太阳能辅助系统的理论分析和实验研究

杨 鹏，刘自强，侯 静

（1.河北工程大学城市建设学院，河北邯郸 056038；2.河北科学院能源研究所，河北石家庄 050081；3.华北电力大学动力工程系，河北保定 071003）

太阳能辅助系统的理论分析和实验研究

杨 鹏1，刘自强2，侯 静3

（1.河北工程大学城市建设学院，河北邯郸 056038；2.河北科学院能源研究所，河北石家庄 050081；3.华北电力大学动力工程系，河北保定 071003）

地热能和太阳能作为清洁、可再生的能源，是未来开发和利用新能源的趋势，本文介绍了太阳能辅助地源热泵系统，是将二者结合，取长补短的一种热泵形式。通过理论分析和实验验证，证明了太阳能辅助地源热泵系统的可行性和科学性。

太阳能；地源热泵；热量平衡

能源和环境是影响可持续发展的关键因素，传统能源如煤炭、石油和天然气等石化能源，其燃烧产生大量污染物，包括SO2，NOx等有害气体及CO2等温室效应气体严重污染环境。所以节能减排和开发利用洁净、可再生的新能源是迫在眉睫的首要任务。

地热能，是良好低品位热源。土壤温度相对稳定，全年波动小。根据测定，地下10m深处的土壤温度相当于该地区全年平均气温，并且不受季节的影响［1］。土壤温度以余弦函数的规律随时间变化，其温度波振幅随地层深度的增加而出现衰减的趋势。土壤作为一个巨大的蓄能体，冬季蓄存冷量供夏季取用，夏季则蓄存热量供冬季取用。

太阳每年辐射到地球表面的能量是巨大的，约为50×1018KJ，有很大的利用潜力，且不会对生态环境造成污染，是一种取之不尽，用之不竭的绿色环保能源。因此地热能和太阳能是我们需要的清洁可再生能源，二者都是未来发展的趋势。

1 太阳能辅助地源热泵系统简介

太阳能辅助地源热泵系统是以太阳能和地热能为复合热源的热泵系统，属于多种低品位热源通过热泵来加以利用的一种方式，具有很大的灵活性，吸取了单独太阳能热泵和土壤源热泵的优点，弥补了单一太阳能与土壤源热泵的缺陷。太阳能可以提升土壤源热泵进口流体温度，提高运行效率；土壤热可以补偿太阳能的间歇性，使得太阳能热泵在阴雨天及夜晚仍能正常运行；同时，土壤还可以将日间富余太阳能暂时储存。

我国北方地区，大部分以冬季暖负荷为主，或者与夏季冷负荷相当。并且夏季地下埋管换热器的传热温差较大，大概是冬季温差的两倍。造成单位长度地下埋管在夏季的散热量是冬季取热量的2到3倍，如果完全采用地源热泵系统将无法保证全年土壤取热量和排热量的平衡。如果按照冬季工况设计地下埋管换热器，就会使打井和地埋管换热器的初投资太大，造成不必要的浪费。如果按照夏季工况设计地下埋管，冬季地下取热量过大，在实际工程中甚至出现过埋管区域冻结现象，影响机组的运行性能和用户的正常使用。所以将地源热泵与太阳能这两种技术有效地结合起来，在冬季利用太阳能辅助地源热泵供暖，以减少地下取热量，使土壤温度得到周期性的有效恢复，则能够实现系统长期稳定的运行。夏季还可以利用太阳能系统提供生活热水，并且对部分井蓄热以备冬季使用。

2 地源热泵性能分析

2.1 地下埋管长度的计算

式中：L——埋管总管长

Q——夏季向埋管换热器排放的最大功率Q1或冬季从埋管换热器吸收的最大功率Q2，k W；

ql——夏季最大利用温差的单位长度换热功率ql1或冬季最大利用温差的单位长度换热功率ql2，W／m2。

换热器的换热量应满足系统正常运行工况时的最大吸热量或最大放热量的要求，计算公式如下：

2.2 地埋管性能分析

由于夏季最大放热量和冬季最大吸热量不同，并且冬夏两季地埋管换热温差也不同，冬季取热时管内液体的平均温度比地层温度低5～10℃，夏天可高10～20℃，所以ql也不同，因此冬夏两季所需地下埋管长度不同，应分别计算。

如果计算得出冬夏两季所需埋管长度相似，则取较大值即可；如果两者相差较大，宜采用较小值确定管道长度，两者相差的负荷加辅助热源，本文建议采用太阳能辅助地源热泵系统。地源热泵地埋管按夏季负荷选，加上太阳能辅助系统满足冬季负荷需求。并且补充减少因吸热与放热不平衡引起的土壤温度持续变化的可能性，避免不必要的工程投资。并且可以利用太阳能系统提供生活热水。

3 太阳能集热器性能分析

目前应用最广泛的太阳能光－热转换装置是平板型太阳能集热器和真空管太阳能集热器。本文以全玻璃真空管太阳能集热器为例分析其性能。全玻璃真空管太阳集热器的热量平衡方程式，其总集热量等于有效太阳得热量减去热量损失，数学表达式为［2］：

集热器内水的平均温度为20℃，大气的平均温度为7℃，日平均辐射量I为6248.11kJ／（m2·d），北方地区冬季的平均日照时间为8h，所以将累积计算时间取为8h，根据式（7）可以计算出单根集热管的集热量为298kJ／h，则每平方米集热面积的集热量为4768kJ／h。

