太陽(yáng)能-地源聯(lián)合熱泵系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能-地源聯(lián)合熱泵系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

能源供應(yīng)的緊張和節(jié)能環(huán)保的概念越來(lái)越大，導(dǎo)致新能源的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究。人類對(duì)于再生性能源的需求因化石燃料日漸耗盡而增加。太陽(yáng)能和地?zé)崮艿睦檬莻€(gè)源源不絕的絕佳能源替代方案。太陽(yáng)能是地球上能源的最主要的來(lái)源,它是無(wú)公害的潔凈能源,也是21世紀(jì)以后人類可期待的最有希望的能源。太陽(yáng)能是真正意義上的環(huán)保、可再生能源,加之能源豐富、分布相對(duì)均衡,不需要運(yùn)輸,不產(chǎn)生排放廢物。地?zé)崮軐儆凇犊稍偕茉捶ā芬?guī)定的被鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)利用的可再生能源之一,在我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略中居重要地位。地?zé)崮苡址譃闇\層低溫(<25℃)地?zé)崮芘c深層(≥25℃)地?zé)崮?。淺層地?zé)崮苁侵柑N(yùn)藏在地表以下一定深度(一般為200m)范圍內(nèi)的巖土體、地下水和地表水中,具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的熱能,又稱之為淺層地溫能。其實(shí)質(zhì)是太陽(yáng)輻射地表與地球內(nèi)部產(chǎn)生的熱向地表傳遞在地殼表層疊加后產(chǎn)生的一種熱能資源。太陽(yáng)能-地源熱泵技術(shù)是利用少量高品位的電能將太陽(yáng)能集熱器收集的低品位熱能與淺層地溫能提升加以利用的一種“綠色”技術(shù)。1與地?zé)崮堋⑺疅崮艿呐浜蠁渭兝锰?yáng)能時(shí),寒冷天氣、陰天、雪天有熱量不足的缺點(diǎn),而地?zé)崮芟鄬?duì)比較穩(wěn)定,兩者的結(jié)合具有互補(bǔ)性。太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)與地源熱泵相結(jié)合對(duì)建筑物進(jìn)行供熱或制冷,在理論上和技術(shù)上完全可行。我把它稱之為“太陽(yáng)能-地源聯(lián)合熱泵系統(tǒng)”。1.1采暖、冷凝水循環(huán)北方某熱泵工程的太陽(yáng)能-地源聯(lián)合熱泵方案設(shè)計(jì)圖如圖1所示。在此要說(shuō)明的是本圖只是作為說(shuō)明問(wèn)題的參考流程,且只是熱泵工程的方案之一,并不代表工程的最終采用方案。系統(tǒng)的工作原理:(1)夏季制冷:在蒸發(fā)器這一側(cè)A、D閥關(guān)閉,B、C閥打開(kāi),冷媒水經(jīng)過(guò)B、C閥門形成一個(gè)循環(huán),向室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)供冷。在冷凝器一側(cè),將T、S閥打開(kāi),Q、R閥關(guān)閉,通過(guò)B3泵,地下熱交換盤管把冷凝熱釋放到土壤中。(2)冬季供熱:A、D閥門打開(kāi),B、C閥門關(guān)閉,T、S閥關(guān)閉,Q、R閥打開(kāi)。冷媒水由閥A到集熱器蓄熱裝置,吸收地源熱能與太陽(yáng)能集熱能,溫度升高,由D閥回到蒸發(fā)器,形成冷凍水循環(huán);集熱器蓄熱裝置的水不斷通過(guò)B1與B3泵從土壤與太陽(yáng)能集熱器獲取熱能;而在冷凝器側(cè),此時(shí)熱量通過(guò)B2泵釋放到緩沖蓄熱器里。冷凝水循環(huán)路徑是:U閥→B2泵→緩沖蓄熱器→H閥→G閥→冷凝器。(3)地板供暖:通常情況下,由緩沖蓄熱器→輔助燃?xì)饧訜崞鳌鶥4泵→水分配器→地板供暖→緩沖蓄熱器,進(jìn)行地板式采暖。必要時(shí)也可起用備用供暖系統(tǒng):此時(shí),E、F兩個(gè)閥門打開(kāi),J、I兩個(gè)閥門關(guān)閉,由冷凝器直接向室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤管供用熱水,加熱室內(nèi)空氣。(4)供生活用熱水:夏季,P、L閥關(guān)閉,N、K閥開(kāi)啟,此時(shí)太陽(yáng)能集熱器來(lái)的熱水直接進(jìn)緩沖蓄熱器,由太陽(yáng)能收集或冷凝器散發(fā)出來(lái)的熱量進(jìn)緩沖蓄熱器進(jìn)行水的預(yù)熱,自來(lái)水經(jīng)F2閥進(jìn)緩沖蓄熱器,再由GH燃?xì)饧訜崞骷訜?然后經(jīng)F1閥到廚房與浴室熱水系統(tǒng);冬季,P、L閥開(kāi)啟,N、K閥關(guān)閉,此時(shí)太陽(yáng)能集熱器來(lái)的熱水不直接進(jìn)緩沖蓄熱器,自來(lái)水經(jīng)閥F4進(jìn)熱交換器HE被加熱,供生活熱水,在換熱器HE另一側(cè),熱水由緩沖蓄熱器→輔助燃?xì)饧訜崞鳌鶫E熱交換器與自來(lái)水進(jìn)行熱交換后降溫,然后由泵B4將其抽出,與地板供熱的那一路混合后到緩沖蓄熱器。