太陽能熱泵與地源熱泵技術及其聯合應用

胡雯雯 劉春花

能源供用的日趨緊張與節能環保觀念的日益增強,引發人們去探索新能源的開發與利用。太陽能和地熱能的利用是個源源不斷的絕佳能源替代方案。太陽能是地球上能源的最主要的來源,它是無公害的潔凈能源,也是 21世紀以后人類可期待的最有希望的能源[1]。地熱能屬于《可再生能源法》規定的被鼓勵開發利用的可再生能源之一,在我國能源發展戰略中居重要地位[2]。地熱能又分為淺層低溫(＜25℃)地熱能與深層(≥25℃)地熱能。淺層地熱能是指蘊藏在地表以下一定深度(一般為 200m)范圍內的巖土體、地下水和地表水中,具有開發利用價值的熱能,又稱之為淺層地溫能。其實質是太陽輻射地表與地球內部產生的熱向地表傳遞在地殼表層疊加后產生的一種熱能資源[2]。太陽能—地源熱泵技術是利用少量高品位的電能將太陽能集熱器收集的低品位熱能與淺層地溫能提升加以利用的一種“綠色”技術。

1 熱泵技術

1.1 熱泵基本工作原理

熱泵主要有蒸汽壓縮式熱泵與吸收式熱泵兩類,本文只介紹常見的蒸汽壓縮式熱泵系統。壓縮機所消耗補償功(一般由電能轉換),使工質不斷地從低溫環境中吸熱,并向高溫環境放熱,周而往復地進行循環。所以熱泵實質上是一種熱能提升裝置,它本身消耗一部分能量,把環境介質中貯存的能量加以挖掘,提高溫度進行利用。另外,熱泵過程與制冷過程的原理和系統設備的組成是一樣的,只是利用的目的不一樣。當需要用蒸發器制取的冷量Q0來冷卻室內環境時,我們稱之為制冷循環;當需要用冷凝器放出的熱量 QK來加熱環境時,我們稱之為熱泵循環。

1.2 熱泵循環的性能系數

衡量系統的經濟性指標公式是:性能系數 =系統收益/系統代價。熱泵循環的性能系數(即供熱系數)ζ[3]用下式表示:

其中,P為壓縮機消耗的補償功,W;Q0為系統從低溫環境吸收的熱量,W;QK為系統向高溫環境的供熱量,W;ε為制冷系數,ε=Q0/P。

由式(1)可見,ζ恒大于 1,即熱泵的熱力學經濟性比直接消耗電能或燃料加熱的方式都要好[4],在節能方面具有重要意義。

2 太陽能熱泵

由于太陽能受環境等因素影響較大,熱流密度低,尤其是在嚴寒地區,單獨利用太陽能對建筑物進行供暖或生產生活熱水,一般很難滿足要求[6]。要解決這一問題,熱泵技術與太陽能利用相結合無疑是一種好的選擇方法,這就是所謂太陽能熱泵系統。優先利用太陽能為蓄熱器(保溫水箱)蓄能,將太陽能集熱板收集的熱量交給保溫水箱,達到蓄熱的目的,熱泵作為太陽能的輔助供熱系統。當太陽能無法維持水池溫度在一定水平時,熱泵則向蓄能水池供熱,保持水池的溫度。無論如何,當保溫水箱中的水溫與太陽能集熱器出水水溫相差不大時,應停止太陽能上水泵的運行,當從保溫水箱來的熱泵機組回水水溫達到一定值時,機組應停止運行[8]。同傳統的太陽能直接供熱系統相比,太陽能熱泵的最大優點是可以采用結構簡易的集熱器,集熱器成本較低[9]。

3 地源熱泵

地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源(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系統,主要分三部分:室外地能換熱系統(埋地換熱器)、熱泵機組系統和用熱末端系統。地能或地表淺層地熱資源的溫度一年四季相對穩定,冬季比環境空氣溫度高,夏季比環境空氣溫度低,是很好的熱泵熱源和空調冷源。在實際工程中,不同的土壤和水資源利用的成本差異是相當大的。對于地下水的抽取使用,必須考慮到使用地的地質結構,保證用后尾水的回灌可以實現,同時考慮此過程對生態環境的影響[3]。

4 太陽能—地源聯合熱泵系統

單純利用太陽能時,寒冷天氣、陰天、雪天有熱量不足的缺點;而地熱能相對比較穩定[9],兩者的結合具有互補性。太陽能集熱器系統與地源熱泵相結合對建筑物進行供熱或制冷,在理論上和技術上完全可行[10]。我把它稱之為“太陽能—地源聯合熱泵系統”。

