地熱能作為熱 泵的低位熱源，不僅有政府的支持，還由于其自身的優點及顯著

6、的節能效果，必將成 為以后熱泵技術發展的重要方向之一。2、太陽能熱泵與地源熱泵聯合運行的必要性太陽能與地熱能雖然具有較多的優勢，但同時也存在著不足之處。對于太陽能來說， 雖然到達地球表面的太陽能總量很大，但是其在地球表面的能流密度極低。據統計， 北回歸線附近夏季晴天中午的太陽輻射最強，約為1.11. 2kW/m2，冬季大約只有一半，陰天只有1/5左右6。同時太陽 能因受晝夜、季節、緯度和海拔高度等自然條件的限制和陰雨天氣等隨機因素的影響， 存在較大的間歇性及不穩定性。因此，要利用太陽輻射能，不僅需要較大的集熱面積， 而且還需要有蓄熱裝置，這就使得設備的初投資增加，限制了其推廣應用。對于地熱 能

7、來說，由于土壤的性質隨著地區的不同和季節的變化而異，這將會增加地熱換熱器 的設計難度，而且其主要影響參數之一一一導熱系數較小，因此工質與土壤之間的換 熱強度小，需要較大的換熱面積，這將受到實際應用場地及施工的限制，而且將增加 工程初投資。此外，在冬季熱負荷較大的北方地區，熱泵從土壤取熱遠遠大于其在夏 季的蓄熱，長期運行將會使土壤的溫度場得不到有效恢復，從而對該類地區冬季供暖 造成很大影響。鑒于以上兩種低位熱源熱泵單獨運行時所存在的問題，本文提出太陽 能熱泵與地源熱泵系統聯合運行的方案。一方面由于土壤具有蓄能、穩定性及延遲性 的特點，可以作為太陽能的蓄熱裝置，儲存熱量以供太陽能不充足時使用。另一

8、方面， 由于太陽能的輔助供熱作用，使得地熱換熱器可以間歇運行，土壤溫度場能夠得到及 時恢復，蒸發溫度及冷凝溫度波動不大，從而使熱泵運行穩定。因此兩種低位熱源熱 泵的聯合運行是一種比較合理的方案，可以互相取長補短，發揮各自的優勢，彌補單 一熱源熱泵的不足，提高熱泵系統的COP值。3太陽能一地源熱泵與地板輻射空調系統的聯合運行方式3. 1系統構成太陽能一地源熱泵系統由太陽能集熱器、蓄熱水箱、地熱換熱器、熱泵機組及其附屬 設備組成，末端采用地板輻射空調系統。系統的聯合運行原理圖如圖1所示。A熱泵機組 B太陽能集熱系統 C地源熱泵系統 D地板輻 射空調系統a蓄熱水箱b太陽能集熱器c/d系統分/集水 器

9、g/f地板系統分/集水器ei,e2,-,e地熱換熱器h室內 地板盤管P1，P2, P3循環水泵圖1太陽能-地源熱泵與地板輻射空調系統聯合運行原理圖3. 2系統運行流程3. 2. 1過渡季空調系統運行流程在初夏季節，建筑物的冷負荷要求較小，而且經過冬季的蓄冷，地溫較低，而用戶端 采用地板輻射空調系統，其要求的進水溫度較常規供冷設備的進水溫度要高，因此如 果地熱換熱器介質與土壤換熱后，介質的溫度能滿足輻射空調的進水要求時，可采用 圖2所示的直供式，即直接將地熱換熱器的出水作為地板空調系統的進水。因此可以 推遲熱泵啟動的時間，節省能源。*系統集水器d 一 地板系統分水器g地熱換熱器丄地板盤管系統分水

10、器c J 地板系統集水器f地熱換熱器丄地板盤管系統分水器c J 地板系統集水器f圖2初夏季節空調系統運行流程在初冬季節，系統采用太陽能集熱系統直接供暖。循環水泵將蓄熱水箱中的熱水直接送入地板輻射系統進行制熱 循環來滿足建筑物的熱負荷要求，推遲熱泵啟動時間。流程圖見圖3。3. 2. 2夏季空調系統運行流程（見圖除曜系統運行流程圖熱泵機組圖4夏季空調系統運行流程圖卻右熱泵 經過初夏季節的運行，地熱換熱器不斷將熱量排人土壤中，使得地溫逐漸升高，不能 滿足建筑物的冷負荷要求，這時啟動熱泵，進行制冷循環。在制冷循環中包含三套循 環系統：a）載冷劑循環，地熱換熱器中的載冷劑將熱泵冷凝器釋放出的熱量排入土壤

