新型的太阳能与地源热泵联合供热制冷系统

1、近年来，太阳能吸收式制冷热泵技术与地源热泵技术是国内外研究的热点。目前，国内外对太阳能吸收式制冷热泵技术的研究还处于理论探讨阶段，实际的工程项目不多。而地源热泵技术在国外已经非常成熟，是一种广泛采用的供热空调系统。在美国，地源热泵已占整个供暖空调系统的；在欧洲，据年的统计，地源热泵在家用供热装置中所占的比例：瑞士为，奥地利为，丹麦为。在国内这项技术虽刚刚起步，但已得到政府部门的大力支持。我国早在上世纪年代就开始对太阳能吸收式制冷热泵技术进行研究。但是截至目前为止，国内的太阳能吸收式制冷热泵工程项目屈指可数。年，中国科学院广州能源研究所与香港理工学院合作，在秘文涛，张建一，陈天及，张艳（上海水产

2、大学食品学院，上海；集美大学机械工程学院，福建厦门；华东理工大学机械与动力工程学院，上海）新型的太阳能与地源热泵联合供热制冷系统深圳建成了国内首个太阳能空调系统，该系统制冷能力为。“九五”期间，中科院广州能源研究所和北京市太阳能研究所分别在广东江门市和山东乳山市建立了的太阳能空调热水系统和的太阳能吸收式空调及供热综合系统。但是太阳能有两个不足：一是能流密度低；二是其强度受各种因素的影响不能维持常量，这两大缺点大大限制了太阳能的推广利用。此外，地源热泵在长期的运行中，将会使土壤温度场得不到及时恢复，蒸发温度及冷凝温度波动较大，热泵机组运行效率较低。因此，针对各自的不足，国内外的学者开始将太阳能及

3、地源热泵构建在一起进行研究。土耳其搭建了一个太阳能与地源热泵联合供热系统，并通过实验对系统的技术经济性进行了分析，该系统的值大约为，效率约为。通过国内外对太阳能与地源热泵联合运行模式的研究发现，国内的学者主要侧重于对联合供热模式的研究，而对联合供热制冷的模式研究较少。本文针对这一问题，将太阳能吸收式制冷技术设计在地源热泵系统中，构建出一套新型的太阳能与地源热泵联合供热制冷系统。太阳能与地源热泵联合运行新系统设计设计思路目前，常规的太阳能与地源热泵联合运行系统多设计成夏季采用地源热泵系统制冷，冬季采用太阳能热泵与地源热泵联合供热。但是在我国的南方地区，建筑物夏季所需冷负荷要远大于冬季所需热负荷，

4、而热泵机组又往往都是制热量大于制冷量（通常热泵机组的制热量是制冷量的倍）。因此在机组选择时，如果按夏季冷负荷标准选择机组，会导致机组的制热能力大大超出建筑物的热负荷需求。而若按照冬季热负荷标准选择，则会出现夏季制冷量不够。因此，可以考虑将太阳能吸收式制冷技术应用在新系统中，2008.No.2月刊夏季冷负荷不足部分以太阳能吸收式制冷作补充。这样不仅可以在一定程度上降低地热换热器的初投资，而且还可以使地热换热器间歇运行，土壤温度场得到及时恢复。近年来太阳能吸收式制冷技术已经逐渐成熟。在太阳能集热器方面，平板型集热器、真空管型集热器都已在市场上推广应用。在制冷机方面，适合于太阳能利用的吸收式制冷机也

5、有了很大发展，低温热水型两级吸收式溴化锂制冷机的热源温度只需以上。同时，如以温度为以上的热源驱动单效吸收式制冷机，其系统的值可达到；而若温度低于，可用其驱动双效吸收式制冷机，则系统的值约为。因此，太阳能吸收式制冷热泵技术应用在地源热泵系统中是可行的。作者沿用该思路，设计出了一套新型的太阳能与地源热泵联合供热制冷系统。即夏季采用太阳能吸收式制冷与地源热泵联合运行制冷，冬季采用以太阳能为热源的第一类吸收式热泵与地源热泵联合供热。新系统构成该新型供热制冷系统主要由以下系统构成：太阳能集热系统、第一类吸收式热泵系统、太阳能吸收式制冷系统、地热换热系统、热泵机组系统和室内供热制冷系统。联合运行原理如图所

6、示。图太阳能吸收式制冷热泵与地源热泵联合运行原理图新系统工作流程分析夏季太阳能吸收式制冷与地源热泵联合运行流程在夏季，土壤经过冬季的蓄冷，地表浅层的土壤2008.No.2月刊温度相对较低。通过输入少量的高品位电能，就可以将室内的低品位热量“取”出，释放到地能中去，进而使室内产生良好的制冷效果。同时，随着太阳辐射强度的逐渐增强，大气温度不断升高，建筑物对冷量的需求也越来越大。这样我们可以充分利用太阳能辐射强的特性，通过太阳能集热器将太阳能蓄积起来，作为吸收式制冷系统的驱动热源。太阳能吸收式制冷与地源热泵联合运行流程如图所示。图太阳能吸收式制冷与地源热泵联合制冷流程图在太阳能吸收式制冷系统中，太阳

