太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行方式的探討

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1引言

　　能源和環(huán)境是影響國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，能源供應(yīng)形勢直接關(guān)系到國家的安全和社會(huì)穩(wěn)定。建筑領(lǐng)域消費(fèi)的能源，主要是煤炭、石油和天然氣等石化能源。這些能源，資源有限，不可再生，終究要枯竭，而且傳統(tǒng)能源會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。我國人口眾多，人均資源占有量低于世界平均水平，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活消費(fèi)的需求相比，能源供應(yīng)的缺口很大，而且能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理，以煤為主的能源供給造成了嚴(yán)重的大氣污染和溫室氣體排放，我國目前的CO²排放量居世界第二位。我國是京都議定書的簽約國，目前的這種能源消費(fèi)方式，已受到國際社會(huì)的高度關(guān)注，加大了我們保護(hù)環(huán)境和改變經(jīng)濟(jì)增長模式的壓力。因此，節(jié)約能源和開發(fā)利用清潔、可再生能源的任務(wù)十分緊迫。

　　由于能源問題對國家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展所起的重要作用，中央提出了建設(shè)節(jié)能省地型住宅的政策方針，因此，可再生能源在建筑中的應(yīng)用是建筑業(yè)技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展的需要。隨著2006年1月《可再生能源法》的正式頒布與實(shí)施，太陽能、地?zé)崮茉诮ㄖ袠I(yè)中的應(yīng)用越來越受到人們的重視。

　　地源熱泵技術(shù)是可再生能源應(yīng)用的主要應(yīng)用方向之一，即利用淺層地?zé)崮苜Y源進(jìn)行供熱與空調(diào)，具有良好的節(jié)能與環(huán)境效益，近年來在國內(nèi)得到了日益廣泛的應(yīng)用。隨著《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》的實(shí)施，地源熱泵系統(tǒng)工程的市場更加規(guī)范化，能更好的發(fā)揮其節(jié)能、環(huán)保效益。但地源熱泵系統(tǒng)存在土壤溫度場的恢復(fù)問題，即隨著地源熱泵系統(tǒng)連續(xù)長期的運(yùn)行，會(huì)從地下過多的取熱或過多的散熱，造成地下溫度場的波動(dòng)，降低機(jī)組的COP值，增加系統(tǒng)的能耗。

　　太陽能技術(shù)也是可再生能源應(yīng)用的主要應(yīng)用方向之一。北京屬于太陽能資源比較豐富的區(qū)域，太陽能年輻射總量在5600MJ/m2～6000MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)在2600小時(shí)～3000小時(shí)，所以太陽能技術(shù)在北京有很好的發(fā)展前景，并且太陽能在建筑中的應(yīng)用是現(xiàn)階段太陽能應(yīng)用中最具有發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。太陽能是永不枯竭的清潔能源，量大，資源豐富，綠色環(huán)保。但太陽能也具有一些缺點(diǎn)：（1）太陽能的能流密度低。雖然到達(dá)地球表面的太陽能有102000TW，但即使在太陽能資源較豐富的沙漠地區(qū)，考慮到太陽集熱系統(tǒng)的效率和熱損失，每平米集熱器面積實(shí)際采集到的年平均太陽能輻射照度不到100W，而且它因地而異，因時(shí)而變。（2）太陽能具有間歇性和不可靠性。太陽能的輻照度受氣候條件等各種因素的影響不能維持常量，如果遇上連續(xù)的陰雨天氣太陽能的供應(yīng)就會(huì)中斷。此外，太陽能是一種輻射能，具有即時(shí)性，太陽能自身不易儲(chǔ)存，必須即時(shí)轉(zhuǎn)換成其它形式能量才能利用和儲(chǔ)存。

　　地源熱泵技術(shù)和太陽能技術(shù)自身存在的這些局限性，如果兩種能源能夠聯(lián)合使用，這樣能互相彌補(bǔ)自身的不足，提高資源利用率。

　　2太陽能－地源熱泵技術(shù)應(yīng)用的條件

　　應(yīng)用太陽能－地源熱泵技術(shù)的原則：（1）在經(jīng)濟(jì)許可的前提下最大限度地利用太陽能。太陽能是完全免費(fèi)的，在利用過程中，僅消耗水泵能耗，運(yùn)行費(fèi)用最低，所以在經(jīng)濟(jì)許可的情況下，盡可能增大太陽集熱器的面積，以提高太陽能的利用率。

　　（2）太陽能－地源熱泵技術(shù)適宜供全年生活熱水、冬季供暖、夏季制冷的全年綜合利用。在實(shí)際工程中，采用新能源后，系統(tǒng)初投資較高，尤其是對太陽集熱器，全部是增量成本，最好能全年綜合利用。例如：太陽集熱器冬季供熱、夏季制冷，在過渡季，不設(shè)空調(diào)時(shí)，太陽能除提供生活熱水外，將多余的熱量儲(chǔ)存起來，供冬季供熱。這樣的做法既可以做到太陽能的綜合利用，又可以避免太陽集熱器的空曬，增加了太陽集熱器的壽命。