11、 中，并吸收土壤中的冷量回到熱泵冷凝器中.b）制冷劑循環，熱泵中的制冷劑將蒸發 器中的熱量轉移到冷凝器中；c）水循環，地板輻射空調系統中的水將吸收的室內熱量 轉移到熱泵蒸發器中。經過三套循環系統，達到制冷的目的。地源熱泵夏季空調運行 方式包括連續運行和間歇運行，當熱泵連續運行時其制冷（制熱）系數將隨著制冷天數 的增加而下降，最終在相對較低的數值下趨于穩定；而采用間歇運行時，則可以使制 冷（制熱）系數在較高的數值下保持穩定。這是因為當連續制冷時，土壤溫度場得不到 及時恢復，使得地溫不斷升高，導致熱泵制冷（制熱）系數不斷下降。因此建議，夏季 制冷運行時宜采用間歇運行方式，使土壤溫度場能得到有效恢復

12、，從而提高熱泵的制 冷（制熱）系數。3. 2. 3冬季供暖系統運行流程冬季建筑物熱負荷較大，而此時太陽輻射照度低，集熱器的集熱量和集熱效率降低， 使得太陽能熱泵所能提供的熱量不能滿足建筑物的熱負荷要求，因此單獨采用太陽能 熱泵進行供暖存在著熱量供需不平衡的現象。針對這種情況我們采用地源熱泵與其聯 合運行，利用土壤的蓄熱性能、溫度的延遲性及穩定性等特點，來保證熱量的供需平衡。蓄熱水箱a載冷劑循環丄集熱器b系統分水器c系統集水瞬d”地板系統集勺熱泵機組I板系統分水器g圖5衡。蓄熱水箱a載冷劑循環丄集熱器b系統分水器c系統集水瞬d”地板系統集勺熱泵機組I板系統分水器g圖5冬季供暖系統運行流程圖水循環

13、如圖5所示，我們采取兩種低位熱源聯合運行的方案。聯合運行的方式包括兩種低位 熱源交替供暖和同時供暖的方式。文獻6通過模擬實驗證明，兩種熱源同時供暖的 情況出現的比例較小，一般采用交替供暖的方式，并提出聯合運行系統中一天24 h內 兩種熱源的運行比例，即地源熱泵與太陽能熱泵各自運行的最佳時間分配比例分別 為：33%35%和50%70%。冬季當太陽能集熱器的溫度較高時，可以將集熱器的 熱量轉移到地下貯存，這樣既可使土壤溫度場得到較快的恢復，又可降低進入集熱器 的流體溫度，提高集熱效率。儲熱時熱泵的運行流程如圖6所示。由以上系統運行分 析可知，太陽能一地源熱泵與地板輻射空調系統聯合運行具有極大的優勢

14、，在初冬或 初夏時間，可以直接利用太陽能與地熱能直接供暖或空調，延遲熱泵啟動時間;薔熱水箱& 一系統集水畚d系統分水器c地熱換熱器系統分水器c地熱換熱器圖6儲熱過程系統運行流程圖在夏季系統采用間歇運行不僅能提高熱泵的制冷系數，而且使土壤溫度波動幅度較小，熱泵運行工況穩定； 冬季由于太陽能熱泵與地源熱泵之間的互補作用，充分發揮了兩種熱泵各自的優勢， 在保證居住環境的舒適度的基礎上，實現了節能與環保的目的。4建議及展望1、由于此系統冷熱源采用了新能源及可再生能源，末端裝置為節能裝置，因此為了 充分體現這種新型供暖空調技術的優勢，建議此系統應用于節能型建筑中，建筑物節能指標根據國 家及地區規范規2、夏季采用地板供冷，若進水溫度過低或室內相對濕度太大，則容易