太陽能—地源熱泵的聯合運行方式研究

張濤

摘 要：介紹了太陽能-地源熱泵聯合運行系統，一種新型節能、環保的供暖（供冷）系統，并分別對不同的太陽能系統和地源熱泵系統連接方式進行優缺點的分析，并具體給出了幾種兩個系統的聯合運行方式。

關鍵詞：聯合運行；太陽能；地熱源；熱泵

我們當前正面臨著巨大的能源挑戰，提高能源的利用率，節能減排政策加快實施，新能源和可再生能源合理、有效的研發應用，將會是我們人類實現可持續發展的有效途徑。據不完全統計到2035年，世界對一次能源需求量將會上升36%，相當于使用167 t 石油[1]。 近年來，大多數國家都將重心轉移到可再生能源和新能源的合理開發利用，這將是未來很長一段時間內一項重要的可持續發展戰略[2]。 太陽能和地熱能將會是人類歷史中取之不盡用之不竭的新能源和可再生能源，對其合理、有效的利用將會是今后能源發展的一個重要方向.

我國地域遼闊，年日照時間大于2000h的地區占全國面積的2/3，處于利用太陽能較有利的區域內[3]，但太陽能的利用還存在著一定的局限性，太陽輻射受晝夜、季節、海拔高度等自然條件的限制以及陰雨天氣等隨機因素的影響較大，存在著很大的不穩定性和間歇性。因此若要長期單獨只用太陽能作為熱源運行系統，必須靠輔助熱源才可以保證系統穩定運行。

"地源熱泵"的概念，最早是在912 年由瑞士的專家提出[4]，它利用地下埋管換熱器與大地進行熱量交換，把大地作為低位熱源和排熱場所的熱泵裝置。地源熱泵在連續運行時會因埋地管在土壤中的連續取熱或者放熱而導致埋管周圍土壤的溫度的相對降低或者升高，從而引起熱泵蒸發溫度和冷凝溫度的變化，系統的運行效率的降低；另一方面，土壤的導熱系數比較小，換熱強度弱，在相同的負荷情況下所需要的換熱面積大，因此埋管用量多，占地面積大[5-7]。

太陽能和地源熱泵系統單獨應用時存在的缺陷最好的辦法是結合使用兩種能源，互相彌補自身不足，提高資源利用率。本文主要是對太陽能和地源熱泵聯合運行方式的探究。

1.系統結構和聯合運行原理

太陽能-地源熱泵系統如圖1所示。本文主要研究的是供暖季下該系統的聯合運行模式。

2.系統聯合運行模式

太陽能-地源熱泵系統聯合運行有三種不同的運行模式：一、串聯模式；二、并聯模式；三、蓄熱模式。

運行模式一：實現太陽能-地源熱泵系統聯合運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開啟，其他閥門和水泵關閉。可見，該模式中地埋管換熱器和太陽能集熱器的耦合方式為串聯，載熱循環流體先流經地埋管后進入太陽能集熱器，然后再進入熱泵機組蒸發器。夜間或陰天情況下集熱器關閉，循環流體出地埋管后經集熱器的旁通直接進入熱泵機組蒸發器。

運行模式二：實現太陽能-地源熱泵系統聯合運行模式二的系統控制方式是：閥門1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、和水泵P1、P2開啟，其他閥門和水泵關閉。該模式中地埋管換熱器和太陽能集熱器的耦合方式為并聯。夜間或陰天集熱器關閉，此時運行模式變為土壤源熱泵單獨運行。該模式需要定義循環流體分別流經地埋管換熱器和太陽能集熱器的流量比例，為了方便研究，定義了五中代表比例：e=0.1、e=0.15、e=0.2、e=0.5、e=0.75，其中e定義為流經U型垂直地埋管的的循環流體的流量與循環流體總流量之比。

運行模式三：實現太陽能-地源熱泵系統聯合運行模式三的控制方式是：白天，閥門1、3、4、5、14、水泵P1開啟實現地源熱泵單獨供暖：閥門9、10、12、17、18、水泵P3開啟實現太陽能-蓄熱水箱聯合運行蓄熱；其他閥門和水泵關閉：夜間，閥門1、3、15、16、7、8、17、11、18、13、14和水泵P1、P2開啟實現地埋管換熱器和蓄熱水箱串聯運行，其他閥門和水泵關閉。可見該模式包含了白天和夜間的兩種工況，白天單獨運行土壤源熱泵供暖，同時利用太陽能集熱器加熱蓄熱水箱；夜間關閉集熱器，若此時蓄熱水箱內蓄熱水平均水溫高于地埋管換熱器出口溫度時，串聯地埋管和蓄熱水箱進行供暖。

3. 結 論

太陽能-地源熱泵系統與建筑制冷供熱的結合，是一種性能良好、經濟可行且無污染的技術。而不同的耦合運行方式具有不同的優缺點，需針對不同季節的工況特點和需要實現的功能來選擇。太陽能-地源熱泵雖然由于技術條件和經濟條件等方面受到制約，運用還不是很廣泛，但在現在乃至將來都具有無限的潛力，具有廣闊的發展前景。

參考文獻

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

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

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