太阳能地源热泵技术的可行性分析

1、太阳能一地源热泵技术的可行性分析1新能源的优势太阳能太阳每年辐射到地球表面的能量巨大，约为 50X1018 kJ，相当于目前全世界年能量 消费的1. 3万倍1，利用的潜力很大，而且对太阳能的利用不会对地球的热平衡产 生影响，也不会造成环境污染。因此太阳能是取之不尽、用之不竭的一种绿色环保能 源。我国地域辽阔，太阳能资源丰富，我国广大北方地区年日照时间一般在2 000 h以上，甚至高达2 8003 300 h，属于太阳能利用较有利的地域。地热能地热能，尤其是土壤热源，是广泛存在的良好低位热源。土壤温度相对稳定，全年波 动小。根据测定，地下io m深处的土壤温度相当于该地区全年平均气温，多数情况下

2、 比气温高12C,并且不受季节的影响2。土壤温度以余弦函数的规律随时间变化， 并且其温度波振幅随地层深度的增加而出现衰减的趋势，当地层深度足够大时，温度波动振幅就衰减到可以忽略不计的程度，在这个深度以下，地温常年保持不变。而且 温度波在深度z处具有时间上的延迟性，其温度达到最大值的时间比地表温度达到最大值的时间落后一个相位，二x一二，所以当冬季室外空气的温度很低时，地层内却:aT具有较高的温度，夏季的情况则正好相反。土壤的这些特性，使得地源热泵的制热性 能系数较高，约为2. 23. 22，而且蒸发温度及冷凝温度基本保持恒定，从而保 证了热泵的稳定运行。同时，土壤作为一个巨大的蓄能体，冬季蓄存冷

3、量供夏季取用， 而夏季则蓄存热量供冬季取用。1. 2末端系统适宜采用太阳能一地源热泵技术在本文所述的系统中，用户端采用地板辐射空调系统。其低温辐射供暖、高温辐射供冷的特点与太阳能地源热泵系统所提供的冷热水温度的特点相一致。a）地板辐射空调系统夏季要求的进水温度较高，大约在1520C,供冷能力一般小于50 w/ m2而冬季供暖时要求的进水温度较低， 一般在3050C,供热能力为50120W m24f。b）热泵系统提供的冷热水温度恰好在地板辐射空调系统进水温度所要求的范围内。有效制热量C）热泵的制热性能系数-h -净输入能量，在理想的热泵循环一一逆卡诺热泵循环的情况下，；h，其中Tn为高温热源温度

4、，Ta为低温热源温度。由此可知Th -Ta热泵热源温度与供热温度之间的温差越小，其制热性能系数越大。因此冬季较低的供 热温度，以及夏季较高的制冷温度将提高热泵的运行效率， 从而取得良好的经济效果。d）由于地板辐射空调系统较普通的空调系统具有显著的节能效果，因此一方面可大大减小太阳能一地源热泵系统的规模，降低初投资；另一方面使地层以下的温度场波动较小，地温能够得到及时恢复。e）地板辐射空调系统在初夏或初冬季节可以直接利用地热能及太阳能进行供冷供暖，推迟热泵启动时间，降低电能消耗，达到节能的目的。1. 3政府支持米用新能源及可再生能源为了在建筑领域贯彻节约能源的方针，国家及建设主管部门颁布了系列法

5、律法规和 规章办法，大力提倡在建筑中应用新能源和可再生能源。在节约能源法中规定：“国家鼓励开发、利用新能源和可再生能源”。在民用建筑节能管理规定中提出 把“太阳能、地热等可再生能源应用技术及设备”和“空调制冷节能技术与产品”，列为“国家鼓励发展的建筑节能技术（产品）”。而且为了加快新能源和可再生能源产 业化发展，国家经贸委于2001年10月印发了新能源和可再生能源产业发展“十五” 规划，提出的发展重点中包括太阳能光热利用，指出要“研究和开发太阳能热利用、 采暖、空调等与建筑一体化技术”等5。由以上分析可知，太阳能及地热能作为热 泵的低位热源，不仅有政府的支持，还由于其自身的优点及显著的节能效果

6、，必将成 为以后热泵技术发展的重要方向之一。2、太阳能热泵与地源热泵联合运行的必要性太阳能与地热能虽然具有较多的优势，但同时也存在着不足之处。对于太阳能来说， 虽然到达地球表面的太阳能总量很大，但是其在地球表面的能流密度极低。据统计， 北回归线附近夏季晴天中午的太阳辐射最强，约为1. 11. 2 kW/Zm2冬季大约只有一半，阴天只有1/5左右6。同时太阳 能因受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件的限制和阴雨天气等随机因素的影响， 存在较大的间歇性及不稳定性。因此，要利用太阳辐射能，不仅需要较大的集热面积， 而且还需要有蓄热装置，这就使得设备的初投资增加，限制了其推广应用。对于地热 能来说，

7、由于土壤的性质随着地区的不同和季节的变化而异，这将会增加地热换热器的设计难度，而且其主要影响参数之一一一导热系数较小，因此工质与土壤之间的换 热强度小，需要较大的换热面积，这将受到实际应用场地及施工的限制，而且将增加 工程初投资。此外，在冬季热负荷较大的北方地区，热泵从土壤取热远远大于其在夏 季的蓄热，长期运行将会使土壤的温度场得不到有效恢复， 从而对该类地区冬季供暖 造成很大影响。鉴于以上两种低位热源热泵单独运行时所存在的问题，本文提出太阳能热泵与地源热泵系统联合运行的方案。一方面由于土壤具有蓄能、稳定性及延迟性 的特点，可以作为太阳能的蓄热装置，储存热量以供太阳能不充足时使用。另一方面,

