淺談太陽能——地源熱泵耦合系統貴州地區的應用

杜松++石文鳳++許昌錦

【摘要】通過太陽能-地源熱泵耦合系統聯合運行優點的闡述，結合貴州地區太陽能資源利用情況及地質、氣候特征，分析太陽能-地源熱泵耦合系統在貴州地區的運行模式及可行性，表明該新型能源系統在貴州地區聯合運行及經濟性是可行性，需考慮系統配合優化及控制策略，建議進一步深入研究。

【關鍵詞】太陽能；地源熱泵；耦合系統；運行模式

1. 引言

（1）由于我國的地理位置和氣候特點，大部分建筑都需要選用供熱空調系統，同時隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，采暖空調系統的使用范圍逐步擴大，人們也常提到的“采暖南下，空調北上”。基于對能源和環保要求，在建筑供暖方面利用可再生且無污染的能源已引起人們高度的重視。太陽能以及地源熱泵系統作為新型可再生能源、綠色能源，在國家政策大力扶持、房地產業迅速發展、居民生活水平逐步提高的今天，得到了巨大的推廣和發展。

（2）貴州位于我國亞熱帶西部，云貴高原斜坡上，屬于亞熱帶季風氣候，貴州相關城市的氣象數據顯示，貴陽、威寧、三穗、興義等大部分地區夏季空調度日數均小于20CDD26（℃·d），甚至為0CDD26（℃·d），而冬季采暖度日數大于1400HDD18（℃·d），冬季采暖負荷遠大于夏季空調負荷，在建筑中應用土壤源熱泵系統存在嚴重的冷熱不平衡問題，引起機組能效降低，為解決冷熱不平衡問題，作為可再生清潔能源的太陽能當然就成為輔助熱源的首選，以太陽能-地源熱泵復合系統存在，本文就貴州地區特殊的氣候特征，淺談太陽能-地源熱泵耦合系統的最佳供暖運行模式。

2. 太陽能-地源熱泵復合系統特點

（1）我國地域廣闊蘊藏著豐富的淺層地能資源和太陽能資源，所以地源熱泵、太陽能系統在建筑中的應用是綜合利用可再生能源、走可持續發展道路成熟而有效的手段。既節約了能源又保護了環境，符合國家資源和環境戰略。

（2）地下巖土是一個巨大的天然集熱器，收集了約47%的太陽輻射能量，地下溫度相對穩定全年波動較小，不受季節影響，地埋管（土壤源）地源熱泵系統正是以地表以下200m范圍內的巖土作為熱泵系統的冷熱源，利用地下巖土層全年溫度恒定的特點及其巨大的蓄熱容量，實現對建筑物全年的供熱和空調，同時可以供應生活熱水。在這種情況下，很多情況下地埋管換熱器全年冷熱負荷是不平衡，尤其是在“爽爽的貴陽”，夏季基本不需要制冷，冬季又有較長的制熱工況，在一個運行周期中，為保持土壤溫度相對初始溫度有較小的降低，維持地源熱泵系統長期高效運行，必須有合適的熱量對地熱換熱器進行補充。

（3）在我國國土總面積2/3以上的地區，太陽年日照時間大于2000h，最高可達2800h～3300h，太陽能作為一種清潔能源，在我國得到了巨大的推廣應用。但受集熱器集熱效率、太陽輻射強度影響，太陽能能流密度低，因時而變，且具有間歇性和不穩定性，如果遇上連續的陰雨天氣，太陽能供應就會中斷，運行不穩定，若長期運行必須靠輔助熱源，因此太陽能系統通常也需要備用能源系統，常用能源系統主要是空氣源熱泵。

（4）為克服太陽能、地源熱泵各自獨立運行存在一定技術瓶頸，更好地利用地源熱泵和太陽能熱利用這兩種可再生能源技術，有機結合的地源熱泵和太陽能復合能源系統應運而生。地源熱泵與太陽能結合，既可以克服地源熱泵系統冷熱負荷不平衡而造成土壤溫度不斷降低，又可以克服太陽輻射受晝夜、季節、緯度和海拔高度等自然條件限制和陰雨天氣等隨機因素影響。因此，地源熱泵與太陽能結合的復合能源系統可以集中兩種可再生能源優點，同時相互彌補各自不足，是很有潛力的可再生能源建筑應用新技術。

（5）雖然貴州喀斯特地區地形復雜，應用難度大，但隨著可再生能源、清潔能源的不斷推進，節能意識的提高，土壤源熱泵應用項目越來越多，較為典型的是貴州財經大學新校區應用項目，大部分項目安裝的輔助熱源為太陽能。但貴州省屬我國太陽能資源第V類地區，太陽能總輻射量在3149-4594MJ/（M2.a）之間，大部分屬太陽能貧乏地區，其中西北部的黔西南州、六盤水市和畢節地區相對輻射量大，屬于III類太陽能較富地區，其他部分城市如貴陽等屬于IV類太陽能一般地區。面對復合新能源系統的初投資偏高，太陽能資源貧乏問題，如何高效運用太陽能-地源熱泵耦合系統，值得探討。

