论文部分内容阅读
【摘要】通过太阳能-地源热泵耦合系统联合运行优点的阐述，结合贵州地区太阳能资源利用情况及地质、气候特征，分析太阳能-地源热泵耦合系统在贵州地区的运行模式及可行性，表明该新型能源系统在贵州地区联合运行及经济性是可行性，需考虑系统配合优化及控制策略，建议进一步深入研究。
【关键词】太阳能；地源热泵；耦合系统；运行模式
1. 引言
（1）由于我国的地理位置和气候特点，大部分建筑都需要选用供热空调系统，同时随着经济的发展和人民生活水平的提高，采暖空调系统的使用范围逐步扩大，人们也常提到的“采暖南下，空调北上”。基于对能源和环保要求，在建筑供暖方面利用可再生且无污染的能源已引起人们高度的重视。太阳能以及地源热泵系统作为新型可再生能源、绿色能源，在国家政策大力扶持、房地产业迅速发展、居民生活水平逐步提高的今天，得到了巨大的推广和发展。
（2）贵州位于我国亚热带西部，云贵高原斜坡上，属于亚热带季风气候，贵州相关城市的气象数据显示，贵阳、威宁、三穗、兴义等大部分地区夏季空调度日数均小于20CDD26（℃·d），甚至为0CDD26（℃·d），而冬季采暖度日数大于1400HDD18（℃·d），冬季采暖负荷远大于夏季空调负荷，在建筑中应用土壤源热泵系统存在严重的冷热不平衡问题，引起机组能效降低，为解决冷热不平衡问题，作为可再生清洁能源的太阳能当然就成为辅助热源的首选，以太阳能-地源热泵复合系统存在，本文就贵州地区特殊的气候特征，浅谈太阳能-地源热泵耦合系统的最佳供暖运行模式。
2. 太阳能-地源热泵复合系统特点
（1）我国地域广阔蕴藏着丰富的浅层地能资源和太阳能资源，所以地源热泵、太阳能系统在建筑中的应用是综合利用可再生能源、走可持续发展道路成熟而有效的手段。既节约了能源又保护了环境，符合国家资源和环境战略。
（2）地下岩土是一个巨大的天然集热器，收集了约47%的太阳辐射能量，地下温度相对稳定全年波动较小，不受季节影响，地埋管（土壤源）地源热泵系统正是以地表以下200m范围内的岩土作为热泵系统的冷热源，利用地下岩土层全年温度恒定的特点及其巨大的蓄热容量，实现对建筑物全年的供热和空调，同时可以供应生活热水。在这种情况下，很多情况下地埋管换热器全年冷热负荷是不平衡，尤其是在“爽爽的贵阳”，夏季基本不需要制冷，冬季又有较长的制热工况，在一个运行周期中，为保持土壤温度相对初始温度有较小的降低，维持地源热泵系统长期高效运行，必须有合适的热量对地热换热器进行补充。
（3）在我国国土总面积2/3以上的地区，太阳年日照时间大于2000h，最高可达2800h～3300h，太阳能作为一种清洁能源，在我国得到了巨大的推广应用。但受集热器集热效率、太阳辐射强度影响，太阳能能流密度低，因时而变，且具有间歇性和不稳定性，如果遇上连续的阴雨天气，太阳能供应就会中断，运行不稳定，若长期运行必须靠辅助热源，因此太阳能系统通常也需要备用能源系统，常用能源系统主要是空气源热泵。
（4）为克服太阳能、地源热泵各自独立运行存在一定技术瓶颈，更好地利用地源热泵和太阳能热利用这两种可再生能源技术，有机结合的地源热泵和太阳能复合能源系统应运而生。地源热泵与太阳能结合，既可以克服地源热泵系统冷热负荷不平衡而造成土壤温度不断降低，又可以克服太阳辐射受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件限制和阴雨天气等随机因素影响。因此，地源热泵与太阳能结合的复合能源系统可以集中两种可再生能源优点，同时相互弥补各自不足，是很有潜力的可再生能源建筑应用新技术。
（5）虽然贵州喀斯特地区地形复杂，应用难度大，但随着可再生能源、清洁能源的不断推进，节能意识的提高，土壤源热泵应用项目越来越多，较为典型的是贵州财经大学新校区应用项目，大部分项目安装的辅助热源为太阳能。但贵州省属我国太阳能资源第V类地区，太阳能总辐射量在3149-4594MJ/（M2.a）之间，大部分属太阳能贫乏地区，其中西北部的黔西南州、六盘水市和毕节地区相对辐射量大，属于III类太阳能较富地区，其他部分城市如贵阳等属于IV类太阳能一般地区。面对复合新能源系统的初投资偏高，太阳能资源贫乏问题，如何高效运用太阳能-地源热泵耦合系统，值得探讨。