8、由于太阳能的辅助供热作用，使得地热换热器可以间歇运行，土壤温度场能够得到及 时恢复，蒸发温度及冷凝温度波动不大，从而使热泵运行稳定。因此两种低位热源热 泵的联合运行是一种比较合理的方案，可以互相取长补短，发挥各自的优势，弥补单 一热源热泵的不足，提高热泵系统的COPS。3太阳能一地源热泵与地板辐射空调系统的联合运行方式3. 1系统构成太阳能一地源热泵系统由太阳能集热器、蓄热水箱、地热换热器、热泵机组及其附属 设备组成，末端采用地板辐射空调系统。系统的联合运行原理图如图1所示。F 11i k J: :i1 ' k .iH rF Ju: 霁A热泵机组 B太阳能集热系统 C地源热泵系统 D地

9、板辐 射空调系统 营蓄热水箱b太阳能集热器c/d系统分/集水 器g/f地板系统分/集水器 创s畑地热换热器h室内 地板盘管P】，P曹P3循环水泵图1太阳能地源热泵与地板辐射空调系统联合运行原理图3. 2系统运行流程3. 2. 1过渡季空调系统运行流程在初夏季节，建筑物的冷负荷要求较小，而且经过冬季的蓄冷，地温较低，而用户端 采用地板辐射空调系统，其要求的进水温度较常规供冷设备的进水温度要高，因此如果地热换热器介质与土壤换热后， 介质的温度能满足辐射空调的进水要求时，可采用图2所示的直供式，即直接将地热换热器的出水作为地板空调系统的进水。因此可以 推迟热泵启动的时间，节省能源。*系统集水器d 地

10、板系统分水器«地热换热器丄地板盘管图2初夏季节空调累统运行流程在初冬季节，系统采用太阳能集热系统直接供暖。循环水泵将蓄热水箱中的热水直接送入地板辐射系统进行制热 循环来满足建筑物的热负荷要求，推迟热泵启动时间。流程图见图3。太阳能集热器地板盘管系统分水赛c3 初冬季节供暖系统运行流程图3. 2. 2夏季空调系统运行流程（见图4）热泵机组热换热器卄载冷剂楣环 系统集水器d地板系藐集水卷f蒸 发 器I冷I«器图4夏季空调系统运行流程图热泵 经过初夏季节的运行，地热换热器不断将热量排人土壤中，使得地温逐渐升高，不能 满足建筑物的冷负荷要求，这时启动热泵，进行制冷循环。在制冷循环中

11、包含三套循 环系统：a）载冷剂循环，地热换热器中的载冷剂将热泵冷凝器释放出的热量排入土壤 中，并吸收土壤中的冷量回到热泵冷凝器中.b）制冷剂循环，热泵中的制冷剂将蒸发 器中的热量转移到冷凝器中；c）水循环，地板辐射空调系统中的水将吸收的室内热量 转移到热泵蒸发器中。经过三套循环系统，达到制冷的目的。地源热泵夏季空调运行 方式包括连续运行和间歇运行，当热泵连续运行时其制冷（制热）系数将随着制冷天数 的增加而下降，最终在相对较低的数值下趋于稳定；而采用间歇运行时，则可以使制 冷（制热）系数在较高的数值下保持稳定。 这是因为当连续制冷时，土壤温度场得不到 及时恢复，使得地温不断升高，导致热泵制冷（制

12、热）系数不断下降。因此建议，夏季 制冷运行时宜采用间歇运行方式， 使土壤温度场能得到有效恢复，从而提高热泵的制 冷（制热）系数。3. 2. 3冬季供暖系统运行流程冬季建筑物热负荷较大，而此时太阳辐射照度低，集热器的集热量和集热效率降低， 使得太阳能热泵所能提供的热量不能满足建筑物的热负荷要求，因此单独采用太阳能热泵进行供暖存在着热量供需不平衡的现象。针对这种情况我们采用地源热泵与其联 合运行，利用土壤的蓄热性能、温度的延迟性及稳定性等特点，来保证热量的供需平如图5所示，我们采取两种低位热源联合运行的方案。联合运行的方式包括两种低位 热源交替供暖和同时供暖的方式。文献 通过模拟实验证明，两种热源

13、同时供暖的 情况出现的比例较小，一般采用交替供暖的方式，并提出联合运行系统中一天24 h内两种热源的运行比例，即地源热泵与太阳能热泵各自运行的最佳时间分配比例分别 为：33%35%和50%70%。冬季当太阳能集热器的温度较高时，可以将集热器的 热量转移到地下贮存，这样既可使土壤温度场得到较快的恢复，又可降低进入集热器的流体温度，提高集热效率。储热时热泵的运行流程如图6所示。由以上系统运行分析可知，太阳能一地源热泵与地板辐射空调系统联合运行具有极大的优势，在初冬或初夏时间，可以直接利用太阳能与地热能直接供暖或空调，延迟热泵启动时间；'''在夏季系统采用间歇运行不仅能提高热泵的制冷系数，而且使土壤温度波动幅度较小，热泵运行工况稳定； 冬季由于太阳能热泵与地源热泵之间的互补作用，充分发挥了两种热泵各自的优势， 在保证居住环境的舒适度的基础上，实现了节能与环保的目的。4建议及展望1、由于此系统冷热源采用了新能源及可再生能源，末端装置为节能装置，因此为了 充分体现这种新型供暖空调技术的优势，建议此系统应用于节能型建筑中，建筑物节能指标根据国 家及地区规范规2、夏季采用地板供冷，若进水温度过低或室内相对湿度太大，则容易引起结露问题。