太阳能—地源热泵联合供暖系统的经济性评价

2016-09-07 02:56李强高理福万溧西南科技大学土木工程与建筑学院四川绵阳621000

中国房地产业 2016年13期

文/李强、高理福、万溧　西南科技大学土木工程与建筑学院　四川绵阳　621000

文/李强、高理福、万溧西南科技大学土木工程与建筑学院四川绵阳621000

由于单独运行太阳能和地源热泵系统时，各自存在缺陷。因此提出太阳能与地源热泵系统联合供暖的运行方式。建立太阳能集热器和地源热泵机组的数学模型，并以呼和浩特地区某工程为例，通过测试得到室外温度、逐时热负荷、太阳能辐射强度和地源热泵机组进出水温度。采用静态分析法计算联合供暖系统的经济性。结果表明，联合供暖系统在初投资上比单独使用地源热泵系统高，但运行6年后能收回初投资。同时在热负荷大于冷负荷地区，联合供暖系统更具有可行性和环保性。

联合供暖；地源热泵；经济性；环保性

随着全球工业迅速崛起，经济发展十分迅速，城市化进程日益加快使得能源消耗增涨迅速，在许多国家，能源危机日益凸显。目前应用较多的矿物能源是石油、天然气和煤炭，核裂变能也在逐渐开发研究中。矿物能源推动了世界经济的发展，但其带来的环境问题却越发严重，节能减排已经是所有人都将重视的一个话题。

地源热泵系统是利用浅层地能进行供热和制冷的一种新型能源利用技术［1-2］。该系统利用地下土壤或地下水体中蕴藏的巨大蓄热或蓄冷能力，冬季：地源热泵系统将室内冷量转移至地下，同时将热量送至室内；夏季：再把室内热量转移至地下，同时再把冷量送至室内。一个年度形成一个冷热循环，实现绿色建筑的功能。

地源热泵系统具有高效节能，无环境污染，维护费用低，使用寿命长等优点；但在北方地区，如果长期使用地源热泵系统会使地下温度场得不到有效的恢复，造成地下土壤热不平衡的问题。

太阳能供热系统指利用太阳能集热器，收集太阳辐射能实现平时供热水或冬季供暖的系统。它具有节能环保，使用安全，不占空间等优点；但太阳能同时具有分散性，不稳定性和效率低等缺点。

本文将太阳能系统和地源热泵系统的优势结合起来，通过太阳能—地源热泵联合供暖的运行模式，就经济性上联合供暖系统的初投资比单独使用地源热泵系统高3000元，但运行约6年后能收回初投资，并且在环保性上联合供暖系统缓解了地下土壤热不平衡的问题，更大可能的利用了可再生能源。

1、联合供暖系统的工作原理

太阳能—地源热泵联合供暖系统指太阳能集热器部分与地源热泵地埋管部分同时工作，共同承担室内所需的热负荷。夏季：V1阀门处于关闭状态，V2阀门处于开启状态，此时地源热泵系统利用地下土壤的冷源负责室内制冷，而太阳能供热系统利用太阳能提供生活热水；冬季：V1阀门处于开启状态，V2阀门处于关闭状态，地源热泵系统与太阳能供热系统联合运行，共同承担室内的热负荷，此时太阳能供热系统作为地源热泵系统的辅助热源。

2、建立数学模型

2.1地源热泵机组数学模型

地源热泵机组的平均性能系数：

式中：T1——地源热泵井水侧入口温度（即蒸发器入口温度），℃T2——用户侧流体出口温度（即冷凝器出口温度），℃

地源热泵机组消耗的电能：

式中：W——地源热泵机组消耗的电能，W ；Q1——地源热泵机组放热量（室内热负荷），W；η1——地源热泵机组瞬时效率。

地源热泵机组从地下土壤吸收的热量：（3）Q2=Q1-W

式中：Q2——地源热泵机组从土壤吸收的热量，J；——水的比热容，J/（kg·℃）；ρ——水的密度，kg/m3；V——循环水的体积，m3；T3——地源热泵井水侧出口温度（即蒸发器出口温度），℃。

由公式（3）、（4）可得：（5）

2.2太阳能集热器数学模型

对于热管式真空太阳能集热器，其瞬时效率：

式中：η2——太阳能集热器瞬时效率；Q3——太阳能集热器吸收的热量，J ；Ac——太阳能集热器面积，m2；Ic——太阳能辐射强度，w/sr 。

则瞬时效率函数关系式为：

式中：T5——太阳能集热器入口温度，℃ ；T6——周围环境温度，；℃、 A、B为太阳能集热器系数，与集热器结构尺寸有关。

由公式（6）、（7）、（8）可得太阳能集热器出口温度：

式中：T7——太阳能集热器出口温度，℃ ；m3——真空管内液体质量流量，kg/h ；c3——真空管内液体比热容，J/（kg·℃）。

3、案例分析

本文以呼和浩特地区某层高为3.0m，建筑面积为207 的工程为例。在最冷月即1月份中选择典型2天连续测得，室外逐时平均温度为-19.5，室外逐时平均热负荷为12.5kw，其中最大热负荷为14.8kw，日照时间内的南向平均辐射强度为374.1 。呼和浩特地区冬季室内供暖设计温度为20 。如图1，图2。