太阳能辅助热源地源热泵系统初探

３ 太阳能一 地源热 泵空调 系统 的运行 方式
太 阳能作为辅助热源 ， 与地源热泵联合运行 时 ，
器温度 的辅助热源 。如 ２图所示 ， 在串联系统 中， 太 阳能采集到的热量 ， 储存于蓄热水箱中 ， 然后蓄热水 箱的热水 ， 进入蒸发器或者地下换热器 ， 提高蒸发器 的蒸发温度 ， 从而提高整个热力系统 的 Ｃ Ｐ值。从 Ｏ
可再生能源的开发利用 ，可 以逐步改善 以煤炭为主 致 的缺 点 ， 是 土 壤 源热 泵 的优 点 ； 正 同时对 土 壤 源 的能源结构 ，促进常规能源资源更加合理有效地利 热泵 ， 由于太 阳能的加 入 ， 也 便可实 现间歇运行 ， 使 用， 缓解与 能源相关 的环境污染 问题 ， 中国能源 、 土壤源热泵性 能系数得 以提高。 使 经济与环境的发展相互协调 ， 实现可持续发展。 在 太 阳能 一土 壤 源 热泵 的设 计 中 ，需 考 虑 太 阳
全部依靠太阳能的示范建筑物 ，国内也在积极研究 所示 。此系统是将太 阳能供热系统和地源热泵系统 交替 使 用 。当太 阳能集 热器 的温度 较高 ， 以将 集热 可 之中。 器的热量转移到地下贮存 ，这样即可使土壤温度场 得 以较快 地 恢 复 ， 可 提高 集 热效 率 ； 又 当太 阳能供 热 ２ 太 阳能作 为辅助热源 的必要性 和可行性 系统 不 能 满 足 建 筑 物 需 求 （ 阴天 或 夜 问 ）则 可 采 用 ， 地 源 热泵 系统供 热 。并 联 系统 主要 用 于 地 下水 温 度
收 稿 日期 ：０ １ ０ — ６ ２ １— ５ ２
作者简 介 ： 冬玲（９Ｏ ）女 ， 潘 １７一 ， 广西蒙山人 ， 讲师 ， 工程师 ， 学士学位 ， 究方 向为机械工程与暖通工程 。 研 ４ ９
Ｅ ｕ ｐ ｎ Ｍａ ｕ ａ ｔｉ ｇＴ ｃ ｎ ｌ ｇ ． ， ０ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｎ ｆ ｃ ｒ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｎｏ ８ ２ １ ｎ １
炉、 燃气锅炉以及提高空调设备的性能系数 。 余时 ，可 以用储 热器储存起来 ，供夜间或阴雨天使 根据近 １ 年 的能源规划 ， ５ 中国今后将大力发展 用 ； 当集 热器 的热 量 不足 以供 给 建 筑物 的需 热量 时 ， 风 能 、 阳能 、 热 、 物 能 等新 能 源 和 可 再 生 能源 。 可 以 用热 泵 来 降低 集 热 器 的 温度 ，提 高集 热 器 的集 太 地 生 到 ２１ ０ ５年 ， 国新 能源 和 再 生 能源 的年 开 发 量 将 达 热 效 率 ， 以获 得 更 多 的 热量 ； 还 不 能 满 足 要 求 ， 中 可 若 到 ４０ ３０万 吨标准 煤 ， 占当时 能源 消 费 总量 的 ２％。 中 则 太 阳 能热 泵供 热不 足 的时 间 ，由土 壤 源热 泵 或 储 国能 源 研 究 会 的一 项研 究 说 ， 长远 来 看 ， 能 源 和 热 装 置补 足 ，太 阳能 热 泵 装 置 与供 暖 季 节需 热 率 不 从 新
《 装备制造技术）０ １ ） １ 年第 ８ ２ 期
太 阳能辅助 热源地 源热泵 系统初探
潘冬 玲
（ 西 机 电 职业 技术 学 院 ， 西 南 宁 ５００ ） 广 广 ３ ０７
摘 要 ： 太阳能一地 源热泵空调 系统的运行 方式和特 性进行 了探 讨 ， 对 并提 出 目前该 系统有待 解决的 问题。
关 键 词 ： 阳 能 ： 助 热 源 ； 源 热 泵 太 辅 地
中图分 类号 ： ５ ＴＫ
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ：６ ２ ５ ５ ２ １ ）８ ０ ４ — ４ １ ７ — ４ Ｘ（ ０ １ ０ — ０ ９ ０
