一种新型的太阳能与地源热泵联合运行系统

一种新型的太阳能与地源热泵联合运行系统
秘文涛∗ 张建一 陈天及 张艳
( 上海水产大学食品学院，上海 200090；集美大学机械工程学院，福建 厦门 361021；华 东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237)
【摘 要】 本文分析了太阳能与地源热泵的技术优点及存在的问题，针对目前常规太阳能与地源热泵联合运 行系统的缺陷，构思出了一套以生态理念构建的复合式新型能源系统。进而论述了该新型能源系 统的工作方式，并阐述了该新系统的技术经济性。最后指出研究及开发中存在的问题，展望了其 应用前景。
【Abstract】 In order to eliminate the shortcomings of the conventional Solar-Ground Source Heat Pump, a combined energy system is designed based on the fundamental of compatible environment before analyzing their respective technical advantages and existing problems for the solar energy and ground source heat pump. Then the working modes and economic analysis of the new system are illustrated. Finally its primary existing problems are pointed out and the developing prospect is also elaborated. 【Key words】 Solar energy; Ground source heat pump; Heating and cooling; Absorption refrigeration
地源热泵是一种利用地下浅层地热资源的高 效节能环保型能源利用技术。通过输入少量的高品 位电能，即可实现能量从低温热源向高温热源的转 移。冬季它可代替锅炉把地能中的低品位能“取” 出，提高温度后，供给室内采暖；夏季则把室内的
热量“取”出，释放到地能中去[1]。但是地源热泵 长期运行将会使土壤温度场得不到有效恢复，蒸发 温度及冷凝温度波动较大，热泵机组运行效率较 低。
太 阳 能 集 热 器
热
生活
辅助
水
用热
加热
箱
水箱
系统
吸收式制冷系统
发
冷冷
生
凝却
器
器水
冷 却
吸
水
收
器
分水器
膨胀阀
蒸 发 器
膨胀阀
系统 分/集 水系
统
地热换热器 集水器
冷凝器 夏季 蒸发器 冬季
压缩机 热泵系统
蒸发器 夏季 冷凝器 冬季
室内 供热 制冷 系统
图 1 太阳能与地源热泵联合供热制冷系统原理图
1 引言
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能 源。在太阳辐射条件良好的情况下，以太阳能作为 蒸发器热源的热泵系统可以获得比空气源热泵更 高的蒸发温度，其系统的供热性能系数（COP）可 达 4 以上。此外，在太阳能吸收式制冷系统中，以 太阳能为驱动热源，不仅可以减小常规能源的消 耗。而且还可以减轻由于采用氟利昂等人工合成工 质而引发的地球温室效应和对大气臭氧层的破坏。 但是太阳能有两个严重不足：一是能流密度低；二 是其强度受各种因素的影响不能维持常量，这两大 缺点大大限制了太阳能的有效利用。
占整个地源热泵系统的24%～26%[10]，因此采用太阳 能与地源热泵联合供热可以大大的节省地热换热 器和机组的投资。同时，采用太阳能集热器辅助热 源供热时，机组的蒸发温度提高，使得热泵压缩机 的耗电量减少，节省了运行费用。
对于太阳能与地源热泵联合制冷模式，目前国 内外还没有相关的学者对该联合运行模式进行研 究，但对各自单独运行的研究较多。文献[11]采用 数值模拟的方法对小型的太阳能辅助的单效溴化 锂吸收式制冷系统的可行性和经济性作了系统的 分析，结果表明该小型制冷系统比常规压缩式制冷 系统节能20%～27%；文献[12]的研究表明：太阳能 单效溴化锂吸收式制冷系统的COP值约为0.43。虽 然其COP值较低，但太阳能吸收式制冷系统的运行 费用只是采用辅助热源和水泵等所消耗的电能，因 此节能效果明显。地源热泵系统在全年的使用过程 中能效比在3.3～4.5之间，也就是说每1kWh的热量 输出，只需要0.22～0.30kWh电量，这比空气热源 泵高出40%，其运行成本仅是中央空调系统的50%～ 60%[13]。因此，太阳能与地源热泵联合制冷可以为 用户节省电费30%～50%。
