太陽(yáng)能地源熱泵技術(shù)的可行性分析

1、太陽(yáng)能一地源熱泵技術(shù)的可行性分析新能源的優(yōu)勢(shì)太陽(yáng)能太陽(yáng)每年輻射到地球表面的能量巨大，約為50X1018 kJ,相當(dāng)于目前全世界年能量 消費(fèi)的1. 3萬(wàn)倍1,利用的潛力很大，而且對(duì)太陽(yáng)能的利用不會(huì)對(duì)地球的熱平衡產(chǎn) 生影響，也不會(huì)造成環(huán)境污染。因此太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的一種綠色環(huán)保能 源。我國(guó)地域遼闊，太陽(yáng)能資源豐富，我國(guó)廣大北方地區(qū)年日照時(shí)間一般在2 000 h 以上，甚至高達(dá)2 8003 300 h,屬于太陽(yáng)能利用較有利的地域。地?zé)崮艿責(zé)崮?，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(duì)穩(wěn)定，全年波 動(dòng)小。根據(jù)測(cè)定，地下lo m深處的土壤溫度相當(dāng)于該地區(qū)全年平均氣溫，多數(shù)情況下

2、比氣溫高12C,并且不受季節(jié)的影響2。土壤溫度以余弦函數(shù)的規(guī)律隨時(shí)間變化， 并且其溫度波振幅隨地層深度的增加而出現(xiàn)衰減的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)貙由疃茸銐虼髸r(shí)，溫度 波動(dòng)振幅就衰減到可以忽略不計(jì)的程度，在這個(gè)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(shí)間上的延遲性，其溫度達(dá)到最大值的時(shí)間比地表溫度達(dá)到最兀_大值的時(shí)間落后一個(gè)相位9二小:一，所以當(dāng)冬季室外空氣的溫度很低時(shí)，地層內(nèi)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(shù)較高，約為2. 23. 22，而且蒸發(fā)溫度及冷凝溫度基本保持恒定，從而保 證了熱泵的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，土壤作為一個(gè)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(tǒng)適宜采用太陽(yáng)能一地源熱泵技術(shù)在本文所述的系統(tǒng)中，用戶(hù)端采用地板輻射空調(diào)系統(tǒng)。其低溫輻射供暖、高溫輻射供 冷的特點(diǎn)與太陽(yáng)能地源熱泵系統(tǒng)所提供的冷熱水溫度的特點(diǎn)相一致。a）地板輻射空調(diào)系統(tǒng)夏季要求的進(jìn)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(shí)要求的進(jìn)水溫度較低，一般在3050C，供熱能力為50120 W/m24f。b）熱泵系統(tǒng)提供的冷熱水溫度恰好在地板輻射空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)水溫度所要求的范圍內(nèi)。=有效制熱量c）熱泵的制熱性能系數(shù) h凈輸入能量，在理想的熱泵循環(huán)逆卡諾熱泵循T環(huán)的情況下，h ，其中Tn為高溫?zé)嵩礈?/p>

4、度，Ta為低溫?zé)嵩礈囟?。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(shù)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(yùn)行效率，從而取得良好的經(jīng)濟(jì)效果。d）由于地板輻射空調(diào)系統(tǒng)較普通的空調(diào)系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果，因此一方面可大大減小太陽(yáng)能一地源熱泵系統(tǒng)的規(guī)模，降低初 投資；另一方面使地層以下的溫度場(chǎng)波動(dòng)較小，地溫能夠得到及時(shí)恢復(fù)。e）地板輻射空調(diào)系統(tǒng)在初夏或初冬季節(jié)可以直接利用地?zé)崮芗疤?yáng)能進(jìn)行供冷供暖，推遲熱泵啟動(dòng)時(shí)間，降低電能消耗，達(dá)到節(jié)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(lǐng)域貫徹節(jié)約能源的方針，國(guó)家及建設(shè)主管部門(mén)頒