4.1 系統方案實例介紹

1)夏季制冷:在蒸發器一側,冷媒水經過閥門形成一個循環,向室內風機盤管空調系統供冷。在冷凝器一側,地下熱交換盤管把冷凝熱釋放到土壤中。2)冬季供熱:冷媒水到集熱器蓄熱裝置,吸收地源熱能與太陽能集熱能,溫度升高,回到蒸發器,形成冷凍水循環;集熱器蓄熱裝置的水不斷通過泵從土壤與太陽能集熱器獲取熱能;而在冷凝器側,此時熱量釋放到緩沖蓄熱器里。3)地板供暖:通常情況下,由緩沖蓄熱器→輔助燃氣加熱器→泵→水分配器→地板供暖→緩沖蓄熱器進行地板式采暖。必要時也可起用備用供暖系統:此時,由冷凝器直接向室內風機盤管供用熱水,加熱室內空氣。4)供生活用熱水:夏季,太陽能集熱器來的熱水直接進緩沖蓄熱器,由太陽能收集或冷凝器散發出來的熱量進緩沖蓄熱器進行水的預熱,自來水進緩沖蓄熱器,再由燃氣加熱器加熱,然后到廚房與浴室熱水系統。冬季,太陽能集熱器來的熱水不直接進緩沖蓄熱器,自來水進熱交換器被加熱,供生活熱水,在換熱器另一側,熱水由緩沖蓄熱器→輔助燃氣加熱器→熱交換器與自來水進行熱交換后降溫,然后由泵將其抽出,與地板供熱的那一路混合后到緩沖蓄熱器。

4.2 系統方案的一些事項說明

當冬季不適合使用太陽能或者系統停止運行時,設在屋頂的太陽集熱器和管道系統需要放空存水,否則存在凍裂的危險。也可以配制一定濃度的防凍液作為系統工質。按當地最低氣溫,留適當余量來配制防凍液[11]。此外,長時間停止運行后,重啟用太陽能系統之前,還需對整個系統進行試水和維修,因經過一個嚴冬的氣溫變化,太陽能管道系統難免有許多地方出現滲漏現象。

本系統優先利用太陽能,由屋頂的太陽熱水器將水預熱,作為燃氣加熱器的給水來源。根據預先設定的太陽集熱器出口水溫的上下限,自動起停集熱器和熱水儲水罐之間的循環泵。當陽光和溫度適宜,集熱器出口溫度達到某一設定值時,上水泵運轉,使被加熱水在連接儲水罐和集熱器的管道系統中不斷循環將水加熱;而當溫度低于某一設定值時,上水泵停止運行,同時系統通過雙向單流閥自動排空。地下盤管循環水系統啟動、電磁閥的啟閉、冷凝水泵的運行、空調(熱泵)機組的起停及輔助燃氣加熱器的運行均采用溫度控制或溫差控制的方式。

4.3 系統特點

1)可以抽取分散而儲量又十分巨大的低品位能量(太陽能與地表熱),實現對低品位環境能的挖掘、收集利用,大大擴寬了能量的利用范圍,降低常規能源的消耗速度。2)太陽能、地熱能是清潔環保且“可再生”的能源,過程幾乎不產生污染,具有顯著的環境效益。3)系統的高效性。熱泵循環性能系數ζ＞1,即熱泵的熱力學經濟性比單純消耗電能制熱或直接消耗常規能源(煤或石油等)加熱的方式都要好。工程實踐證明,該系統節能效果顯著[10]。4)全年溫度波動小、較為穩定的地熱能克服了單純利用太陽能做熱源時受環境、氣候等因素影響較大的缺點;太陽能無處不在、取之不盡,而地熱能則受當地水源條件和地質條件的限制。5)可以實現三方面功能:夏季空調,冬季供暖,全年供用生活熱水。

5 結語

節能與環保的理念日益深入到每位工程技術人員、甚至每位國民的心中。太陽能具有儲量的無限性,經濟性,清潔性;地源熱泵具有循環利用性、地熱源的豐富性、節能性、環保性及相對穩定性,兩者結合將加大能源的更廣泛、更完善的利用,對資源起到節約作用。太陽能和地源熱泵技術作為一種節能、環保的空調與供熱方式,為我國能源的有效利用與可持續發展帶來了契機。在不遠的將來,隨著國民經濟實力和生活水平的提高、研究和技術人員的不斷努力,這項技術在中國一定有廣闊的發展前景。

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