地源热泵+太阳能+蓄能系统工程应用

李仁平，陈艳哲

(河北惠众能源环境工程有限公司，石家庄市050000)

地热能、太阳能作为可再生能源，在建筑中的应用越来越受到人们的重视，但应用的范围仅限于太阳能提供生活热水，或单独利用地源热泵系统提供采暖、空调。该文介结合项目实例，把3 种技术2 种能源联合使用，充分利用以上能源自身的优势结合使用，避免能源自身存在的局限性，互相弥补自身的不足，提高资源利用率，并对建筑采暖与制冷采用多元化一体绿色清洁能源合理使用及分析。

1 项目基本情况

本工程为石家庄市科技合作与创新平台中心地源热泵与太阳能及蓄能系统空调项目，位于石家庄市南二环东路88 号。总建筑面积约为6210m2，其中:办公中试楼(共5 层，局部6 层)建筑面积为2970m2;展厅楼(局部2 层)建筑面积为780m2;智能化温室实验中心(3 座)建筑面积为943m2;中试车间建筑面积为1100m2，其它附属用房建筑面积为417m2。采用太阳能与地源热泵系统并结合蓄能技术为单位建筑进行供暖制冷及生活热水。

2 太阳能－地源热泵技术的应用

太阳能－地源热泵技术适宜供全年生活热水、冬季供暖、夏季制冷的全年综合利用能源。利用太阳能可以为地源热泵土壤源侧补充能量，提高机组能效比。把白天太阳能多余的热量通过蓄水箱储存起来，作为夜间建筑屋内系统保温使用，还可以作为大棚蔬菜夜间保温及灌溉用温水。太阳能换热器为生活热水箱提供生活用热水。

3 方案运行思路设计

根据甲方的需求分为展厅、车间、大棚和办公楼两个系统分别进行供暖(制冷)，地源热泵系统承担建筑的能源提供，同时办公楼地源热泵机组兼有蓄能(或太阳能蓄能)的要求。卫生热水及蔬菜大棚的升温由太阳能系统满足，当太阳能不能满足此部分要求时，地源热泵作为大棚蔬菜的供暖备用热源，太阳能换热器为洗浴卫生热水的备用热源。机房设备的运行及功能的转换通过自动控制系统实现，地源热泵、太阳能、蓄能系统按照建筑末端的需求自动切换，实现全自动无人控制。

(1)太阳能－地源热泵－水蓄能系统采暖季运行原则是:白天运行时，由地源热泵及办公楼系统地源热泵机组晚上蓄积的热承担建筑末端的供暖负荷，太阳能为采暖辅助热源。晚上由太阳能蓄积的热量为大棚蔬菜进行升温供暖，办公楼系统的地源热泵机组晚上进行蓄冷蓄热，太阳能不承担大棚蔬菜热负荷时，地源热泵也可以为大棚蔬菜提供供暖需要，洗浴的热水负荷由辅助电加热供给。

(2)太阳能－地源热泵－水蓄能系统空调季运行原则是:地源热泵及办公楼系统地源热泵机组晚上蓄积的冷量承担建筑末端全部冷负荷，太阳能系统承担全部洗浴热水负荷，不能满足洗浴要求时由辅助电加热提供。

(3)太阳能和地埋管侧串联，当太阳能不能满足供暖要求水温低时，可以用来提高地源热泵热源温度(蒸发侧)，从而提高热泵制热COP，节约运行费用。

(4)白天办公楼机组为办公楼末端供冷供热，晚上开启机组的蓄能工况，进行蓄能，白天根据负荷情况开启地源热泵机组与蓄能设备联合供冷供热。

4 供暖制冷的系统配置

本项目办公、实验楼系统选择上海富田地源热泵机组一台见表1、表2;展厅、智能化温室系统选择南京天加，见表3、表4。

表1 办公楼系统主机设备选型

表2 办公楼系统水泵设备选型

表3 展厅等系统主机设备选型

表4 展厅系统水泵设备选型

4.1 土壤换热器系统

土壤换热器采用地下埋管(即埋置地下热交换器)的方式来实现，埋管方式多种多样。目前普遍采用的有垂直埋管和水平埋管两种基本的配置形式。

表5 土壤换热器系统配置

地下热交换器型式和结构的选取应根据实际工程以及给定的建筑场地条件来确定。水平埋管占地面积较垂直埋管大，效率较垂直埋管低。本项目采用的是垂直埋管(见表5)。土壤换热器系统采用双U 管换热器，根据建筑物冬季的设计负荷与配置的热泵机组参数。整个土壤换热器系统按同程方式连接，确保各换热孔内循环液的流量、流速一致，为系统的安全运行提供可靠的保障。冷热源侧地埋管的计算:地埋管采用双U 型垂直埋管，按照井深100m，经土壤热物性试验冬季盘管每米的换热量为40W，夏季盘管每米的换热量为60W。

