地源热泵太阳能

地源热泵+太阳能调峰供热系统分析及工程应用

摘要：本文主要分析论述了地源热泵+太阳能调峰供热系统的系统原理、设计要点。系统设计优化思路及案例分析，阐明了地源热泵+太阳能调峰供热系统这个可再生能源应用项目的良好的经济效益，标明了该系统具有非常大的推广价值。

关键词：太阳能蓄热装置 地埋管换热器 冷热平衡 供热供冷

Appilcation of ground source heat pump+solar heating peaking system

Analysis and engineering

Abstract:This paper discusses the principle,design elements,system design optimization ideas and case studies of ground source heat pump cooling and heating system+solar heating system peaking system.This paper clarfies the ground source heat pump cooling and heating+solar heating peaking system renewable energy applications in the project and good economic returns,show that the system has a very large promotional value.

Keywords:the solar thermal storage apparatus,ground exchanger,hot and cold banlance,heating and cooling.

1． 前言

地源热泵系统是利用地球所储存的太阳能资源作为冷热源进行能量转换的空调供暖系统。它利用的是地下一定深度的土壤（地下水）的温度相对稳定的特性。冬季，地源热泵系统从土壤/地下水中吸收热量，此时的地能为“热源”；夏季，地源热泵系统在制冷模式工况下，从土壤/地下水中提取冷量，此时的地能为“冷源”。但是倘若冷热负荷相差较大，若过度从土壤中吸取热量，则土壤的温度下降、严重破坏了自然生态的平衡、而且大大降低了热泵的效率。如果把太阳能与地源热泵系统联合应用、采用地源热泵+太阳能调峰供热这一复合式地源热泵系统，则不仅可以弥补地源热泵系统冷热不匹配时，cop 大大降低的缺点，更重要的是，还可以保护生态平衡。此外，系统运行费用也会大大降低。

2. 地源热泵+太阳能调峰供热系统简介

太阳能蕴藏着巨大能源、地球每年从太阳获得5.61*10^24焦的能量。我国气象站的测定表明，各地太阳辐射平均值为586.2Kj/（cm ².a ）。目前太阳能在建筑中的应用主要有采暖、供冷、热水供应、发电。

太阳能利用的难点主要有：

1）太阳能密度低、若要收集足够量的太阳能、必须有较大面积的高效集热器。

2）太阳能的强度受季节、天气阴晴和昼夜的影响，是一个不稳定的能源。

3）由集热器收集到的太阳能热量品位较低，有时需要利用其他技术（如热泵）才可利用。 地源热泵供冷供暖+太阳能调峰供热系统在满足冷热平衡的前提下克服了太阳能的以上缺点。该系统主要包括太阳能集热器、太阳能调峰储热系统、地源热泵机组及附属设施、地埋管换热侧等。该系统冬季通过太阳能集热器采集太阳能、辅助地源热泵系统供暖、满足最冷季节供暖需求。尤其适合严寒和寒冷地区、热负荷大大高于冷负荷的地区。

3. 地源热泵+太阳能调峰供热系统设计要点

该系统在设计过程中在地源侧冷热平衡的前提下，应综合考虑初投资和运行费用等因素，满足建筑最大供暖负荷。地源热泵地埋管系统的全年总释热量和总吸热量应平衡。对于地下水径流流速较大的地埋管区域，地源热泵系统总释热量和总吸热量可以通过地下水流动取得平衡。地下水径流流速大小区分原则：1个月内、地下水流动距离超过沿流动方向的地埋管布置区域的长度为较大流速、反之为较小流速。

3.1 太阳能调峰供热系统集热器设计原则：

1）合理设计太阳能集热器在建筑上的安装位置、建筑设计应将所设置的太阳能集热器作为建筑的组成元素、与建筑有机结合、保持建筑统一和谐的外观、并且不影响建筑部位的承载、防护、保温、防水、排水等相应的建筑功能。

