太阳能—地源热泵联合运行方式

太阳能—地源热泵的联合运行方式研究

摘要：介绍了太阳能-地源热泵联合运行系统，一种新型节能、环保的供暖（供冷）系统，并分别对不同的太阳能系统和地源热泵系统连接方式进行优缺点的分析，并具体给出了几种两个系统的联合运行方式。

我们当前正面临着巨大的能源挑战，提高能源的利用率，节能减排政策加快实施，新能源和可再生能源合理、有效的研发应用，将会是我们人类实现可持续发展的有效途径。据不完全统计到2035年，世界对一次能源需求量将会上升36%，相当于使用167 t 石油[1]。近年来，大多数国家都将重心转移到可再生能源和新能源的合理开发利用，这将是未来很长一段时间内一项重要的可持续发展战略[2]。太阳能和地热能将会是人类历史中取之不尽用之不竭的新能源和可再生能源，对其合理、有效的利用将会是今后能源发展的一个重要方向.

我国地域辽阔，年日照时间大于2000h的地区占全国面积的2/3，处于利用太阳能较有利的区域内[3]，但太阳能的利用还存在着一定的局限性，太阳辐射受昼夜、季节、海拔高度等自然条件的限制以及阴雨天气等随机因素的影响较大，存在着很大的不稳定性和间歇性。因此若要长期单独只用太阳能作为热源运行系统，必须靠辅助热源才可以保证系统稳定运行。

"地源热泵"的概念，最早是在912 年由瑞士的专家提出[4]，它利用地下埋管换热器与大地进行热量交换，把大地作为低位热源和排热场所的热泵装置。地源热泵在连续运行时会因埋地管在土壤中的连

续取热或者放热而导致埋管周围土壤的温度的相对降低或者升高，从而引起热泵蒸发温度和冷凝温度的变化，系统的运行效率的降低；另一方面，土壤的导热系数比较小，换热强度弱，在相同的负荷情况下所需要的换热面积大，因此埋管用量多，占地面积大[5-7]。

太阳能和地源热泵系统单独应用时存在的缺陷最好的办法是结合使用两种能源，互相弥补自身不足，提高资源利用率。本文主要是对太阳能和地源热泵联合运行方式的探究。

1.系统结构和联合运行原理

太阳能-地源热泵系统如图1所示。本文主要研究的是供暖季下该系统的联合运行模式。

2.系统联合运行模式

太阳能-地源热泵系统联合运行有三种不同的运行模式：一、串联模式；二、并联模式；三、蓄热模式。

运行模式一：实现太阳能-地源热泵系统联合运行模式一的控制方式是：1、3、15、16、7、8、、9、10、11、12、13、14和水泵P1、P2开启，其他阀门和水泵关闭。可见，该模式中地埋管换热器和太阳能集热器的耦合方式为串联，载热循环流体先流经地埋管后进入太阳能集热器，然后再进入热泵机组蒸发器。夜间或阴天情况下集热器关闭，循环流体出地埋管后经集热器的旁通直接进入热泵机组蒸发器。

运行模式二：实现太阳能-地源热泵系统联合运行模式二的系统控制方式是：阀门1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、

14、和水泵P1、P2开启，其他阀门和水泵关闭。该模式中地埋管换热器和太阳能集热器的耦合方式为并联。夜间或阴天集热器关闭，此时运行模式变为土壤源热泵单独运行。该模式需要定义循环流体分别流经地埋管换热器和太阳能集热器的流量比例，为了方便研究，定义了五中代表比例：e=0.1、e=0.15、e=0.2、e=0.5、e=0.75，其中e 定义为流经U型垂直地埋管的的循环流体的流量与循环流体总流量之比。

运行模式三：实现太阳能-地源热泵系统联合运行模式三的控制方式是：白天，阀门1、3、4、5、14、水泵P1开启实现地源热泵单独供暖：阀门9、10、12、17、18、水泵P3开启实现太阳能-蓄热水箱联合运行蓄热；其他阀门和水泵关闭：夜间，阀门1、3、15、16、7、8、17、11、18、13、14和水泵P1、P2开启实现地埋管换热器和蓄热水箱串联运行，其他阀门和水泵关闭。可见该模式包含了白天和夜间的两种工况，白天单独运行土壤源热泵供暖，同时利用太阳能集热器加热蓄热水箱；夜间关闭集热器，若此时蓄热水箱内蓄热水平均水温高于地埋管换热器出口温度时，串联地埋管和蓄热水箱进行供暖。

3. 结论

太阳能-地源热泵系统与建筑制冷供热的结合，是一种性能良好、经济可行且无污染的技术。而不同的耦合运行方式具有不同的优缺点，需针对不同季节的工况特点和需要实现的功能来选择。太阳能-地源热泵虽然由于技术条件和经济条件等方面受到制约，运用还不是

很广泛，但在现在乃至将来都具有无限的潜力，具有广阔的发展前景。

参考文献

[1] 国际能源署. 能源政策塑造能源前景：《世界能源展望2010》摘要[J]. 国际石油经济，2010，11： 23 -31

（International Energy Agency. Shaping energy policy energy prospects：《World Energy Outlook 2010》abstract[J]. International Petroleum Economics，2010，11： 23 - 31）

[2] 张来春. 西方国家绿色新政及对中国的启示[J].中国发展观察， 2007， 12： 52 - 55

（ Zhang Laichun.Green new deal of the western countries on China' s revelation[J]. China Development Observation，2007，12： 52 - 55 ）

[3] 王如竹，代彦军.太阳能制冷[J].化学工业出版社，2007，56-58

[4] 张方方.季节性蓄热的太阳能-地源热泵复合系统的研究[D].山东建筑大学：供热、供燃气、通风及空调工程，2010

[5] 冯晓梅，邹瑜.太阳能系统与地源热泵系统联合运行方式的探讨[J].太阳能，2007（2）：23-25

[6] 马宏权，龙惟定.地埋管地源热泵系统的热平衡[J].暖通空调，2009，39（1）：102-106

[7] 李爱彦，荣文涛.太阳能·地源热泵应用探讨[J].工程建设与设计，2005（12）：8-9