地源熱泵有什么優(yōu)缺點？太陽能與地源熱泵如何相結(jié)合使用？看這里
時間:2022-01-22
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作者：山東省城建設(shè)計院 韓明坤
我國能源的消費結(jié)構(gòu)不合理，以煤為主的能源供給造成了嚴(yán)重的大氣污染和溫室氣體排放。因此，節(jié)約能源和開發(fā)利用清潔、可再生能源的任務(wù)十分緊迫?？稍偕茉丛诮ㄖ械膽?yīng)用是建筑業(yè)技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展的需要，隨著 2006 年 1 月《可再生能源法》的正式頒布與實施，太陽能、淺層地?zé)崮茉诮ㄖ袠I(yè)中的應(yīng)用越來越受到人們的重視。
地源熱泵技術(shù)是可再生能源應(yīng)用的主要方向之一，即利用淺層地?zé)崮苜Y源進(jìn)行供熱與空調(diào)，具有良好的節(jié)能與環(huán)境效益，近年來在國內(nèi)得到了日益廣泛的應(yīng)用。隨著《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》的實施，地源熱泵系統(tǒng)工程的市場更加規(guī)范化，能更好地發(fā)揮其節(jié)能、環(huán)保效益。但該系統(tǒng)存在土壤溫度場的恢復(fù)問題，即隨著地源熱泵系統(tǒng)連續(xù)長期的運行，會從地下過多的取熱或過多的散熱，造成地下溫度場的波動，降低機(jī)組的 COP 值，增加系統(tǒng)能耗。樹上鳥教育暖通設(shè)計網(wǎng)絡(luò)課程在線教學(xué)杜老師。
圖 1 表示出了北京某實際工程單獨采用地源熱泵系統(tǒng)時， 10 年內(nèi)地埋管換熱器進(jìn)出口水溫及土壤溫度的變化。
從圖 1 可以看出， 10 年內(nèi)土壤溫度由初始的 15度，下降到 10.2℃，下降了 4.8℃。冬季，熱泵機(jī)組的最低出水溫度由最初的 3℃ 下降到 -0.5℃，吸熱量和排熱量存在極大的不平衡。
太陽能技術(shù)也是可再生能源應(yīng)用的主要方向之一，太陽能是永不枯竭的清潔能源，量大、資源豐富、綠色環(huán)保。但也有一些缺點：（ 1）太陽能的能流密度低，且因地而異，因時而變。（ 2）太陽能具有間歇性和不可靠性。太陽能的輻照度受氣候條件等各種因素的影響不能維持常量，如果遇上連續(xù)的陰雨天氣太陽能的供應(yīng)就會中斷。此外，太陽能是一種輻射能，具有即時性，自身不易儲存，必須即時轉(zhuǎn)換成其它形式能量才能利用和儲存。
地源熱泵技術(shù)和太陽能技術(shù)自身存在這些局限性，如果兩種能源可以聯(lián)合使用，這樣能互相彌補(bǔ)自身的不足，提高資源利用率。
太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運行的原則
太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運行時，應(yīng)遵循如下原則：
（ 1）可再生能源利用的前提是必須采用節(jié)能建筑，以降低系統(tǒng)的初投資。太陽能的能流密度較低，太陽集熱系統(tǒng)的價格在目前仍然偏高；地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比，初投資也較高。為了盡可能減少系統(tǒng)的初投資，必須保證建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)符合節(jié)能規(guī)范的要求，以降低供暖、空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷需求。（ 2）與供水溫度要求低的末端系統(tǒng)配套使用。目前高溫型的地源熱泵機(jī)組 COP 值較低，對于常規(guī)地源熱泵機(jī)組來說，供熱時，出水溫度較低。同時，太陽集熱系統(tǒng)的集熱效率與集熱系統(tǒng)的出水溫度有關(guān)，溫度越高熱損失越大，集熱效率降低，因此在選擇供暖系統(tǒng)時應(yīng)優(yōu)先選擇供水溫度要求低的形式，如地板輻射采暖形式。（ 3）在經(jīng)濟(jì)許可的前提下最大限度地利用太陽能資源。太陽能是完全免費的，在利用過程中，僅消耗水泵能耗，運行費用低，所以在經(jīng)濟(jì)許可的情況下，盡可能增大太陽集熱器的面積，延長太陽能利用的時間，以提高太陽能的利用率。