5、布了系列法律法規(guī)和 規(guī)章辦法，大力提倡在建筑中應(yīng)用新能源和可再生能源。在節(jié)約能源法中規(guī)定：“國(guó)家鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)、利用新能源和可再生能源”在民用建筑節(jié)能管理規(guī)定中提出 把“太陽(yáng)能、地?zé)岬瓤稍偕茉磻?yīng)用技術(shù)及設(shè)備”和“空調(diào)制冷節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品”， 列為“國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的建筑節(jié)能技術(shù)（產(chǎn)品）”。而且為了加快新能源和可再生能源產(chǎn) 業(yè)化發(fā)展，國(guó)家經(jīng)貿(mào)委于2001年10月印發(fā)了新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十五” 規(guī)劃，提出的發(fā)展重點(diǎn)中包括太陽(yáng)能光熱利用，指出要“研究和開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能熱利用、 采暖、空調(diào)等與建筑一體化技術(shù)”等5。由以上分析可知，太陽(yáng)能及地?zé)崮茏鳛闊?泵的低位熱源，不僅有政府的支持，還由于其自身的優(yōu)點(diǎn)及顯著

6、的節(jié)能效果，必將成 為以后熱泵技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。2、太陽(yáng)能熱泵與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行的必要性太陽(yáng)能與地?zé)崮茈m然具有較多的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在著不足之處。對(duì)于太陽(yáng)能來(lái)說(shuō)， 雖然到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能總量很大，但是其在地球表面的能流密度極低。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 北回歸線附近夏季晴天中午的太陽(yáng)輻射最強(qiáng)，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(shí)太陽(yáng) 能因受晝夜、季節(jié)、緯度和海拔高度等自然條件的限制和陰雨天氣等隨機(jī)因素的影響， 存在較大的間歇性及不穩(wěn)定性。因此，要利用太陽(yáng)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(shè)備的初投資增加，限制了其推廣應(yīng)用。對(duì)于地?zé)?能

7、來(lái)說(shuō)，由于土壤的性質(zhì)隨著地區(qū)的不同和季節(jié)的變化而異，這將會(huì)增加地?zé)釗Q熱器 的設(shè)計(jì)難度，而且其主要影響參數(shù)之一一一導(dǎo)熱系數(shù)較小，因此工質(zhì)與土壤之間的換 熱強(qiáng)度小，需要較大的換熱面積，這將受到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)地及施工的限制，而且將增加 工程初投資。此外，在冬季熱負(fù)荷較大的北方地區(qū)，熱泵從土壤取熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在夏 季的蓄熱，長(zhǎng)期運(yùn)行將會(huì)使土壤的溫度場(chǎng)得不到有效恢復(fù)，從而對(duì)該類(lèi)地區(qū)冬季供暖 造成很大影響。鑒于以上兩種低位熱源熱泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)所存在的問(wèn)題，本文提出太陽(yáng) 能熱泵與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的方案。一方面由于土壤具有蓄能、穩(wěn)定性及延遲性 的特點(diǎn)，可以作為太陽(yáng)能的蓄熱裝置，儲(chǔ)存熱量以供太陽(yáng)能不充足時(shí)使用。另一

8、方面， 由于太陽(yáng)能的輔助供熱作用，使得地?zé)釗Q熱器可以間歇運(yùn)行，土壤溫度場(chǎng)能夠得到及 時(shí)恢復(fù)，蒸發(fā)溫度及冷凝溫度波動(dòng)不大，從而使熱泵運(yùn)行穩(wěn)定。因此兩種低位熱源熱 泵的聯(lián)合運(yùn)行是一種比較合理的方案，可以互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)單 一熱源熱泵的不足，提高熱泵系統(tǒng)的COP值。3太陽(yáng)能一地源熱泵與地板輻射空調(diào)系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行方式3. 1系統(tǒng)構(gòu)成太陽(yáng)能一地源熱泵系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、蓄熱水箱、地?zé)釗Q熱器、熱泵機(jī)組及其附屬 設(shè)備組成，末端采用地板輻射空調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行原理圖如圖1所示。A熱泵機(jī)組 B太陽(yáng)能集熱系統(tǒng) C地源熱泵系統(tǒng) D地板輻 射空調(diào)系統(tǒng)a蓄熱水箱b太陽(yáng)能集熱器c/d系統(tǒng)分/集水 器