1.2太陽(yáng)能管道的防垢優(yōu)化當(dāng)冬季不適合使用太陽(yáng)能或者系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí),設(shè)在屋頂?shù)奶?yáng)集熱器和管道系統(tǒng)需要放空存水,否則存在凍裂的危險(xiǎn),也可以配制一定濃度的防凍液作為系統(tǒng)工質(zhì)。按當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁?留適當(dāng)余量來(lái)配制防凍液,此外,長(zhǎng)時(shí)間停止運(yùn)行后,重新啟用太陽(yáng)能系統(tǒng)之前,還需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行試水和維修,因經(jīng)過(guò)一個(gè)嚴(yán)冬的氣溫變化,太陽(yáng)能管道系統(tǒng)難免有許多地方出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。本系統(tǒng)優(yōu)先利用太陽(yáng)能,由屋頂?shù)奶?yáng)熱水器將水預(yù)熱,作為燃?xì)饧訜崞鞯慕o水來(lái)源。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的太陽(yáng)集熱器出口水溫的上下限,自動(dòng)起停集熱器和熱水儲(chǔ)水罐之間的循環(huán)泵B1。當(dāng)陽(yáng)光和溫度適宜,集熱器出口溫度達(dá)到某一設(shè)定值時(shí),上水泵B1運(yùn)轉(zhuǎn),使被加熱水在連接儲(chǔ)水罐和集熱器的管道系統(tǒng)中不斷循環(huán)將水加熱;而當(dāng)溫度低于某一設(shè)定值時(shí),上水泵B1停止運(yùn)行,同時(shí)系統(tǒng)通過(guò)雙向單流閥DDFV自動(dòng)排空(排空的水仍可進(jìn)入熱水儲(chǔ)水罐)。雙向單流閥DDFV的自動(dòng)排空功能解決了系統(tǒng)及管路的防凍問(wèn)題,并具有一定的防垢功能。地下盤管循環(huán)水系統(tǒng)啟動(dòng)、MV1、MV2、MV3電磁閥的啟閉、冷凝水泵的運(yùn)行、空調(diào)(熱泵)機(jī)組的起停及輔助燃?xì)饧訜崞鞯倪\(yùn)行均采用溫度控制或溫差控制的方式。它們分別由E1、E2、E3、E4控制器控制。圖1中Te為埋設(shè)在各個(gè)溫度采樣關(guān)鍵點(diǎn)的傳感器。1.3太陽(yáng)能熱泵在熱泵供熱中的重要作用太陽(yáng)能-地源聯(lián)合熱泵系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):(1)可以抽取分散而儲(chǔ)量又十分巨大的低品位能量(太陽(yáng)能與地表熱),實(shí)現(xiàn)對(duì)低品位環(huán)境能的挖掘、收集利用,大大拓寬了能量的利用范圍,降低常規(guī)能源的消耗速度。(2)太陽(yáng)能、地?zé)崮苁乔鍧嵀h(huán)保且“可再生”的能源,幾乎不產(chǎn)生污染,具有顯著的環(huán)境效益。(3)系統(tǒng)的高效性,熱泵循環(huán)性能系數(shù)ζ大于1,即熱泵的熱力學(xué)經(jīng)濟(jì)性比單純消耗電能制熱或直接消耗常規(guī)能源(煤或石油等)加熱的方式都要好,工程實(shí)踐證明,該系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。(4)全年溫度波動(dòng)小、較為穩(wěn)定的地?zé)崮芸朔藛渭兝锰?yáng)能做熱源時(shí)受環(huán)境、氣候等因素影響較大的缺點(diǎn);太陽(yáng)能無(wú)處不在、取之不盡,而地?zé)崮軇t受當(dāng)?shù)厮礂l件和地質(zhì)條件的限制。這使得該系統(tǒng)兼有太陽(yáng)能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)相互之間的互補(bǔ)。(5)可以實(shí)現(xiàn)三方面功能:夏季空調(diào);冬季供暖;全年供用生活熱水。當(dāng)然,像任何技術(shù)一樣,太陽(yáng)能-地源聯(lián)合熱泵技術(shù)也不是十全十美的。其應(yīng)用會(huì)受到不同地區(qū)、地理?xiàng)l件、不同用戶、投資的經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行費(fèi)用及國(guó)家能源政策與燃料價(jià)格等因素的制約影響。2太陽(yáng)能和地源熱泵節(jié)能與環(huán)保的理念日益深入到每位工程技術(shù)人員、甚至每位國(guó)民的心中。太陽(yáng)能具有儲(chǔ)量的無(wú)限性,經(jīng)濟(jì)性,清潔性;地源熱泵具有循環(huán)利用性、地?zé)嵩吹呢S富性、節(jié)能性、環(huán)保性及相對(duì)穩(wěn)定性,兩者結(jié)合將