本工程位于北京，建筑的功能主要是辦公室和實驗室，建筑面積 2835m2。辦公區(qū)域夏季采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)（冷凍水供回水溫度 7/12℃），冬季采用地面輻射采暖系統(tǒng)（經(jīng)散熱器后，熱水供回水溫度 45/40℃）；試驗區(qū)域夏季不設(shè)空調(diào)，冬季采用輻射型散熱器采暖系統(tǒng)（ 50/45℃ 熱水供回水溫度），保證值班采暖溫度。采用地源熱泵系統(tǒng)、太陽能系統(tǒng)作為空調(diào)采暖系統(tǒng)的冷熱源。末端的散熱器系統(tǒng)與地板輻射采暖系統(tǒng)串聯(lián)運行，以加大系統(tǒng)的供回水溫差。
該建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良，達(dá)到了節(jié)能建筑的標(biāo)準(zhǔn)，因此該建筑的冷熱負(fù)荷較低，經(jīng)過逐時負(fù)荷計算可知，冬季最大熱負(fù)荷為 110kW，夏 季 最 大 冷 負(fù) 荷 為 60kW。 采 暖 季 逐 時 熱 負(fù) 荷總 值 為 119746kW·h， 制 冷 季 逐 時 冷 負(fù) 荷 總 值 為25072kW·h，熱負(fù)荷總值遠(yuǎn)大于冷負(fù)荷總值。在這種情況下若單獨采用地源熱泵系統(tǒng)，必然存在吸熱量與排熱量極度不平衡的問題，那么，長期運行結(jié)果會使土壤溫度越來越低，也將降低熱泵系統(tǒng)的運行效率，最終導(dǎo)致冬季地源熱泵系統(tǒng)不能正常運行。為了解決吸熱量與排熱量不平衡的問題，提高地源熱泵系統(tǒng)的運行效率，可采用太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運行的方式。
太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運行時，通常有 4 種運行方式：
?。?1）直接利用太陽能供熱；
?。?2）太陽能與熱泵機(jī)組的冷凝器串聯(lián)運行；
?。?3）太陽能加熱地埋管換熱器；
?。?4）太陽能直接進(jìn)入熱泵機(jī)組蒸發(fā)器。太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運行原理圖如圖 2 所示。
系統(tǒng)的控制策略為：
（ 1）經(jīng)過太陽能加熱后的供水溫度 Tg 高于 50℃ 時，直接利用太陽能采暖，此時閥門 V1、 V2 開啟，水泵 2、 3、 4 開啟；閥門V3、 4、 5、 6、 7、 8、 9 均 關(guān) 閉， 熱 泵 機(jī) 組 關(guān) 閉，水泵 1 關(guān)閉。
?。?2）當(dāng) Tg 溫度低于 50℃ 時，且高于40℃ 時，太陽能不能被直接利用，而是與熱泵機(jī)組冷凝器串聯(lián)，此時閥門 V2、 3、 5、 9 開啟，水泵 1、 2、 3、4 開啟，熱泵機(jī)組開啟；閥門 V1、 4、 6、 7、 8 均關(guān)閉。
?。?3）當(dāng) Tg 溫度低于 40℃ 時，且高于 25℃ 時，太陽能加熱巖土體側(cè)地埋管換熱器，此時閥門 V3、4、 6、 7 開啟，水泵 1、 2、 3、 4 開啟，熱泵機(jī)組開啟；閥門 V1、 2、 5、 8、 9 均關(guān)閉。
?。?4）當(dāng) Tg 溫度低于 25℃ 時，且高于 15℃ 時，太陽能直接進(jìn)入熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器，作為低位熱源，此時閥門 V3、 4、6、 8 開啟，水泵 1、 2、 3、 4 開啟，熱泵機(jī)組開啟；閥門 V1、 2、 5、 7、 9 均關(guān)閉。
（ 5）當(dāng) Tg 溫度低于15℃ 時，僅采用熱泵系統(tǒng)供暖。此時，閥門V3、 4、5 開啟，水泵 1、 2 開啟，熱泵機(jī)組開啟；閥門 V1、 2、6、 7、 8、 9 均關(guān)閉。
太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)采用何種聯(lián)合運行方式，主要與太陽能集熱器的面積及末端所需的供回水溫度有關(guān)。例如：集熱器的面積較大，可以使得系統(tǒng)的供水溫度較高，這是可以考慮直接利用太陽能供熱的方式，相反，若集熱器面積較小，產(chǎn)生的熱水溫度較低，則無法直接供熱。同樣的，若末端所需的供回水溫度較高，若超過 60℃，則很難直接利用太陽能供熱，若末端所需的供回水溫度較低，在 40℃ 以下，則可直接利用太陽能供熱。下面介紹了采用不同的集熱器面積時，對應(yīng)的聯(lián)合運行方式。