7、能集热器将太阳能转化为水的显热储存在热水箱中。如果太阳能集热器中的热水温度不足以驱动吸收式制冷机工作时，启动辅助加热系统将热水加热到一定温度，使制冷机工作。在地源热泵制冷系统中，盘管通过水循环将室内热量转移到蒸发器中。在蒸发器中，热泵中的制冷剂将热量吸收传递到冷凝器中，然后地热换热器中的水在冷凝器中跟制冷剂发生热交换，最终通过地热换热器将热量排放到土壤中，通过三套循环达到制冷目的。有实验证明：当地源热泵连续运行时，其制冷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。故夏季优先采用太阳能吸收式制冷，这样可减少地源热泵的运行时间，使土壤温度场得到及时恢复，进而提高热泵机组的制冷系

8、数。冬季第一类吸收式热泵与地源热泵联合运行流程在冬季，若单独采用地源热泵供热，地热换热器经过长期的运行，土壤温度场得不到有效恢复，地温会随之降低，热泵机组的制热系数会不断下降。如果以太阳能为热源驱动第一类吸收式热泵系统制热，在一定程度上就可缓解地热换热器的压力，使土壤温度场得到及时恢复。第一类吸收式热泵与地源热泵联合供热流程如图所示。图第一类吸收式热泵与地源热泵联合供热流程图在以太阳能为热源的第一类吸收式热泵系统中，当集热器提供的热水不足以驱动发生器时，启动辅助加热系统将热水加热到一定温度，使吸收式热泵工作。在吸收式热泵系统工作时，热媒水依次吸收制冷剂蒸汽放出的吸收热和冷凝器中产生的冷凝热，最

9、终通过热水回路供热。在地源热泵供热系统中，地热盘管通过水循环将地热收集起来，通过热泵系统将热量提升转化为高温热水，供室内采暖使用。新系统的技术经济性分析对于太阳能吸收式制冷与地源热泵联合运行模式，目前国内外相关的研究较少，但对各自单独运行的研究较多。有研究表明：采用数值模拟方法对小型太阳能辅助的单效溴化锂吸收式制冷系统的可行性和经济性作了系统分析，该小型制冷系统比常规压缩式制冷系统节能。太阳能单效溴化锂吸收式制冷系统的值约为。虽然其值较低，但太阳能吸收式制冷系统的运行费用只是采用辅助热源和水泵等所消耗的电能，因此节能效果明显。地源热泵系统在全年的使用过程中能效比在之间，也就是说每的热量输出，只

10、需要电量，这比空气热源泵高出，其运行成本仅是中央空调系统的。因此，太阳能与地源热泵联合制冷可以为用户节省电费。以太阳能为热源的第一类吸收式热泵与地源热泵联合供热模式，跟常规的太阳能热泵与地源热泵联合供热模式相比，其优越性在于热媒水不仅可以吸收太阳能，而且还可以吸收制冷剂蒸汽放出的吸收热和冷凝器产生的冷凝热，即变相地吸收了蒸发器内低温热水（）的热量，这样热源的来源更加充足。此外，由于地热换热器的投资约占整个地源热泵系统的，故以吸收式热泵产生的热源做补充就可大大节省地热换热器和机组的投资。同时，由于缓解了热泵机组的热负荷压力，机组的蒸发温度提高，热泵压缩机的耗电量减少，运行费用得到进一步降低。此外

11、，可充分利用夏天太阳能在制冷和供暖的同时提供生活热水，为用户节省购买空调和热水器而增加的初投资，进而减少电费的支出。因此，太阳能吸收式制冷热泵与地源热泵联合运行具有较高的经济性。存在的问题（）系统结构复杂，初投资较高。系统性能的可靠性、稳定性有待于进一步验证。经济性分析要根据各地区的太阳能资源和土壤热物性条件，以及用户热负荷特点等因素综合考虑。此外，该系统增加投资的回收年限问题还需要具体的示范工程做进一步测算。（）本设计控制策略不同，运行效果及经济性也必然不同。因此，夏季联合供冷和单独采用地源热泵供冷两种方案的优劣，必须针对不同的气候条件和地质条件做出相应的比较，找出最佳的控制方案。（）本文将冬季供热模式设计成以太阳能为热源的第一类吸收式热泵与地源热泵联合运行，虽然第一类吸收式热泵有一定的优越性，但是其供热系数较低。故需要进一步比较该运行模式与太阳能热泵和地源热泵联合供热模式的优劣。（）太阳能集热器与埋地换热器的运行，其过程是一个比较复杂的传热、传质动态过程，系统各部件相互耦合使得系统的运行效果不仅与集热器和埋地换热器的效率有关，而且与热泵机组的工作效率、房间的负荷大小及土壤中的换热方式有关。要对这一复杂系统的运行