3、耦合系統聯合運行原則

太陽能-地源熱泵耦合系統的一般設置如圖1所示，為獲得更好的經濟效益和更好節約能源，聯合運行中，應該遵循以下技術原則：

圖1地源熱泵與太陽能復合系統示意圖（1）太陽能熱利用在一次性投入后，運行階段完全是免費的，在利用過程中，僅消耗水泵能耗，運行費用低，應最大限度利用太陽能，尤其是夏季，可以提供免費的生活熱水。

（2）在太陽能充足熱水富余、不開啟空調的過渡季節，應將太陽能多余的熱量儲存起來，供冬季供熱，陰雨天也可以利用地源熱泵輔助太陽能系統加熱生活熱水，不僅可以綜合利用太陽能，又避免太陽能集熱器空曬，增加集熱系統壽命，解決因地源熱泵周期性制熱引起的土壤溫度降低帶來的不平衡問題。

（3）太陽能、地源熱泵目前初投資較高，在保證系統正常安全運行前提下，應綜合考慮裝機容量、空調末端形式，減少系統投資，獲得最大節能效果。

4. 耦合系統聯合運行方式

4.1根據上述技術原則，為達到最佳運行效果，在滿足夏季生活熱水供應的集熱板安裝面積下，冬季太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行，應以地源熱泵為主，太陽能為輔助熱源，但在控制上要優先充分采用太陽能。

4.2根據貴州地區太陽能可再生能源示范項目測評結果的統計，對滿足夏季熱水供應的太陽能集熱系統，夏季最低平均供水溫度為48.2℃，最高溫度可達80℃；過渡季節最低平均供水溫度為38℃，最高可達70℃；冬季太陽能系統供水平均溫度為24.4℃，單位面積太陽能集熱器造價為1500～2500元/m2。由于貴州大部分地區由地源熱泵系統提供的熱量遠大于提供空調熱量，需要太陽能輔助系統保持土壤溫度平衡，結合太陽能熱水系統實際效果，耦合系統聯合運行方式可考慮以下方式：

（1）夏季太陽能系統直接通過生活熱水，地源熱泵系統提供空調冷源，兩系統獨立運行。

（2）過渡季節，空調系統不啟動，在保證50℃的生活熱水供應的條件下，多余的熱量用于加熱地埋管換熱器，提升熱泵機組冷凝器溫度；陰雨天無法保證生活熱水時利用地源熱泵輔助太陽能系統加熱生活熱水，保證熱水供應。

（3）冬季，太陽能平均供水溫度為24.4℃，不能直接利用，但高于熱泵機組地源測進水溫度，可以將熱量轉化后進入熱泵機組，由熱泵系統提供供暖及生活熱水。

4.3參照文件[1]的研究結論，太陽能系統初投資超過4500元/m？集熱器時，太陽能有效使用的節省費用不足以抵消太陽能系統增加的初投資，基本不需要設置太陽能系統。從太陽能系統造價及運行方式看，太陽能-地源熱泵耦合系統在貴州地區的季節性蓄熱及聯合運行是可行的。

5. 存在的問題

太陽能-地源熱泵耦合系統季節性蓄熱及聯合運行在貴州地區也存在以下問題：

（1）以貴州高原為中心的西南喀斯特地區是世界上面積最大、最集中連片的喀斯特生態脆弱區，喀斯特與非喀斯特地貌相互穿插，犬牙交錯，巖溶地貌發育非常典型，地質條件較為復雜，地下溶洞較多，增加太陽能季節性蓄熱作為輔助熱源，系統的可靠性、穩定性有待于進一步驗證。

（2）在極端天氣條件下，太陽能熱水系統供水溫度低于15℃時，無法加熱地埋管換熱器及機組地源測進水，需停止太陽能系統輔熱，僅運行地源熱泵系統。

（3）太陽能系統及地源熱泵系統初投資較高，目前尚無太陽能-地源熱泵耦合系統相關的技術指導意見，需綜合考慮地區太陽能資源和土壤的熱物性條件、建筑熱負荷等因素，結合控制策略，優化系統配置，減少太陽能系統或地源熱泵配置，降低初投資。

6. 結束語

（1）通過太陽能-地源熱泵耦合系統聯合運行模式和經濟技術分析，該能源耦合系統在貴州地區的利用理論上是可行的。

（2）地源熱泵與太陽能復合系統結構復雜，初投資高，其經濟性受諸多因素影響，需要系統優化來實現最佳系統配置，通過控制策略降低運行成本。

（3）面對新型能源系統在貴州地區推廣及筆者提出的問題，該能源系統值得深入研究。

參考文獻

[1]徐偉等.地源熱泵技術手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.