在北京，供暖期為 11 月 15 日至次年的 3 月 15 日，共 2880 個小時，典型氣象年中，有太陽輻照的時間為 1179h，占總供暖時間的 40.63%。為了便于分析，本文對于末端的供回水溫度要求為 50/40℃。圖3 表示出了在不同太陽集熱器面積情況下，太陽能系統(tǒng)供水溫度分別超過 41℃、 42℃、 43℃、 44℃、45℃、 46℃、 47℃、 48℃、 49℃、 50℃ 的小時數(shù)。
從圖 3 可以看出：
?。?1）在太陽集熱器面積為 140m2 的情況下，太陽能系統(tǒng)供水的最高溫度為 48℃，無法實現(xiàn)直接利用太陽能供熱。（ 2）在太陽集熱器面積為 300m2 的情況下，太陽能系統(tǒng)供水溫度超過 50℃ 的小時數(shù)為 52h（占總供暖時間的 1.81%），雖然可以實現(xiàn)直供，但由于風(fēng)機(jī)盤管時間短，從增加自控復(fù)雜性、增加初投資的角度考慮，不建議采用直供的運行方式。（ 3）在太陽集熱器面積為 500m2 的情況下，太陽能系統(tǒng)供水溫度超過 50℃ 的小時數(shù)為 158（ 5.5%），可以實現(xiàn)直接利用太陽能供熱。（ 4）太陽集熱器面積由 140m2 增加到 1000m2時， 對 太 陽 能 系 統(tǒng) 供 水 溫 度 超 過 41℃ 的小時數(shù)變化影響不太大，由 527 小時（占總供暖時間的18.3%）增加到 746（占總供暖時間的 25.9%）小時，但對于超過 50℃ 的小時數(shù)影響較大，由 0 小時（占總供暖時間的 0%）增加到 275 小時（占總供暖時間的 9.55%）。
對于本文第 3 節(jié)提及的某實際工程，筆者利用TRNSYS 軟件進(jìn)行了模擬計算。由于本項目的太陽集熱器面積比較?。?140m2） ，所以采用太陽能換熱后的熱水進(jìn)地埋管換熱器或者直接進(jìn)入熱泵機(jī)組蒸發(fā)器的聯(lián)合運行方式。圖 4、圖 5 分別表示出了 1年內(nèi)、 10 年內(nèi)太陽能系統(tǒng)（僅冬季運行）與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運行時， 1 年內(nèi)地埋管換熱器進(jìn)出口水溫及土壤溫度變化的情況。從圖中可以看出，太陽能系統(tǒng)僅冬季運行時， 10 年內(nèi)土壤溫度由初始的 15度，下降到 12.5℃，下降了 2.5℃，吸熱量和排熱量仍然存在不平衡的現(xiàn)象，太陽能需在過渡季也要向土壤中蓄熱，具體模擬情況如圖 6 所示。
從圖 6 可以看出，當(dāng)太陽能在過渡季也向土壤中蓄熱時， 10 年內(nèi)土壤的平均溫度基本不變，吸熱量和排熱量基本平衡。
但需要注意的是，太陽能在過渡季蓄熱時，需要消耗水泵的能耗，增加運行費用。因此，在實際工程中，是否采用過渡季蓄熱，需要綜合考慮。
太陽能、淺層地?zé)崮茏鳛榭稍偕茉?，在建筑領(lǐng)域的能源利用中發(fā)揮著越來越重要的作用，它們的應(yīng)用是解決我國能源和環(huán)境問題的重要措施之一。本文詳細(xì)闡述了太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化運行的方式、適用的范圍，為可再生能源的合理利用提出建議。
（ 1）太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運行時，要優(yōu)先采用太陽能。?（ 2）夏熱冬冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)要求夏季隔熱為主，兼顧冬季保溫，目前該類建筑主要使用的主動式技術(shù)主要有采用高效照明、通風(fēng)熱回收技術(shù)、以及空氣源熱泵；采用的被動式技術(shù)主要有自然采光、自然通風(fēng)、建筑遮陽和綠色植被；可再生能源的應(yīng)用適宜采用太陽能或者太陽能與土壤源熱泵聯(lián)合的方式。（ 3）由于國情現(xiàn)狀，我國夏熱冬冷地區(qū)超低能耗居住建筑的一次能源消耗量已經(jīng)低于德國被動房標(biāo)準(zhǔn)限值，因此，對于超低能耗的能耗限制，因根據(jù)不同發(fā)展階段進(jìn)行調(diào)整?，F(xiàn)階段，宜僅針對建筑空調(diào)、通風(fēng)與供暖能耗進(jìn)行研究和規(guī)定。