　?。?）新能源利用的前提是必須采用節(jié)能建筑，以降低系統(tǒng)的初投資。太陽能的能流密度較低，太陽集熱系統(tǒng)的價(jià)格在目前仍然偏高；地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比，初投資也較高。為了盡可能減少系統(tǒng)的初投資，必須保證建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)符合節(jié)能規(guī)范的要求，以降低供暖、空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷需求。

　?。?）與供水溫度要求低的末端系統(tǒng)配套使用。目前高溫型的地源熱泵機(jī)組COP值較低，對于常規(guī)地源熱泵機(jī)組來說，供熱時(shí)，出水溫度較低。同時(shí)，太陽集熱系統(tǒng)的集熱效率與集熱系統(tǒng)的出水溫度有關(guān)，溫度越高熱損失越大，集熱效率降低，因此在選擇供暖系統(tǒng)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇供水溫度要求低的形式。

　　3工程概況該示范工程

　　位于北京市通州區(qū)，有3棟建筑，為了管理方便，將3棟建筑分為南、北兩區(qū)。南區(qū)建筑面積6625m2；北區(qū)建筑面積2835m².主要功能為辦公和試驗(yàn)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)如下：（1）外墻采用性能優(yōu)良，技術(shù)成熟的墻體外保溫構(gòu)造，基墻墻體主要采用400mm厚加氣混凝土砌塊，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.14W／（mok），墻體的平均傳熱系數(shù)為0.4W／（m²ok）；框架、異形柱采用加氣混凝土砌塊，短肢剪力墻、剪力墻采用聚苯擠塑板薄抹灰保溫體系；架空層板底粘貼30mm厚的擠塑板，傳熱系數(shù)K≤0.5W／（m²ok）。

　　（2）外窗斷熱型材鋁合金窗K=2.0W／（m²ok）

　　斷熱型材玻璃幕墻K=2.0W／（m²ok）

　　保溫夾心板鋼制門K=1.5W／（m²ok）

　　空氣滲透性能等級(jí)3級(jí)（3）屋面屋面的節(jié)能措施主要包括兩種平屋面的保溫體系。屋面主要包括80mm厚彩色壓型鋼板（聚氨酯保溫夾心）和倒置式屋面保溫構(gòu)造，其屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.275W／（m²ok）。此外，部分平屋面采用屋頂綠化技術(shù)，結(jié)合保溫材料和防水技術(shù)，以達(dá)到節(jié)能和改善頂部房間室內(nèi)熱環(huán)境的良好效果。

　　（4）地面地面采用50mm厚擠塑聚苯板保溫，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.029W／（mok），其平均傳熱系數(shù)為0.25W／（m2ok）。

　　在上述措施下，本工程的建筑節(jié)能目標(biāo)達(dá)到65％。

　　4太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的方式

　　南、北兩區(qū)均采用地源熱泵系統(tǒng)、太陽能系統(tǒng)作為空調(diào)采暖系統(tǒng)的冷熱源。辦公區(qū)域夏季采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)；冬季，北區(qū)采用地面輻射采暖系統(tǒng)，南區(qū)采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)；試驗(yàn)區(qū)域夏季不設(shè)空調(diào)，冬季采用輻射型散熱器采暖系統(tǒng)，保證值班采暖溫度。設(shè)計(jì)工況下的負(fù)荷為：北區(qū)冬季熱負(fù)荷110kW，夏季冷負(fù)荷55kW；南區(qū)冬季熱負(fù)荷298kW，夏季冷負(fù)荷140kW. 4.1太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供熱太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供熱的原則是；以地源熱泵系統(tǒng)為主，太陽能系統(tǒng)為輔助熱源，但在運(yùn)行控制上要優(yōu)先采用太陽能，并加以充分利用。在供熱運(yùn)行模式下，北區(qū)試驗(yàn)區(qū)域采用的散熱器采暖系統(tǒng)與辦公區(qū)域采用的地面輻射采暖系統(tǒng)串聯(lián)運(yùn)行，以提高太陽能的利用率。

　?。ㄒ唬┨柤療嵯到y(tǒng)北區(qū)采用140m2平板型太陽集熱器，采用太陽能與建筑一體化技術(shù)，使太陽集熱器與建筑完美結(jié)合。本示范工程將太陽集熱器設(shè)置在建筑的南立面上，與玻璃幕墻融為一體，這樣既豐富了建筑的立面效果，又起到了利用太陽能的作用。北區(qū)冬季熱負(fù)荷大于夏季冷負(fù)荷，可以采用太陽能輔助供熱，解決地下的熱量不平衡問題，提高地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

　　在北區(qū)，太陽能除冬季與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供熱外，其它季節(jié)，在不供熱時(shí)，采用季節(jié)性蓄熱技術(shù)將熱量儲(chǔ)存在蓄熱水池中，供冬季采暖使用。