9、g/f地板系統(tǒng)分/集水器ei,e2,-,e地?zé)釗Q熱器h室內(nèi) 地板盤(pán)管P1，P2, P3循環(huán)水泵圖1太陽(yáng)能-地源熱泵與地板輻射空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行原理圖3. 2系統(tǒng)運(yùn)行流程3. 2. 1過(guò)渡季空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行流程在初夏季節(jié)，建筑物的冷負(fù)荷要求較小，而且經(jīng)過(guò)冬季的蓄冷，地溫較低，而用戶(hù)端 采用地板輻射空調(diào)系統(tǒng)，其要求的進(jìn)水溫度較常規(guī)供冷設(shè)備的進(jìn)水溫度要高，因此如 果地?zé)釗Q熱器介質(zhì)與土壤換熱后，介質(zhì)的溫度能滿(mǎn)足輻射空調(diào)的進(jìn)水要求時(shí)，可采用 圖2所示的直供式，即直接將地?zé)釗Q熱器的出水作為地板空調(diào)系統(tǒng)的進(jìn)水。因此可以 推遲熱泵啟動(dòng)的時(shí)間，節(jié)省能源。*系統(tǒng)集水器d 一 地板系統(tǒng)分水器g地?zé)釗Q熱器丄地板盤(pán)管系統(tǒng)分水

10、器c J 地板系統(tǒng)集水器f地?zé)釗Q熱器丄地板盤(pán)管系統(tǒng)分水器c J 地板系統(tǒng)集水器f圖2初夏季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行流程在初冬季節(jié)，系統(tǒng)采用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)直接供暖。循環(huán)水泵將蓄熱水箱中的熱水直接送入地板輻射系統(tǒng)進(jìn)行制熱 循環(huán)來(lái)滿(mǎn)足建筑物的熱負(fù)荷要求，推遲熱泵啟動(dòng)時(shí)間。流程圖見(jiàn)圖3。3. 2. 2夏季空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行流程（見(jiàn)圖除曜系統(tǒng)運(yùn)行流程圖熱泵機(jī)組圖4夏季空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行流程圖卻右熱泵 經(jīng)過(guò)初夏季節(jié)的運(yùn)行，地?zé)釗Q熱器不斷將熱量排人土壤中，使得地溫逐漸升高，不能 滿(mǎn)足建筑物的冷負(fù)荷要求，這時(shí)啟動(dòng)熱泵，進(jìn)行制冷循環(huán)。在制冷循環(huán)中包含三套循 環(huán)系統(tǒng)：a）載冷劑循環(huán)，地?zé)釗Q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(huán)，熱泵中的制冷劑將蒸發(fā) 器中的熱量轉(zhuǎn)移到冷凝器中；c）水循環(huán)，地板輻射空調(diào)系統(tǒng)中的水將吸收的室內(nèi)熱量 轉(zhuǎn)移到熱泵蒸發(fā)器中。經(jīng)過(guò)三套循環(huán)系統(tǒng)，達(dá)到制冷的目的。地源熱泵夏季空調(diào)運(yùn)行 方式包括連續(xù)運(yùn)行和間歇運(yùn)行，當(dāng)熱泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)其制冷（制熱）系數(shù)將隨著制冷天數(shù) 的增加而下降，最終在相對(duì)較低的數(shù)值下趨于穩(wěn)定；而采用間歇運(yùn)行時(shí)，則可以使制 冷（制熱）系數(shù)在較高的數(shù)值下保持穩(wěn)定。這是因?yàn)楫?dāng)連續(xù)制冷時(shí)，土壤溫度場(chǎng)得不到 及時(shí)恢復(fù)，使得地溫不斷升高，導(dǎo)致熱泵制冷（制熱）系數(shù)不斷下降。因此建議，夏季 制冷運(yùn)行時(shí)宜采用間歇運(yùn)行方式，使土壤溫度場(chǎng)能得到有效恢復(fù)

