太陽能-地源熱泵聯合供能系統

文/張風合

傳統熱泵系統自身冷熱源直接影響系統運行效率，且傳統熱泵系統熱源具有單一性，熱源分別為：空氣、水源、太陽能。其中，空氣熱源受氣溫影響運行不穩定，各季節熱量差異大；水源熱泵受水資源面積影響無法推廣；太陽能受晝夜交叉、地球運動變化不穩定。傳統地源熱泵地埋管換熱器吸熱效果不理想，且需要鉆井支持，系統建設及維護需要大量資金投入，運行中，熱源被不斷索取，周圍熱量減低，相應的熱泵性能受到一定影響。以太陽能-地源熱泵方式，可克服單一性熱源缺點，在建筑及溫室中應用效果良好，具有推廣意義。

1 太陽能-地源熱泵系統分析

1.1 設計提出

針對建筑耗能比例夸張現狀，以太陽能-地源熱泵，利用新型能源及可再生能源，貫徹節能和減排理念。地源熱泵需吸收的土壤熱平衡，單一性地源熱泵持續使用將導致能量失衡，影響系統效率。綜合考慮，提出以太陽能-地源熱泵結合方式實現供暖、供冷。

1.2 系統流程特點

冬季供暖，若室外溫度高，則采暖負荷小，經太陽能加入后，供水溫度高，50℃上，則直接通過太陽能供熱。冬季太陽能加熱水后，經地源熱泵再次升溫，至50℃后供給給用戶終端。若水溫處于20℃-40℃間，將太陽能聯合地源熱泵換熱器，可間接加熱地源熱泵周圍土壤溫度，提高熱泵機進水水溫，以此延長設備使用壽命，提高效率。若水溫<20℃，太陽能接入地源熱泵蒸發器位置，加熱水溫。夏季太陽能-地源熱泵由地源熱泵制冷，以太陽能系統協調低下溫度，若系統無法采暖，可以太陽能系統維護供暖。

2 太陽能-地源熱泵的優越性

太陽能-地源熱泵以太陽能+土壤熱能聯合利用，系統由太陽能集熱、地埋管換熱、熱泵循環及用戶使用部分組成。太陽能和地熱能形成互補，太陽能彌補熱負荷大量需求，地熱克服太陽能季節、天氣性熱量供應差異。地熱能中融入太陽能，地熱能間歇運行，維護土壤溫度，提高熱泵COP，此外，可減小蓄熱水箱容量，省去輔助熱源。

3 建筑領域太陽能-地源熱泵系統應用

3.1 蓄熱

太陽能-地源熱泵蓄熱選擇多，運行匹配靈活。對地下儲能罐、U 型土壤埋管分析，兩者結合，冬季供暖中，低下蓄能可穩定太陽能熱泵功能，減少輔助熱源大小；U 型地埋管及鉆井和優化太陽能系統蓄能。科技發展背景下，太陽能-地源熱泵逐漸形成季節性儲蓄能，改善系統COP。

太陽輻射具有間歇性，影響太陽能開發、收集、儲存、轉移。因此，需研究何種材料適應太陽能開發：研究表示，應用PCM 可提高熱泵水箱蓄熱能力，將集熱器和房間負荷穩定調節，最佳狀態下，供熱COP 達到6.5。

3.2 性能及經濟性分析

在某工程項目中，儲熱系統由100 個10m深鉆井地源熱交換器支持，和太陽能集熱器幾何，使得集熱器和室內熱水系統連接，夏季以集熱器供應，周圍補熱達到最大限度。此外，某住宅系統將地源熱泵和太陽能集熱器結合，負擔500m2住宅供熱，電力需求節省到總熱負荷9%，剩余由太陽能-地源熱泵系統供應。由此可見，太陽能-地源熱泵系統就有良好節能效果，運行效率穩定。

3.3 運行特性

太陽能-地源熱泵可實現多樣化組合，分析區域化氣候、地質、太陽能，比對后，獲取季度性系統科學運行模式，提高能源利用率。可調節系統飯呢，掌握單獨供暖、制冷，熱泵弓弩單、太陽能-地源熱泵運行情況，確定最優運行工況。

3.4 系統設計

結合自動化、智能化技術，優化太陽能-地源熱泵能耗模型，發現耗能嚴重位置并改善。可對系統進行計算機動態模擬，發現地源熱泵可降低峰值負荷，太陽能-地源熱泵可穩定鉆井溫度。因此，將垂直地埋管換熱器作為季度性蓄能的太陽能熱泵系統模擬分析，為優化蓄能容積、提高集熱面積奠定基礎。

以TRNSYS 模擬，得到：在4KW 熱泵及100m 地熱井系統中，融入太陽能技術，SPF明顯增加，且電力需求減少。對三個太陽能-地源熱泵系統SPF 分析，發現其同步增長2.0，且熱系統溫度明顯降低。由此可見，模擬方式可分析系統組件對系統運行效率的影響，為系統優化提供理論支持。

4 沼氣工程中太陽能-地源熱泵系統應用

太陽能-地源熱泵支持下的沼氣池可實現自動控制，由太陽能集熱器、地埋管換熱器、熱泵機、加熱池、中轉水箱組成。

中溫（35℃）、高溫（53-55℃）的沼氣發酵溫度適宜微生物生成，35℃條件下，微生物較活躍，不影響工程運行。

以某市農村沼氣集中供氣工程進行分析，其沼氣池容量V=68m3，吃滴、池壁有6cm 保溫次啊來哦，頂部有塑料膜覆蓋。為充分利用沼氣余熱，設計混料池、沉淀池，結合沼氣池，1d 投入500kg 生物糞便，進料30min。不計算沼氣帶走少量熱量，以

Qs1=AK(t1-t2)

計算沼氣散熱量。其中：

式中，

R 總熱阻，（m2·℃）/W

K 總傳熱系數，W/（m2·℃）

α1池壁及沼液對流換熱系數W/（m2·℃）

α1外壁及空氣對流換熱系數W/（m2·℃）

λ1發酵池壁材料導熱系數W/（m2·℃）

λ1發酵池保溫導熱系數W/（m2·℃）

δ1發酵池壁厚（mm）

δ2發酵池保溫層厚度（mm）

5 結論

研究表明，該沼氣工程以回流稀釋進料需225.01MJ/d 熱量，冷水稀釋進料359.65MJ/d 熱量，225.01<359.65；沼氣工程全天需熱量3092.704MJ/d，對某市農村沼氣集中供氣工程經濟分析，10月到次年5月為供熱經濟其，電價在0.5 元以上時，太陽能-地源熱泵系統最優集熱面積24m2、32m2，太陽能-地源熱泵相較于電熱膜系統節約10830、59244 元，具有推廣價值。