　?。ǘ┞?lián)合供熱方案比較太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供熱的方式有兩種：并聯(lián)和串聯(lián)方式。并聯(lián)方式示意圖如圖1所示：圖1太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)并聯(lián)供熱方式串聯(lián)方式示意圖如圖2所示：并聯(lián)運(yùn)行模式與串聯(lián)運(yùn)行模式相比，存在以下弊端：（1）當(dāng)太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的循環(huán)水量為兩者之和，太陽能系統(tǒng)能否直接供熱，直接影響系統(tǒng)的循環(huán)水量，進(jìn)而影響熱泵機(jī)組的可靠性。

　?。?）在并聯(lián)運(yùn)行模式下，當(dāng)Tg溫度低于50℃時(shí)，太陽能不能被直接利用，只能去加熱土壤，提高熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)的溫度。而在串聯(lián)模式下，當(dāng)Tg溫度低于50℃，而高于40℃時(shí)，可以與地源熱泵機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行，充分提高地源熱泵機(jī)組的COP值。

　　基于串聯(lián)運(yùn)行模式的優(yōu)點(diǎn)，本示范工程采用串聯(lián)運(yùn)行模式。其運(yùn)行策略為：在供暖初始時(shí)，由于采用了季節(jié)性蓄熱的技術(shù)，同時(shí)，在室外溫度較高的情況下，采暖負(fù)荷較小，此時(shí)，經(jīng)過太陽能加熱后的供水溫度Tg較高，若溫度高于50℃，則利用太陽能直接采暖；若供水溫度低于48℃，并且高于40℃，則太陽能采暖系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)串聯(lián)運(yùn)行，即經(jīng)過太陽能加熱后的水再經(jīng)過地源熱泵系統(tǒng)提升（達(dá)到50℃）后，供給末端。若供水溫度低于40℃，并且高于20℃，則太陽能系統(tǒng)接入地源熱泵系統(tǒng)的地下?lián)Q熱器，加熱土壤的溫度，同時(shí)提高熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)的進(jìn)水溫度，以提高熱泵機(jī)組的效率。若供水溫度低于20℃，則太陽能系統(tǒng)直接接入熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器側(cè)。

　　太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)串聯(lián)供熱方式冷凝器側(cè)進(jìn)、出水溫度（45/50℃）一定的情況下，不同的蒸發(fā)器進(jìn)水溫度對機(jī)組COP值的影響，如圖3所示。

　　蒸發(fā)器水溫度對機(jī)組COP值的影響圖冬季，在無太陽能作為輔助熱源的情況下，地源熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行后，地源熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)的溫度在0℃左右，機(jī)組的COP值僅為2.5；而在有太陽能作為輔助熱源的情況下，地源熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)的溫度可以在20℃以上，機(jī)組的COP值在4.5以上。由上可以看出，太陽能系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行后，能極大地提高系統(tǒng)對可再生能源的利用率。

　　蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)、出水溫度（5/0℃）一定的情況下，不同的冷凝器出水溫度對機(jī)組COP值的影響.

　　冷凝器出水溫度對機(jī)組COP值的影響圖由上圖可以看出，當(dāng)冷凝器側(cè)出水溫度為40℃，機(jī)組的COP值為4.1，當(dāng)冷凝器側(cè)出水溫度為60℃，機(jī)組的COP值為2.6.若太陽能－地源熱泵系統(tǒng)與水溫要求較低的末端系統(tǒng)（如地板輻射采暖系統(tǒng)）配套使用，將能極大地提高系統(tǒng)對可再生能源的利用率。

　　4.2太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合制冷南區(qū)夏季采用地源熱泵系統(tǒng)與太陽能－溴化鋰制冷系統(tǒng)為辦公區(qū)域提供冷量。在過渡季，僅采用太陽能－溴化鋰制冷系統(tǒng)為辦公區(qū)域提供冷量。

　　采用太陽能－溴化鋰制冷系統(tǒng)時(shí)，需采用熱管真空管太陽集熱器。本項(xiàng)目采用了250m²集熱器，設(shè)置在平屋頂上。太陽能－溴化鋰制冷技術(shù)的示意圖所示。

　　太陽能－溴化鋰制冷系統(tǒng)原理圖在制冷工況下，地源熱泵系統(tǒng)與太陽能－溴化鋰制冷系統(tǒng)交替運(yùn)行，冷卻系統(tǒng)均采用土壤U型地埋管換熱器。根據(jù)蓄冷/熱水箱中的溫度判斷地源熱泵系統(tǒng)與太陽能－溴化鋰制冷系統(tǒng)的啟停。當(dāng)蓄冷/熱水箱中的溫度低于設(shè)計(jì)值時(shí)，太陽能－溴化鋰制冷系統(tǒng)運(yùn)行，地源熱泵系統(tǒng)停止；當(dāng)蓄冷/熱水箱中的溫度高于設(shè)計(jì)值時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行，太陽能－溴化鋰制冷系統(tǒng)停止。

　　5.結(jié)論

　　太陽能、地?zé)崮茏鳛榭稍偕茉?，在建筑領(lǐng)域的能源利用中發(fā)揮著越來越重要的作用，它們的應(yīng)用是解決我國能源和環(huán)境問題的重要措施之一。本文詳細(xì)闡述了太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供熱、制冷的原理，分析了太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行模式，為可再生能源的合理利用提出建議。