長春地區太陽能——地源熱泵應用探討

閆博佼

（長春科技學院，長春 130600）

1 太陽能——地源熱泵集成應用技術

地源熱泵是一種利用淺層地熱資源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節能空調設備。太陽能——地源熱泵，即采用太陽能和地源熱泵集成應用的方式，以達到供熱、供冷的目的。

2 太陽能——地源熱泵集成應用的必要性

2.1 太陽能的特點

2.1.1 太陽能的優勢

太陽每年輻射到地球表面的能量巨大，約為50×1018 kJ，相當于目前全世界年能量消費的1.3萬倍［1］。對太陽能的利用不會對地球的熱平衡產生影響，也不會造成環境污染。太陽能以其取之不盡、安全、無須運輸、環保等特點受到人們的重視［2］。我國北方地區，年日照時間一般在2000h以上，甚至高達2800～3300h，屬于太陽能利用較有利的地域。長春地區為我國太陽能資源的三類地區，即為中等類型地區，年太陽輻射總量為5000～5850MJ/m2，相當于日輻射量3.8～4.5 kWh/m2。太陽能技術在長春有很好的發展前景，在建筑中的應用是現階段太陽能應用中最具有發展潛力的領域。

2.1.2 太陽能的局限性

太陽能也存在一些劣勢。雖然太陽輻射到地球表面的能量很大，但是其能流密度很低。太陽能因受晝夜、季節、緯度和海拔高度等自然條件的限制和陰雨天氣等隨機因素的影響，存在較大的間歇性及不穩定性。要利用太陽輻射能，不僅需要較大的集熱面積，還需要有蓄熱裝置，這就使得設備的初投資增加，限制了其推廣應用。

2.2 地源熱泵的特點

2.2.1 地源熱泵的優點

“熱泵”是一種能從自然界中獲取低品位能，經過電力做功，提供可被人們所用的高品位能的裝置。“地源熱泵”是熱泵技術應用的一個分支，它是一種以大地或水為冷熱源對建筑物進行冬季供暖、夏季供冷的工程應用技術。雖然熱泵的運行以消耗電能為代價，但是其耗電量很低。據統計，地源熱泵機組的電力消耗，與空氣源熱泵相比可以減少40%以上；與電供暖相比可以減少70%以上。它的制熱系統卻比燃煤鍋爐的效率高近50%，比燃氣鍋爐的效率高出了75%。這項技術冬天不用鍋爐房，夏季不用冷卻塔，無須燃料，也不產生任何廢棄物，真正達到了零污染。

長春地區水資源貧乏，是全國50個嚴重缺水的城市之一。據近期長春市地下水動態監測資料表明，由于過量開采地下水，使部分地段的淺部含水層水量枯竭，破壞了水資源平衡條件，出現了水量削減。但是對于廣泛存在的土壤熱源的利用值得人們更深一步的探索和研究。土壤的溫度全年波動小，根據測定，地下10m深處的土壤溫度相當于該地區全年平均氣溫，多數情況下比氣溫高1℃～2℃，并且不受季節的影響。根據土壤的這些特性，使得地源熱泵的制熱性能系數較高，約為2.2～3.2。這為地源熱泵的穩定運行提供了良好的條件。

2.2.2 地源熱泵的局限性

對于主要應用土壤為熱源的地源熱泵來說，土壤的導熱系數較小，因此工質與土壤之間的換熱強度小。特別在隸屬嚴寒地區的長春市，若要滿足冬季供暖需求，則需要較大的換熱面積，這將受到實際場地面積的限制，將增加工程初投資。嚴寒地區冬季熱負荷遠遠大于夏季冷負荷，這就使熱泵從土壤中取熱遠遠大于其在夏季的蓄熱，長期運行，會使土壤的溫度場得不到有效恢復，從而對該類地區冬季供暖造成很大影響。

2.3 太陽能——地源熱泵集成應用的必要性

太陽能和地源熱泵的利用分別存在各自的局限性，便決定了兩者集成應用的必要性。它集成應用，既可以克服太陽能受天氣、季節及晝夜變化等客觀因素的影響，又可以彌補在嚴寒地區熱泵長期運行造成的土壤溫度不平衡的問題，還可以減小地埋管換熱器的埋地深度及占地面積。

3 太陽能——地源熱泵的原理及特點

3.1 太陽能——地源熱泵的原理

太陽能熱泵把熱泵技術和太陽能熱利用技術有機結合起來，可同時提高太陽能集熱器效率和熱泵系統性能。集熱器吸收的熱量作為熱泵的低溫熱源，在陰雨天，直膨式太陽能熱泵轉變為空氣源熱泵，非直膨式太陽能熱泵作為加熱系統的輔助熱源。因此，它可全天候工作，提供熱水或熱量。

3.2 工程實例

2007年12 月，太陽能——地源熱泵集成應用的示范工程在哈爾濱市松北區建成，3層，上有閣樓，占地面積約165m2，供暖面積約500m2，其末端裝置采用地板輻射采暖、供冷。冬季采用太陽能——地源熱泵為熱源供暖，夏季利用土壤冷源直接供冷。太陽能集熱器設置于屋頂（南向布置與水平面夾角為60°），地埋管換熱系統共設12根DN32的U形管，埋深50m，間距不大于5m。該系統供暖性能系數達到8以上，熱泵性能系數達到4以上，將太陽能和地源熱泵集成應用的節能效果顯著。它為長春地區太陽能——地源熱泵集成應用提供了理論及實際意義上的支持。

4 太陽能——地源熱泵集成應用技術的尚存問題

其在理論上是具備可行性的，但是在實際工程中的運行情況還有待于實踐的驗證。尤其是對地下土壤溫度場的研究，目前基本停留在計算機模擬的方式上，準確可靠的數據還需要實際工程長期運行來測得。太陽能與地源熱泵提供冷（熱）負荷的比例，也需要經過實際工程的實驗來指導。

5 結語

太陽能——地源熱泵集成應用技術，恰將太陽能和地源熱泵有機的結合在一起，充分利用可再生能源，是一種高效、節能、低碳的新技術。但是，它的推廣與發展尚需不斷的實驗與探究。

［1］ 韓志萍，霍文蘭.21世紀的新能源及其開發和利用［J］.榆林高等專科學校學報，2003，（13）：37-39.

［2］ 劉業鳳，伍德虎.太陽能輔助熱泵和熱水器系統的設計與分析［J］.太陽能，2008，（01）：22-24.