4 太阳能辅助地源热泵的实验

4.1 实验简介

实验地点：石家庄市，河北省能源研究所太阳能辅助地源热泵系统实验室。

实验系统：流程图如图1，蒸发器出水先经过地埋管换热器换热，再经过太阳能系统换热，再回到蒸发器，提高蒸发器进口水温，提高系统COP。

图1 太阳能辅助地源热泵系统流程图

实验装置由四部分组成：热泵机组，地埋管换热器，太阳能辅助系统，室内末端系统。在热泵机组蒸发器进出口两端和冷凝器进出口两端分别装有pt100型热电阻探头，用于记录冷冻水和冷却水进出口水温。地埋管换热器系统包括5口井，每口井深为21m，其中地面到地下15m是砂土层，地下15m到 21m是卵石层，其中有两口井在－3m，－10m，－21m分别装有pt100型温度探头用于记录地下土壤温度。室内两台风机盘管，功率50W。太阳能辅助系统由4台太阳能集热器串联组成，每台包含25根太阳能真空管，倾角为38°放置。使用太阳能辐照仪测量太阳能辐射量，旋翼型水表记录水流量。有三台水泵，分别装在冷冻水、冷却水侧和太阳能侧，每个功率为54W。

4.2 实验方案及结果

实验方案：运行数日，前几日地源热泵系统单独运行，不开启太阳能辅助系统。后几日开启太阳能辅助系统，太阳能辅助地源热泵联合运行，太阳能系统每天8点半补水，上午9点开，下午4点关闭。

实验一 取典型太阳能辅助地源热泵系续运行两天的监测数据。时间为2010年12月21日上午10：00到23日上午10：00，每隔5min记录一次监测数据，见图2－图7。

图2 蒸发器进出口水温

图3 冷凝器进出口水温

由图2可知，当热泵开启2h后，蒸发器回水温度接近0℃，此时开启太阳能辅助设备，太阳能系统与地下埋管换热器串联工作，使蒸发器回水温度上升到10℃以上，可有效防止因土壤温度降低，埋管换热效率下降，而造成载冷剂低于0℃，产生结冻现象，避免事故的发生或者发动机的频繁启停。太阳能辅助系统可以有效提高蒸发器进出口水温，进而提高机组的COP，把多余的热量储存到地下土壤，恢复土壤温度，保证夜间连续运行。图3表明，冷凝器进出口温度基本恒定，冷凝器出口温度达到40℃到45℃，供回水温差在5℃左右。能满足室内的负荷需求。

（1）蒸发器吸热量计算公式为：

由公式（11）得出冷凝器的瞬时放热量，如图5。

图4 蒸发器吸热量

图5 冷凝器放热量

（3）热泵的性能系数：

根据式（12）和式（13），由测得的冷凝器瞬时放热量和热泵瞬时功率可以求出热泵的COP，再加上水泵和风机盘管等功率即可求出整个系统的效率，如图7。

图6 热泵机组功率

图7 热泵的COP和整个系统的效率E

实验二 单独地源热泵运行，取实验数据与有太阳能辅助的系统进行对比。

时间是2010年12月10日8：00到17：30。每隔五分钟监测一次实验数据，见图8和图9。

由图8与图2比较得出，单独地源热泵系统运行时蒸发器回水温度过低，接近零度。

由图9与图7比较得出，单独地源热泵的效率不如加上太阳能辅助系统的效率高。通过数据计算得出，单独地源热泵系统的COP平均值为4.1，加上太阳能辅助系统后，热泵的COP值可高达5.5。

5 结论

通过实验验证了太阳能辅助地源热泵的优势，经分析得出以下结论：

（1）利用土壤能和太阳能是绿色无污染的可再生能源，能有效减少传统能源的消耗，是未来发展的趋势。

图8 蒸发器进出口水温

图9 热泵的COP和整个系统的效率E

（2）在北方单独地源热泵系统，冬季地埋管对土壤的放热量大于夏季地埋管对土壤的吸热量，全年的累积放热量和吸热量的不平衡，通过太阳能辅助系统能很好的调节，有助于系统长期稳定高效的运行。

（3）太阳能系统初投资比较高，要充分利用，在春、夏、秋可以利用太阳能提供生活用水，冬季利用太阳能和地源热泵联合提供生活用水。并且夏季负荷较小时可以用把太阳能通过部分地下埋管，向地下土壤储存热量，以备冬季使用。

［1］徐邦裕，陆亚俊，马最良.热泵［M］.北京：中国建筑工业出版社，1996.

［2］田中俊六.太阳能供冷与供暖［M］.北京：中国建筑工业出版社，1982.

［3］殷志强.全玻璃真空管太阳集热管［M］.北京：科学出版社，1998.

Theoretical analysis and experimental study to solar assisted ground－source heat pump system

YANG Peng1，LIU Zi－qiang2，HOU Jing3

（1.CollegeofUrbanConstructionHebeiUniversityofEngineering，HandanHebei056038，China；2.InstituteofEnergyResources，HebeiAcademyofSciences，ShijiazhuangHebei050081，China；3.PowerEngineeringDepartment，NorthChinaElectricPowerUniversity，BaodingHebei071003，China）

As a clean，renewable energy，the geothermal energy and solar energy are trend of developing and using new energies in the future.This paper introduces solar assisted Ground Source Heat Pump system，combined with the advantage of t the geothermal energy and solar energy.Through theoretical analysis and experiment，the solar assisted Ground Source Heat Pump system is proved to be feasible and scientific.

Solar；Ground source heat pump；Heat balance

TK513

：A

1001－9383（2011）04－0016－06

2011－07－30

杨 鹏（1985－），男，硕士研究生，Email：yang626＠gmail.com