3、耦合系统联合运行原则
太阳能-地源热泵耦合系统的一般设置如图1所示，为获得更好的经济效益和更好节约能源，联合运行中，应该遵循以下技术原则：
图1地源热泵与太阳能复合系统示意图（1）太阳能热利用在一次性投入后，运行阶段完全是免费的，在利用过程中，仅消耗水泵能耗，运行费用低，应最大限度利用太阳能，尤其是夏季，可以提供免费的生活热水。
（2）在太阳能充足热水富余、不开启空调的过渡季节，应将太阳能多余的热量储存起来，供冬季供热，阴雨天也可以利用地源热泵辅助太阳能系统加热生活热水，不仅可以综合利用太阳能，又避免太阳能集热器空晒，增加集热系统寿命，解决因地源热泵周期性制热引起的土壤温度降低带来的不平衡问题。
（3）太阳能、地源热泵目前初投资较高，在保证系统正常安全运行前提下，应综合考虑装机容量、空调末端形式，减少系统投资，获得最大节能效果。
4. 耦合系统联合运行方式
4.1根据上述技术原则，为达到最佳运行效果，在满足夏季生活热水供应的集热板安装面积下，冬季太阳能系统与地源热泵系统联合运行，应以地源热泵为主，太阳能为辅助热源，但在控制上要优先充分采用太阳能。
4.2根据贵州地区太阳能可再生能源示范项目测评结果的统计，对满足夏季热水供应的太阳能集热系统，夏季最低平均供水温度为48.2℃，最高温度可达80℃；过渡季节最低平均供水温度为38℃，最高可达70℃；冬季太阳能系统供水平均温度为24.4℃，单位面积太阳能集热器造价为1500～2500元/m2。由于贵州大部分地区由地源热泵系统提供的热量远大于提供空调热量，需要太阳能辅助系统保持土壤温度平衡，结合太阳能热水系统实际效果，耦合系统联合运行方式可考虑以下方式： （1）夏季太阳能系统直接通过生活热水，地源热泵系统提供空调冷源，两系统独立运行。
（2）过渡季节，空调系统不启动，在保证50℃的生活热水供应的条件下，多余的热量用于加热地埋管换热器，提升热泵机组冷凝器温度；阴雨天无法保证生活热水时利用地源热泵辅助太阳能系统加热生活热水，保证热水供应。
（3）冬季，太阳能平均供水温度为24.4℃，不能直接利用，但高于热泵机组地源测进水温度，可以将热量转化后进入热泵机组，由热泵系统提供供暖及生活热水。
4.3参照文件[1]的研究结论，太阳能系统初投资超过4500元/m？集热器时，太阳能有效使用的节省费用不足以抵消太阳能系统增加的初投资，基本不需要设置太阳能系统。从太阳能系统造价及运行方式看，太阳能-地源热泵耦合系统在贵州地区的季节性蓄热及联合运行是可行的。
5. 存在的问题
太阳能-地源热泵耦合系统季节性蓄热及联合运行在贵州地区也存在以下问题：
（1）以贵州高原为中心的西南喀斯特地区是世界上面积最大、最集中连片的喀斯特生态脆弱区，喀斯特与非喀斯特地貌相互穿插，犬牙交错，岩溶地貌发育非常典型，地质条件较为复杂，地下溶洞较多，增加太阳能季节性蓄热作为辅助热源，系统的可靠性、稳定性有待于进一步验证。
（2）在极端天气条件下，太阳能热水系统供水温度低于15℃时，无法加热地埋管换热器及机组地源测进水，需停止太阳能系统辅热，仅运行地源热泵系统。
（3）太阳能系统及地源热泵系统初投资较高，目前尚无太阳能-地源热泵耦合系统相关的技术指导意见，需综合考虑地区太阳能资源和土壤的热物性条件、建筑热负荷等因素，结合控制策略，优化系统配置，减少太阳能系统或地源热泵配置，降低初投资。
6. 结束语
（1）通过太阳能-地源热泵耦合系统联合运行模式和经济技术分析，该能源耦合系统在贵州地区的利用理论上是可行的。
（2）地源热泵与太阳能复合系统结构复杂，初投资高，其经济性受诸多因素影响，需要系统优化来实现最佳系统配置，通过控制策略降低运行成本。
（3）面对新型能源系统在贵州地区推广及笔者提出的问题，该能源系统值得深入研究。
参考文献
[1]徐伟等.地源热泵技术手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.