随着 可 持 续 发 展 和人们 环 保 意 识 的提 高 ，环保 源 。 和节 能 己成 为建 筑 空 调发 展 的首要 问题 。世 界 和 中 暖 ， 渡 到使 用 天然 气 及 电等清 洁能 源 。但 是 ， 然 过 天 气 、石 油 和煤 都 属 于 不 可再 生 能 源 ；电取 暖 虽 然 清 太 阳是 以 电磁 波 的形 式 向外 发 射 能量 的 ，阳光 对 环 境清 洁 卫 生 。太 阳能 集 热器 和 埋 管换 热 器 相 结 国能 源 利 用 结构 都 正 在改 变 ，从 直 接燃 煤 、燃 油 取 普 照 大地 ， 用 时不 用 开 采 、 掘 和 运 输 ， 用 方便 ， 利 挖 使
法满足设计要求 ， 热泵 的节能效果就体现不 出来 。而 采用太 阳能作为辅助热源 ，使热泵系统可 以按照夏 季 工 况 进行 设 计 ，由太 阳能集 热 器 承 担一 部 分 热 负 荷， 这将大大降低地源部分的初投资。
２２ 可 行性 ．
据 统计 ， 每年 中 国陆地 接 收 的太 阳辐 射 总量 ， 相
当于 ２ ０ ４ ０ 亿吨标准煤 ，全 国总面积的 ２ 地 区年 ０ １ ３ 日照时间都超过 ２ ０ ，特别是西北一些地区超过 ０ ０ ｈ
３００ｈ ０ ，这 就 为在 热泵 系统 中利 用 太 阳能提 供 了宝 贵 的资 源 。而且 太 阳能 是取 之不尽 、 之 不竭 的一种 用
绿色环保能源 ， 不受任何人控制和垄断 ， 其利用也 比 较灵 活 ， 规模 可 大可 小 。
２． 必 要 性 １
高 于 １℃ 的地 区 ， 阳能 只起 辅 助作 用 ， ５ 太 地源 热 泵 系 在我 国北方地 区， 建筑物冬季热负荷较大 ， 因此 统 中 ， 以地下土壤 为冷热源的储存体 ， 是 夏天 蓄热 ， 系统设计主要以热负荷为主。若完全采用地源热泵 冬天取热 ， 即夏热 冬 用 ， 冷 夏用 。太 阳能 系 统 的所 冬 来供暖的话 ，则地热换热器 和机组的初投资均 比较 采 集 的 热量 ， 直接 通 入 空调 房 间供 暖 ， 者 部 分作 为 或 高 ， 续 运 行 的效 率 也 较低 。而在 夏 季 运行 时 ， 组 连 机 生 活卫 生 热水 。并 联 系统 的特 点 ， 就是不 能 互补 或替 的容量 就 过大 ， 造成 浪 费 。而且 由于这些 地 区冬 季从 换 ， 能量 为太 阳能 和地 源热 泵系 统能 量 的总 和 。 总 大地 取 热 多于 夏季 大 地 的蓄热 ，长期 运 行 将 造 成 大 地温度降低 ， 热泵系统的 Ｃ Ｐ值也 比较低 ， Ｏ 系统将无
（ ） 联 系统 ； ２并 （） ３ 混合 联合 方 式 。 ３１ 并联式 太 阳能一 地 源热 泵 系统 ． 并 联 太 阳能 辅 助热 泵 系 统 ，实 际 上 就是 由传 统 的太 阳 能 系统 和 地 源 热 泵 系统 所 联 合 组 成 ，如 图 １
向。美国 、 德国、 本 、 日 意大利等国家 ， 已建成这种 都
的热 水 制 冷供 空 调 ，或 者 采用 太 阳能一 地 源 热 泵 联
主要 有 ３种 运行 方 式 ： （） １ 串联 系统 ；
合循环技术 ，使太 阳能和太阳能热水器全年充分利 用， 是最合理的方案 ， 能够使得太 阳能和地源热泵各
自取 长 补 短 ， 现 利 用 太 阳 能 供 电 、 热 、 冷 、 实 供 供 照 明， 建成 太 阳能综 合 利 用 建筑 物 ， 国际太 阳 能学 术 是 界 的热 门研究 课 题 ，是太 阳能利 用 一个 新 的发 展 方
一
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能和土壤作为热泵热源时的谁 主谁辅问题 ，这需要
１ 太 阳能一 土壤 源热泵
我 国地处 北 半 球 ，大 部 分 地 区 位 于 北 纬 ４ 。以 ５
从系统的初投资、 所在地 区太 阳能资源 的情况 、 土壤 的热物性参数、 系统运行 的可靠性等方面加 以考虑 。