4.2 太阳能供热系统

太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色能源，在具备条件的前提下，应优先利用太阳能这一免费能源，这样可以降低整个系统的运行费用，而且我国正在大力促进发展太阳能资源的利用，也陆续出台了一系列相关的政策法规扶植太阳能产业。

整个项目中的建筑的供暖采用太阳能+地源热泵+水蓄能系统形式，地源热泵系统承担建筑的供热，太阳能为辅助热源为建筑供暖，夏天以地源热泵系统形式制冷。

太阳能－地源热泵系统采暖季运行原则是:白天运行时，太阳能系统与地源热泵按并联方式运行，由地源热泵承担大部分供暖负荷，太阳能为采暖辅助热源。晚上由太阳能蓄积的热量为智能化温室中心进行升温供暖，太阳能不承担智能化温室中心热负荷时，地源热泵可以为智能化温室中心提供供暖需要，洗浴的热水负荷由辅助电加热供给。此时太阳能可以和地埋管侧串联，用来提高热源温度(蒸发侧)，从而提高热泵制热COP，节约运行费用。

太阳能－地源热泵系统空调季运行原则是:地源热泵承担全部冷负荷，太阳能系统承担全部洗浴热水负荷，不能满足洗浴要求时由辅助电加热提供。

本项目太阳能集热装置可以放置在实验楼屋面甲方要求的位置。经计算，可有效设置60m2(约30 块)太阳能集热板，将产生75KW 热负荷(50℃热水2T/h)。

4.3 太阳能热水系统

洗浴及厨房的卫生热水全年由太阳能提供，不能满足的负荷由电辅助加热器提供。

4.4 蓄能系统

根据现场的实际情况，我们把蓄能池放置在了机房下面，为保证水温的均匀平衡，蓄能池内采用布能器布水，蓄能池尺寸为5800mm ×3000mm ×3000mm，有效容积约为50m3，水温从15℃升高到55℃，蓄热量8.4GJ。晚上利用地源热泵主机蓄热蓄冷，白天释放蓄能池的能量，可以调节建筑末端最大负荷，蓄能池可提供最大热(冷)负荷量为232KW，与主机并联向末端供热供冷减小了机组的最大荷载，降低了机组的装机容量，则附属运转设备和电力设施的容量或功率均相应减小，从而减少了设备投资费用，可大幅度节省电费开支，还可以为智能化温室系统提供温水。

5 环境效益分析

土壤源温度适宜，与大气气温相比，具有冬暖夏凉的热能特征，是良好的低位可再生清洁能源，作为热泵冷热源为建筑物供暖空调是缓解能源消耗与环境污染的有效途径之一，具有巨大的社会与环境效益。

与传统供热方式相比，该项目每年相当于节约标准煤79t，减少CO2等碳氧化物排放量188 余t，减少NOx排放量0.7t，减少SO2等硫氧化物排放量1.32t，减少烟尘排放0.87t。极大减少了该地区的空气污染。

与燃煤、燃气、然油等锅炉房系统相比，采用土壤源热泵系统减小了机房占地面积，不需要存煤场的占地空间，在寸土寸金的现在减少占地面积就为业主争取了更大的经济效益，而且减少了存煤场及煤在运输搬运过程中的粉尘污染。

6 结束语

太阳能、地热能作为可再生能源，在建筑领域的能源利用中发挥着越来越重要的作用，它们的应用是解决我国能源和环境问题的重要措施之一。本文阐述了地源热泵、太阳能与蓄能系统技术互相结合利用，为建筑物供暖、制冷、供生活热水及大棚作物灌溉用温水。为可再生能源在建筑供暖应用中的结合使用做了示范，该项目不仅在石家庄在全国及建筑供暖行业也是一个标志性示范项目，为可再生能源在建筑领域的合理结合使用提供了重要的示范依据，提出了能源合理利用的建议。