【关键词】太阳能；地源热泵；耦合系统；运行模式
1. 引言
（1）由于我国的地理位置和气候特点，大部分建筑都需要选用供热空调系统，同时随着经济的发展和人民生活水平的提高，采暖空调系统的使用范围逐步扩大，人们也常提到的“采暖南下，空调北上”。基于对能源和环保要求，在建筑供暖方面利用可再生且无污染的能源已引起人们高度的重视。太阳能以及地源热泵系统作为新型可再生能源、绿色能源，在国家政策大力扶持、房地产业迅速发展、居民生活水平逐步提高的今天，得到了巨大的推广和发展。
（2）贵州位于我国亚热带西部，云贵高原斜坡上，属于亚热带季风气候，贵州相关城市的气象数据显示，贵阳、威宁、三穗、兴义等大部分地区夏季空调度日数均小于20CDD26（℃·d），甚至为0CDD26（℃·d），而冬季采暖度日数大于1400HDD18（℃·d），冬季采暖负荷远大于夏季空调负荷，在建筑中应用土壤源热泵系统存在严重的冷热不平衡问题，引起机组能效降低，为解决冷热不平衡问题，作为可再生清洁能源的太阳能当然就成为辅助热源的首选，以太阳能-地源热泵复合系统存在，本文就贵州地区特殊的气候特征，浅谈太阳能-地源热泵耦合系统的最佳供暖运行模式。
2. 太阳能-地源热泵复合系统特点
（1）我国地域广阔蕴藏着丰富的浅层地能资源和太阳能资源，所以地源热泵、太阳能系统在建筑中的应用是综合利用可再生能源、走可持续发展道路成熟而有效的手段。既节约了能源又保护了环境，符合国家资源和环境战略。
（2）地下岩土是一个巨大的天然集热器，收集了约47%的太阳辐射能量，地下温度相对稳定全年波动较小，不受季节影响，地埋管（土壤源）地源热泵系统正是以地表以下200m范围内的岩土作为热泵系统的冷热源，利用地下岩土层全年温度恒定的特点及其巨大的蓄热容量，实现对建筑物全年的供热和空调，同时可以供应生活热水。在这种情况下，很多情况下地埋管换热器全年冷热负荷是不平衡，尤其是在“爽爽的贵阳”，夏季基本不需要制冷，冬季又有较长的制热工况，在一个运行周期中，为保持土壤温度相对初始温度有较小的降低，维持地源热泵系统长期高效运行，必须有合适的热量对地热换热器进行补充。
（3）在我国国土总面积2/3以上的地区，太阳年日照时间大于2000h，最高可达2800h～3300h，太阳能作为一种清洁能源，在我国得到了巨大的推广应用。但受集热器集热效率、太阳辐射强度影响，太阳能能流密度低，因时而变，且具有间歇性和不稳定性，如果遇上连续的阴雨天气，太阳能供应就会中断，运行不稳定，若长期运行必须靠辅助热源，因此太阳能系统通常也需要备用能源系统，常用能源系统主要是空气源热泵。
（4）为克服太阳能、地源热泵各自独立运行存在一定技术瓶颈，更好地利用地源热泵和太阳能热利用这两种可再生能源技术，有机结合的地源热泵和太阳能复合能源系统应运而生。地源热泵与太阳能结合，既可以克服地源热泵系统冷热负荷不平衡而造成土壤温度不断降低，又可以克服太阳辐射受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件限制和阴雨天气等随机因素影响。因此，地源热泵与太阳能结合的复合能源系统可以集中两种可再生能源优点，同时相互弥补各自不足，是很有潜力的可再生能源建筑应用新技术。
（5）虽然贵州喀斯特地区地形复杂，应用难度大，但随着可再生能源、清洁能源的不断推进，节能意识的提高，土壤源热泵应用项目越来越多，较为典型的是贵州财经大学新校区应用项目，大部分项目安装的辅助热源为太阳能。但贵州省属我国太阳能资源第V类地区，太阳能总辐射量在3149-4594MJ/（M2.a）之间，大部分属太阳能贫乏地区，其中西北部的黔西南州、六盘水市和毕节地区相对辐射量大，属于III类太阳能较富地区，其他部分城市如贵阳等属于IV类太阳能一般地区。面对复合新能源系统的初投资偏高，太阳能资源贫乏问题，如何高效运用太阳能-地源热泵耦合系统，值得探讨。
3、耦合系统联合运行原则