2）太阳能集热器宜朝向正南、或南偏东、偏西30°的朝向范围内设置，若受实际条件限制不满足要求时、应进行相应的面积补偿，合理增加集热器面积，并进行经济效益分析。

3）太阳能集热器连接成集热器组宜采用并联方式、各集热器组的集热器数量应该相同、每组集热器的数量不宜超过十个。

3.2 地源热泵系统地埋侧换热器设计原则：

地埋管换热器计算时，应分别按照供冷与供热工况进行地埋管换热器的长度计算。当地埋管系统最大释热量与最大吸热量相差不大时，取计算长度较大者作为地埋管换热器的长度。当地埋管系统最大释热量与最大吸热量相差较大时，取计算长度较小者作为地埋管换热器的长度采用增设辅助冷（热）源，或与其他冷热源系统联合运行的方式，满足设计要求。

3.3 太阳能调峰供热系统集热器问题：

影响太阳能供暖系统性能的重要部件是太阳集热器、工程应用推广的关键是太阳集热器产品质量的提高、目前我国太阳能集热器存在的主要问题有：

1） 太阳能集热器并未做到完全工厂化生产、出厂时为半成品、系统质量依靠现场组

装工人的劳动技能、质量可控性差。

2） 长期以来对集热器的升级换代、技术进步关注不够、产品性能质量不稳定、热损

失偏大。

4. 地源热泵+太阳能调峰供热系统设计优化思路

4.1不同运行模式下U 型管地埋管换热器性能不同

地源热泵系统运行过程中、地埋管换热器与周围土壤进行热交换的过程是非稳态的、随着热泵机组运行时间的增长、热量被持续不断的带走或者释放、土壤温度持续发生变化、不同的运行工况下、埋管单位长度的换热量不同。笔者查阅了相关资料、总结了如下数据。

由图二、图三可以看出、在不同运行模式下单位管长换热量随时间变化是不同的。在连续运行工况下、地埋管单位管长换热量逐年下降、运行稳定后下降幅度减少；在间歇运行模式下、地埋管单位管长的换热量总体趋势也是下降、但是由于每次间歇运行后、土壤温度得到一定程度恢复、换热量较第一种工况有所提高。

4.2地源热泵供冷供暖+太阳能调峰供热系统各自承担的负荷比探讨

地源热泵供冷供暖+太阳能调峰供热系统各自承担的负荷比应做优化分析、太阳能调峰供热系统承担的负荷、应根据工程的热负荷曲线、实际地埋管换热器施工场地面积、太阳能调峰供热系统设备初投资费及回收周期等因素通过技术经济分析确定。不能盲目加大太阳能调峰供热系统承担的负荷比例。

4.3地源热泵供冷供暖+太阳能调峰供热系统各运行控制策略的探讨

地源热泵供冷供暖+太阳能调峰供热系统联合运行时、从经济运行角度出发、宜根据系统效率、运行费用等因素、采用下列控制方式：

（1）热泵机组优先：该控制方式是尽量让热泵机组满负荷运行、由热泵机组优先运行、当系统负荷超出热泵机组制热量时、开启太阳能调峰供热系统。这种系统比较简单、运行可靠、但是太阳能集热器利用率低、不能有效地削减高峰电负荷和用户运行费用。

（2）太阳能调峰供热系统优先：该控制方式是由太阳能调峰供热系统优先承担热负荷、设定太阳能蓄热装置的进、出水温度、流量、使其满负荷运行。当系统热负荷超出太阳能调峰供热系统释热量时、开启热泵机组。该方式能最大限度地利用太阳能蓄热装置。前提是要求太阳能蓄热装置需热量满足要求、控制方式较为复杂、但系统供热运行电费低。

（3）系统优化控制：优化控制是通过控制一个经济性的目标函数、使得该目标函数达到极值的方法。它的具体实现、按照以下四个步骤进行：外温预测→负荷预测→系统能耗模型→最优化的控制策略求解。优化控制得到的结果是各个时刻热泵机组和太阳能蓄热装置应分别承担的热负荷。实现最大限度节约运行费用的目的。