我 国太 阳能 热 水 器 的保 有 量 ， 已超 过 ２０ ０ ０ ２年产 量 达 ３０万 ｍ ， 世 界 上 生 产 太 阳 能 热 ０ 是 南， 每年 １照时数大约在 ２ ０ ３ ０ ０ ｈ以上 ， 地太 阳能 万 ｍ ， 各 但 仍处于落后 辐射总量约在 ３ ～ ４ Ｊ ２ 之间 ，太 阳能 的数量 水器最多的国家 。 以人均 占有量计算 ， ４ ８亿 ／ａ ｍ 巨大 ，一年内到达地球 的热量相当于 １０ ３ 万亿吨标 地位 ， 以这个市场的潜力还非常大。太阳能热水器 所 产生热水 ， 主要用于 日常生活和采暖。但是 当夏天太 准 煤 所 发 出 的 能量 ，是 全 球 １７ ９２年 消 耗 能 量 的 ２ ６
天气越热的时候 ， 人们更需要的是空调 ００ ， ０ 倍 是全世界消耗各种能量总和的两万倍 。据估 阳辐射越强 、 这种情况在我 国南方每年大约有 ６ 个月时 ８ 计 ， 阳像 目前这样 向外辐射 的能量 ， 太 至少可 以维持 降温 。 在北方也有 ４— 个月。利用太 阳能热水器产生 ６ 数十亿 年 ， 以可以认为是取之不尽 、 之不竭 的能 间 ， 所 用
无论在夏季或者冬季 ，太 阳能均可以供应 １用 ３ 热水 ， 同时具有如下优点： （ ） 初 夏 和 初冬 （ 别 地 区可 以在 深 秋） 节 ， １在 个 季 完全可 以在部分时间（ ～ ０天的时间） １ ３ ０ 利用地下土 壤 中冷 ， 源 直接 供 冷 ／ ， 热 热 大大 减 少 地 源热 泵 的年
合 ，具有很大的灵活性 ，弥补了单独热源热泵的不 洁， 但能效 比不高。从可持续发展 的角度看 ， 利用可 足。一年 四季都可 以利用 ， 提高了装置 的利用系数。 再 生 能 源 及 提高 能 源 利用 效 率 ，是 降低 建 筑 能 耗 的 当太 阳能集热器所提供的热量 ，能满足建筑物的热 根本途径。在建筑空调行业 中， 人们积极地寻求一种 需要时 ，可 以由太 阳能集热器直接将热量供给采暖 再生、 洁净 的 能源 ， 以取 代 传 统 的燃 油 锅 炉 、 煤 锅 系 统 ， 用太 阳能 热 泵采 暖 ； 集热 器 提 供 的热 量 富 燃 或 当
１ 阳能集热器 ２ 热水箱 ３ 内风机 盘管 ４四通换 向阀 ５ ． 太 ． 蓄 ． 室 ． ． 压缩机 ６ 内换热器 ７节流膨胀阀 ８ ． 室 ． ． 空调房间 ９ ． 室外换热器 １． Ｏ地下换热器 ｌ ． 环水泵 １ ． １ 循 ２三通阀
图 １ 并联 式太阳能 一地源 热泵 系统原理 图 但是太阳能也有两个 主要缺点 ：一是能流密度 低； 二是其强度受各种 因素 （ 季节 、 点 、 地 气候 等 ） 的 ３２ 串联 太 阳能一 地 源热 泵 系统 ． 影响 ， 不能 维持 常量 。这两 大缺 点 大大 限制 了太 阳能 在 此 系统 中 ， 阳能集 热 器采 集 的热量 ， 存 在 太 储 的有效利用 。 然而随着科学技术 的不断进步 ， 人们对 蓄热水 箱中 ， 水箱 中的热水通过换热， 于提升进入 用
太 阳能的利用技术将不断成熟 ，从而逐渐使太阳能 蒸发器人 口的介 质 的温度 ，从 而提供整 个 系统 的 合理地应用于建筑物 的供热供冷系统中 ，改善人类 Ｃ Ｐ 。冬天太 阳能的热量 ， 以由于温度过低 ， Ｏ 值 可 满 的居住环境 ，代替 目前 的一次性石化能源而成为本 足不 了房间供热的需要 ，可 以考虑采用其 串接在地 世 纪 的重 要 能源之 一 。 源热泵室外换热器 （ 蒸发器） ， 作为提升地源热泵蒸发
《 备制 造技 术 ）０ １ 装 ） １ 年第 ８期 ２
图 可 以看 出 ， 随着 蒸 发 器 人 口水 温 的升 高 ， 系统 Ｃ Ｐ Ｏ
值增加迅速， 远高于单独的太阳能或地源热泵系统。
４ 太 阳能一 地源热泵 空调 系统 的特性
４１ 太 阳 能供 应 日用 热水 的优 点 ．