太阳能-地源热泵耦合系统的一般设置如图1所示，为获得更好的经济效益和更好节约能源，联合运行中，应该遵循以下技术原则：
图1地源热泵与太阳能复合系统示意图（1）太阳能热利用在一次性投入后，运行阶段完全是免费的，在利用过程中，仅消耗水泵能耗，运行费用低，应最大限度利用太阳能，尤其是夏季，可以提供免费的生活热水。
（2）在太阳能充足热水富余、不开启空调的过渡季节，应将太阳能多余的热量储存起来，供冬季供热，阴雨天也可以利用地源热泵辅助太阳能系统加热生活热水，不仅可以综合利用太阳能，又避免太阳能集热器空晒，增加集热系统寿命，解决因地源热泵周期性制热引起的土壤温度降低带来的不平衡问题。
（3）太阳能、地源热泵目前初投资较高，在保证系统正常安全运行前提下，应综合考虑装机容量、空调末端形式，减少系统投资，获得最大节能效果。
4. 耦合系统联合运行方式
4.1根据上述技术原则，为达到最佳运行效果，在满足夏季生活热水供应的集热板安装面积下，冬季太阳能系统与地源热泵系统联合运行，应以地源热泵为主，太阳能为辅助热源，但在控制上要优先充分采用太阳能。
4.2根据贵州地区太阳能可再生能源示范项目测评结果的统计，对满足夏季热水供应的太阳能集热系统，夏季最低平均供水温度为48.2℃，最高温度可达80℃；过渡季节最低平均供水温度为38℃，最高可达70℃；冬季太阳能系统供水平均温度为24.4℃，单位面积太阳能集热器造价为1500～2500元/m2。由于贵州大部分地区由地源热泵系统提供的热量远大于提供空调热量，需要太阳能辅助系统保持土壤温度平衡，结合太阳能热水系统实际效果，耦合系统联合运行方式可考虑以下方式： （1）夏季太阳能系统直接通过生活热水，地源热泵系统提供空调冷源，两系统独立运行。
（2）过渡季节，空调系统不启动，在保证50℃的生活热水供应的条件下，多余的热量用于加热地埋管换热器，提升热泵机组冷凝器温度；阴雨天无法保证生活热水时利用地源热泵辅助太阳能系统加热生活热水，保证热水供应。
（3）冬季，太阳能平均供水温度为24.4℃，不能直接利用，但高于热泵机组地源测进水温度，可以将热量转化后进入热泵机组，由热泵系统提供供暖及生活热水。
4.3参照文件[1]的研究结论，太阳能系统初投资超过4500元/m？集热器时，太阳能有效使用的节省费用不足以抵消太阳能系统增加的初投资，基本不需要设置太阳能系统。从太阳能系统造价及运行方式看，太阳能-地源热泵耦合系统在贵州地区的季节性蓄热及联合运行是可行的。
5. 存在的问题
太阳能-地源热泵耦合系统季节性蓄热及联合运行在贵州地区也存在以下问题：
（1）以贵州高原为中心的西南喀斯特地区是世界上面积最大、最集中连片的喀斯特生态脆弱区，喀斯特与非喀斯特地貌相互穿插，犬牙交错，岩溶地貌发育非常典型，地质条件较为复杂，地下溶洞较多，增加太阳能季节性蓄热作为辅助热源，系统的可靠性、稳定性有待于进一步验证。
（2）在极端天气条件下，太阳能热水系统供水温度低于15℃时，无法加热地埋管换热器及机组地源测进水，需停止太阳能系统辅热，仅运行地源热泵系统。
（3）太阳能系统及地源热泵系统初投资较高，目前尚无太阳能-地源热泵耦合系统相关的技术指导意见，需综合考虑地区太阳能资源和土壤的热物性条件、建筑热负荷等因素，结合控制策略，优化系统配置，减少太阳能系统或地源热泵配置，降低初投资。
6. 结束语
（1）通过太阳能-地源热泵耦合系统联合运行模式和经济技术分析，该能源耦合系统在贵州地区的利用理论上是可行的。
（2）地源热泵与太阳能复合系统结构复杂，初投资高，其经济性受诸多因素影响，需要系统优化来实现最佳系统配置，通过控制策略降低运行成本。
（3）面对新型能源系统在贵州地区推广及笔者提出的问题，该能源系统值得深入研究。
参考文献
[1]徐伟等.地源热泵技术手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.