太陽能-地源熱泵采暖系統(tǒng)在寒冷地區(qū)辦公建筑中的應(yīng)用

王海燕

（河北工程大學(xué)建筑學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

太陽能-地源熱泵采暖系統(tǒng)在寒冷地區(qū)辦公建筑中的應(yīng)用

王海燕

（河北工程大學(xué)建筑學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

在當(dāng)今世界能源緊缺、生態(tài)環(huán)境日益惡化的情況下，人們越來越重視新型可再生能源的開發(fā)與利用，太陽能和地?zé)崮茏鳛楦咝А⑶鍧崱h(huán)保的可再生能源被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。文章闡述了寒冷地區(qū)太陽能資源的利用條件，在分析太陽能和地?zé)崮芨髯詢?yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，指出了太陽能-地源熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)在供暖穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢，探討了太陽能-地源熱泵復(fù)合采暖技術(shù)作為一種新型建筑節(jié)能技術(shù)，在寒冷地區(qū)辦公建筑中的應(yīng)用問題。

太陽能；地源熱泵；復(fù)合采暖系統(tǒng)；辦公建筑；建筑節(jié)能

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源需求量日益增加，大量使用常規(guī)能源勢必會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生不良影響，同時(shí)導(dǎo)致能源匱乏。新型可再生能源的開發(fā)利用，可以降低常規(guī)能源的消耗，使常規(guī)能源更加合理有效地利用，同時(shí)可以改善由于常規(guī)能源消耗而導(dǎo)致的環(huán)境問題，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

建筑能耗占社會(huì)總能耗的30%左右，其中供熱采暖能耗占了相當(dāng)?shù)谋壤每稍偕茉磥頋M足建筑物供熱采暖的能耗要求具有巨大的節(jié)能效益，同時(shí)可以有效減少CO2和SO2的排放，有利于緩解氣候變暖和改善地區(qū)環(huán)境。太陽能和地?zé)崮茏鳛榭稍偕茉矗诮ㄖI(lǐng)域的能源利用方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 寒冷地區(qū)太陽能資源的利用條件

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》，我國的建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)分為嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)，如圖1所示。按照我國熱工設(shè)計(jì)分區(qū)及設(shè)計(jì)要求，最冷月平均溫度在0～10℃且日平均溫度≤5℃天數(shù)在90～ 145天的地區(qū)都屬于寒冷地區(qū)的范圍，其中山西南部、河南大部分及安徽、山東、陜西、江蘇部分地區(qū)屬太陽能資源三類地區(qū)，山西北部、河北北部、北京、天津、山東西北部、陜北、甘肅東部及甘肅南部屬太陽能資源二類地區(qū)，新疆南部及西藏大部分地區(qū)屬太陽能資源一類地區(qū)，這些地區(qū)太陽能資源較為豐富，全年日照時(shí)數(shù)在2 200h以上，具有很大的開發(fā)潛力，有利于推廣太陽能資源利用。

圖1 我國的建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)[1]

2 采暖系統(tǒng)的熱源分析

寒冷地區(qū)辦公建筑采暖系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的熱源主要是供熱鍋爐和熱電廠，然而這兩種熱源在供暖過程中消耗的均為不可再生能源，勢必加劇能源供應(yīng)的緊張局勢，同時(shí)對環(huán)境造成不利影響。因此，推廣以太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉礊闊嵩吹牟膳到y(tǒng)對促進(jìn)寒冷地區(qū)辦公建筑的節(jié)能減排具有十分重要的意義。

2.1 太陽能作為采暖系統(tǒng)熱源的優(yōu)缺點(diǎn)

太陽能采暖技術(shù)是可再生能源利用的主要應(yīng)用方向之一。太陽能具有高效、清潔、環(huán)保、永不枯竭等優(yōu)點(diǎn)，但由于受緯度、海拔高度、季節(jié)、晝夜等自然條件和陰雨天氣等隨機(jī)因素的影響，太陽能具有一定的間歇性和不穩(wěn)定性。因此，單一的太陽能采暖裝置很難滿足寒冷地區(qū)辦公建筑的供暖需求，配置高效、環(huán)保的輔助熱源十分必要。

2.2 地源熱泵作為采暖系統(tǒng)熱源的優(yōu)缺點(diǎn)

地源熱泵采暖技術(shù)是利用地?zé)崮苓M(jìn)行供暖，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)勢，然而由于地源熱泵長期連續(xù)取熱或蓄熱，將會(huì)使地下溫度場遭到破壞，長期得不到有效恢復(fù)，造成土壤溫度不斷降低或升高，從而降低了熱泵機(jī)組的COP值，使熱泵的運(yùn)行情況不穩(wěn)定。因此，利用地源熱泵采暖技術(shù)對建筑物進(jìn)行采暖往往也需要輔助熱源進(jìn)行配合。