4.4地源热泵+太阳能调峰供热系统的衍生功能—生活热水设计

正常情况下，太阳能定温加热在光照条件下，当太阳集热器内水温达到设定水温时（一般设定在45-55℃之间），电脑控制器使供冷水电磁阀自动打开，自来水进入太阳能集热器底部，同时将太阳集热器顶部达到设定温度的热水鼎入储热水箱；当太阳集热器顶部水温低于设定温度时，电脑控制器使供冷水电磁阀自动关闭。如此运行，不断将达到设定温度的热水顶入储热水箱储存。当储热水箱水满时，为了防止水满溢流，电脑控制器使太阳能系统自动转入温差循环。当太阳能集热器水温高于储热水箱水温时，循环水泵自动启动，将储热水箱内较低温度的水泵入太阳集热器继续加热，同时将太阳集热器内较高温度的热水顶入储热水箱。通过使储热水箱水温升高的方法储存太阳集热器吸收的太阳能。当用户使用热水，使储热水箱水温额下降后，电脑控制其使太阳能系统自动转入定温加热、满足生活热水需求。

5. 地源热泵+太阳能调峰供热系统案例分析

5.1项目简介

石家庄某水厂综合楼供冷供热系统，热负荷105kw 、冷负荷70kw 。采用地源热泵供冷供暖+太阳能调峰供热系统满足供热供冷需求、其中地源热泵系统承担冷负荷70kw 、热负荷85kw ，太阳能蓄热系统承担热负荷20Kw. 机房位于综合楼旁边、太阳集热器布置在综合楼顶部、实现太阳能建筑一体化功能。地埋管换热器布置在机房前面草皮下、布置深度120米双U 型换热井18眼。

5.2项目设备选型及运行经济性分析（详见表一）

5.2项目环保节能性探讨

采用地源热泵供冷供暖+太阳能调峰供热系统既满足了地埋侧换热器的冷热平衡、保护了生态环境、还有效利用了太阳能供热、在满足供热供冷的前提下、项目还可以满足生活热水需求，真正实现了节能环保、舒适性空调。地源热泵系统和太阳能系统相辅相成、既解决了太阳能热源强度受季节变化影响大的不稳定因素、又保护了 地下水环境由于冷热不平衡的严重恶化、是具有可实施、推广性的节能环保的供热供冷系统。

6. 结论

一个稳定的太阳能蓄热系统应该设置辅助热源、如地源热泵系统、水源热泵系统等。辅助热源与太阳能蓄热系统密不可分、相辅相成、设计时还需要和建筑设计相结合、既要满足系统供热供冷需求、又要不影响建筑美观、真正实现太阳能建筑一体化。太阳能辅助地源热泵不仅解决了太阳能密度小、不易利用的缺点、而且土壤温度场变化问题也得到了解决。目前、中国最适宜推广应用太阳能供暖系统的地区有两个：一个是具有丰富的太阳能资源、地广人稀、采暖季长的西部地区。如西藏、新疆、内蒙、青海、甘肃、宁夏等。另一个则是东部经济发达的大城市郊区、乡镇，这些区域由于具有较高的经济发展水平、大多数建筑为单层或二、三层住宅、有足够的屋顶面积、能够满足安装使用太阳能供热采暖系统的投资和安装要求。目前公众对这一系统缺乏足够的了解和认识，需要通过政府部门、科研机构、工程技术人员的共同努力、才能使该项技术大面积推广应用。

参考文献

【1】 赵军，戴传山。地源热泵技术与建筑节能应用。北京：中国建筑工业出版社，2007年

6月

【2】 王松松，刘光远，杨卫波，地源热泵地埋管换热影响因素试验研究。山西建筑。2011

年8月

【3】 《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）