壤温度相对较低。通过输入少量的高品位电能，就 可以将室内的低品位热量“取”出，释放到地能中 去，进而使室内产生良好的制冷效果。同时，随着 太阳辐射强度的逐渐增强，大气温度不断升高，建 筑物对冷量的需求也越来越大。这样我们可以充分 利用太阳能辐射强的特性，通过太阳能集热器将太 阳能蓄积起来作为吸收式制冷系统的驱动热源，故 夏季采用太阳能吸收式制冷与地源热泵联合运行。 其流程图如图 2 所示，由太阳能集热器、吸收式制 冷系统、地热换热器、热泵机组和室内供冷系统组 成。
【关键词】 太阳能；地源热泵；供热制冷；吸收式制冷
A Novelty System Combined Solar Energy with the Ground Source Heat Pump Mi Wentao Zhang Jianyi Chen Tianji Zhang Yan
( College of Food Science，Shanghai Fisheries University，Shanghai 200090，China； College of Mechanical Engineering，Jimei University，Xiamen 361020，China； College of Mechanical and Power Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China)
（2）控制策略问题。本文设计成夏季太阳能 与地源热泵联合供冷模式。但是控制策略不同，运 行效果及经济性也必然不同。因此，夏季联合供冷 和单独采用地源热泵供冷两种方案的优劣，必须针 对不同的气候条件和地质条件做出相应的研究，找 出最佳的控制方案。
太
阳
能 集
热
热 器
Байду номын сангаас
水
箱
水循环
地
热
冷
换
凝
热
器
器 水循环
生活 用热 水箱
压缩机
吸收 式制 冷系 统
水循环
系统 分/集 水系
统
制冷剂循环
蒸 发 器
水循环
膨胀阀 热泵系统
室内 供冷 系统
图 2 太阳能吸收式制冷与地源热泵联合制冷流程图
3 新系统工作流程分析
3.1 夏季太阳能吸收式制冷与地源热泵联合运行 在夏季，土壤经过冬季的蓄冷，地表浅层的土
因此，如果能将太阳能与地源热泵构建在一 起，“取长补短，合理补给”，设计出一套复合式 新型供热制冷系统，那么该新型的能源供给系统不 仅将具有各自所特有经济、环保的特性，还将具有 明显的节能潜力。
2 太阳能与地源热泵联合运行新系统设计
2.1 设计思路 目前，常规的太阳能与地源热泵联合运行系统
多设计成夏季采用地源热泵系统制冷，冬季采用太 阳能热泵与地源热泵联合供热。但是在我国的南方 地区，建筑物夏季所需冷负荷要远大于冬季所需热 负荷，而热泵机组又往往都是制热量大于制冷量
图 3 太阳能热泵与地源热泵联合供热系统流程图
该联合运行供热系统包含四套循环：a)太阳能 热水循环。太阳能集热器中的水将太阳能吸收，升 高到一定温度后存储在热水箱里，作为蒸发器的热 源使用。b)地热换热器水循环。水通过在地热换热 器中的循环，将地热能吸收，在蒸发器中将热量传 递给制冷剂。c)制冷剂循环。热泵中的制冷剂在蒸 发器中将太阳能和地热能吸收，将热量传递给冷凝 器。d)室内水循环。通过水的循环将热量传递到室 内，供采暖使用。经过以上四套循环系统，达到供 热目的。
文献[5]通过实验证明：当地源热泵连续运行 时，其制冷系数将随着制冷天数的增加而下降，最 终在相对较低的数值下趋于稳定。因此，在夏季优 先采用太阳能吸收式制冷。这样可减少地源热泵的 运行时间，使土壤温度场得到及时恢复，从而提高 热泵机组的制冷系数。 3.2 冬季太阳能热泵与地源热泵联合运行
在冬季，太阳辐射强度逐渐降低，集热器的集 热量和集热效率较低，而建筑物热负荷需求较大。 如果单独采用太阳能热泵供热，所能提供的热量不 能满足建筑物的热负荷需求；若单独采用地源热泵 供热，地热换热器经过长期的运行，土壤温度场得 不到有效恢复，地温会随之不断降低，热泵机组的 制热系数会不断下降。因此，可以将太阳能热泵与 地源热泵联合运行，这样就可实现地热换热器的间 歇运行，地温波动较小，保证了热泵机组的平稳运 行。太阳能与地源热泵联合供热流程图如图 3 所示 [6]，由太阳能集热器、地热换热器、热泵机组和室 内供热系统组成。
(通常热泵机组的制热量是制冷量的 1.1～1.3 倍)。因此在机组选择时，如果按夏季冷负荷标准 选择机组，会导致机组的制热能力大大超出建筑物 的热负荷需求。而若按照冬季热负荷标准选择，则 会出现夏季制冷量不够。因此，地源热泵机组可按 照冬季热负荷进行选择，夏季冷负荷不足部分以太 阳能吸收式制冷作补充。这样不仅可以大大地降低 地热换热器的初投资，而且还可以使地热换热器间 歇运行，土壤温度场得到及时恢复。
此外，可充分利用夏天太阳能在制冷和供暖的 同时提供生活热水，为用户节省购买空调和热水器 的费用，同时还减少电费的支出。因此，太阳能与 地源热泵联合供热制冷具有较高的经济性。