12、，從而提高熱泵的制 冷（制熱）系數(shù)。3. 2. 3冬季供暖系統(tǒng)運(yùn)行流程冬季建筑物熱負(fù)荷較大，而此時(shí)太陽(yáng)輻射照度低，集熱器的集熱量和集熱效率降低， 使得太陽(yáng)能熱泵所能提供的熱量不能滿(mǎn)足建筑物的熱負(fù)荷要求，因此單獨(dú)采用太陽(yáng)能 熱泵進(jìn)行供暖存在著熱量供需不平衡的現(xiàn)象。針對(duì)這種情況我們采用地源熱泵與其聯(lián) 合運(yùn)行，利用土壤的蓄熱性能、溫度的延遲性及穩(wěn)定性等特點(diǎn)，來(lái)保證熱量的供需平衡。蓄熱水箱a載冷劑循環(huán)丄集熱器b系統(tǒng)分水器c系統(tǒng)集水瞬d”地板系統(tǒng)集勺熱泵機(jī)組I板系統(tǒng)分水器g圖5衡。蓄熱水箱a載冷劑循環(huán)丄集熱器b系統(tǒng)分水器c系統(tǒng)集水瞬d”地板系統(tǒng)集勺熱泵機(jī)組I板系統(tǒng)分水器g圖5冬季供暖系統(tǒng)運(yùn)行流程圖水循環(huán)

13、如圖5所示，我們采取兩種低位熱源聯(lián)合運(yùn)行的方案。聯(lián)合運(yùn)行的方式包括兩種低位 熱源交替供暖和同時(shí)供暖的方式。文獻(xiàn)6通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)證明，兩種熱源同時(shí)供暖的 情況出現(xiàn)的比例較小，一般采用交替供暖的方式，并提出聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)中一天24 h內(nèi) 兩種熱源的運(yùn)行比例，即地源熱泵與太陽(yáng)能熱泵各自運(yùn)行的最佳時(shí)間分配比例分別 為：33%35%和50%70%。冬季當(dāng)太陽(yáng)能集熱器的溫度較高時(shí)，可以將集熱器的 熱量轉(zhuǎn)移到地下貯存，這樣既可使土壤溫度場(chǎng)得到較快的恢復(fù)，又可降低進(jìn)入集熱器 的流體溫度，提高集熱效率。儲(chǔ)熱時(shí)熱泵的運(yùn)行流程如圖6所示。由以上系統(tǒng)運(yùn)行分 析可知，太陽(yáng)能一地源熱泵與地板輻射空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行具有極大的優(yōu)勢(shì)

14、，在初冬或 初夏時(shí)間，可以直接利用太陽(yáng)能與地?zé)崮苤苯庸┡蚩照{(diào)，延遲熱泵啟動(dòng)時(shí)間;薔熱水箱& 一系統(tǒng)集水畚d系統(tǒng)分水器c地?zé)釗Q熱器系統(tǒng)分水器c地?zé)釗Q熱器圖6儲(chǔ)熱過(guò)程系統(tǒng)運(yùn)行流程圖在夏季系統(tǒng)采用間歇運(yùn)行不僅能提高熱泵的制冷系數(shù)，而且使土壤溫度波動(dòng)幅度較小，熱泵運(yùn)行工況穩(wěn)定； 冬季由于太陽(yáng)能熱泵與地源熱泵之間的互補(bǔ)作用，充分發(fā)揮了兩種熱泵各自的優(yōu)勢(shì)， 在保證居住環(huán)境的舒適度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保的目的。4建議及展望1、由于此系統(tǒng)冷熱源采用了新能源及可再生能源，末端裝置為節(jié)能裝置，因此為了 充分體現(xiàn)這種新型供暖空調(diào)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，建議此系統(tǒng)應(yīng)用于節(jié)能型建筑中，建筑物節(jié)能指標(biāo)根據(jù)國(guó) 家及地區(qū)規(guī)范規(guī)2、夏季采用地板供冷，若進(jìn)水溫度過(guò)低或室內(nèi)相對(duì)濕度太大，則容易