2.3 太陽能-地源熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)的優(yōu)勢

鑒于前面兩種技術(shù)的優(yōu)勢和局限性，將二者結(jié)合起來使用，即形成太陽能-地源熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理：冬季通過太陽能集熱器收集太陽輻射熱量，利用熱泵機(jī)組從地源吸收熱量，將兩種能源結(jié)合起來，提高建筑物供暖需要的溫度；夏季將太陽能集熱器收集的太陽輻射熱量和熱泵機(jī)組從室內(nèi)吸收的熱量一起釋放到地源中貯存起來，這樣既可以實(shí)現(xiàn)夏季建筑物的空調(diào)制冷，又可以實(shí)現(xiàn)地源的能量平衡，為冬季取暖提供能源保障。太陽能-地源熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)可以在集熱器介質(zhì)溫度為10～20℃時(shí)為建筑物采暖，較普通太陽能采暖系統(tǒng)需要的集熱系統(tǒng)介質(zhì)溫度低20～30℃，大大降低了集熱器介質(zhì)的工作溫度，提高了集熱器的效率。在承擔(dān)相同熱負(fù)荷的情況下，太陽能-地源熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)較普通單一太陽能集熱系統(tǒng)所需的集熱面積小很多。太陽能-地源熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)的應(yīng)用，將會(huì)更大限度地發(fā)揮太陽能和地?zé)崮芨髯缘膬?yōu)越性，同時(shí)可以使二者互相彌補(bǔ)不足之處，提高兩種可再生能源的利用率，達(dá)到穩(wěn)定供暖的目的。

3 寒冷地區(qū)辦公建筑中太陽能-地源熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)的應(yīng)用

太陽能與熱泵相結(jié)合的技術(shù)是新能源利用技術(shù)發(fā)展的重要組成部分。太陽能-地源熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)綜合利用了太陽能和地?zé)崮軆煞N可再生能源，既克服了太陽能在陰雨天或夜間無法為建筑物供暖的缺點(diǎn)，也解決了地源熱泵系統(tǒng)的地下溫度場熱量不平衡問題。兩種系統(tǒng)的優(yōu)化組合，提高能源的有效利用，與傳統(tǒng)的供熱采暖系統(tǒng)相比，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能約20%-50%，可以達(dá)到良好的節(jié)能環(huán)保及降低運(yùn)行費(fèi)用效果。因此太陽能-地源熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)是寒冷地區(qū)辦公建筑較為理想的采暖方案之一。

山東德州某三層辦公樓，建筑面積為6 000m2，建筑所需熱負(fù)荷為360KW。該辦公樓采用的是太陽能-地源熱泵系統(tǒng)復(fù)合供暖系統(tǒng)。該供暖系統(tǒng)在室外溫度較高、采暖負(fù)荷較小的情況下，此時(shí)經(jīng)過太陽能加熱過的供水溫度較高，當(dāng)太陽能系統(tǒng)供水溫度在50℃以上時(shí)，利用太陽能系統(tǒng)直接供暖；當(dāng)太陽能供水溫度低于48℃時(shí)而高于40℃時(shí)，采用太陽能系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)串聯(lián)運(yùn)行，將太陽能系統(tǒng)加熱后的水經(jīng)過地源熱泵再次加熱，使其達(dá)到50℃以上后再供給末端。如若太陽能供水溫度低于40℃而高于20℃，則直接將太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)的地下?lián)Q熱器相接，加熱土壤，同時(shí)提高熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)水溫度，以提高熱泵機(jī)組效率。當(dāng)太陽能供水溫度低于20℃時(shí)，則將太陽能系統(tǒng)直接接入熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)。該供暖系統(tǒng)由于有太陽能作為輔助熱源，使得地源熱泵機(jī)組的COP值較高，提高了可再生能源的利用效率。該項(xiàng)供暖工程于2008年10月開始供暖，供暖系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，供暖效果良好。

4 結(jié)束語

太陽能-地源熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)作為一種節(jié)能、環(huán)保的供暖方式，它的應(yīng)用有利于我國能源的有效利用和可持續(xù)發(fā)展。目前國內(nèi)太陽能-地源熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)還未廣泛應(yīng)用到實(shí)際工程項(xiàng)目中，但現(xiàn)有的太陽能-地源熱泵復(fù)合采暖系統(tǒng)的工程實(shí)踐證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采暖效果良好。而且克服了太陽能采暖系統(tǒng)和地源熱泵采暖系統(tǒng)各自的局限性，因此太陽能-地源熱泵復(fù)

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1003-5168(2014)03-0170-02