谈太阳能与地源热泵联合供热★

徐子龙 程鹏月 任佳艺 刘 锦 赵 琦

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

随着可再生能源供热技术的发展，其应用范围不断扩大。我们现在急切需要提高利用可再生能源供热的技术，也应该进一步使规模化应用稳定，这样才能实现我国能源结构的调整和能源消费总量的控制，进而可以持续性的利用能源。迅速发展的太阳能与地源热泵技术是一项多用途、清洁、高效节能而且可持续发展的能源利用技术，其二者组合应用可以用于夏季空调制冷，冬季采暖和热水供应，用热回收技术。可以同时实现制冷和制热，在建筑能源利用中，具有广阔的运用前景。

1 太阳能热利用

太阳能利用技术从能量转换方式来分，有三种方式：即光热转换、光电转换和光化学转换。其中应用最广的是光热转换技术。它是将太阳辐射能转换成热能加以利用的技术。吸热体吸收太阳辐射后提升温度，再通过传热工质把得到的热量转移，再得到利用。一般情况下物体吸收的太阳辐射范围是从紫外区到红外区，但是利用价值最大的一部分是近红外光区和可见光区，其波长是0.4 μm～1.9 μm。一般的太阳能利用系统由两部分组成，一种是光热转换，大多是各种各样的太阳集热器；另一种是热能利用，大多是各种用热装置，都是根据具体的使用要求而设计的。光热利用种类繁多，可按其使用温度的高低划分为低温(200 ℃以下)、中温(200 ℃～500 ℃)和高温(500 ℃以上)三大类。目前以200 ℃以下的低温热利用发展最快，应用面最广，取得了显著节能和环境效益，并已不断开发而形成一定规模产业。如一般生活单位利用各式太阳能热水器供热采暖，游泳池利用太阳能加温过冬，因为中、高温应用的技术很复杂，高标准的材料和加工技术要求以及收益太少等情况，大多数的应用仍处于研究阶段。

太阳能作为现代社会的一种清洁能源，也有其独特的优点：

1)取之不尽，用之不竭。每年到达整个地球表面的太阳辐射能的总量约为6×107kWh，可持续数10亿年。

2)太阳能是可再生的且使用后不产生也不残留任何污染的最洁净能源。

3)太阳能是遍布全球、遍地皆是的不受任何集团或国家垄断的自然资源。

4)太阳能产品如太阳能热水器不像燃气热水器和电热水器那样存在中毒、爆炸甚至致人伤亡的事故等隐患，它是最安全、卫生的环保产品。

其局限性：

1)分散性：主要表现在能量密度低，即使在太阳能资源较丰富地区，地面上接收到太阳辐射量也小于1 kW/m2，因而若要获得较大能量，集热器采光面积必须要相当大。若要获得较高能量密度，必须要聚光。

2)间歇性：由于气候变化，如阴天下雨时，太阳辐射能量甚微。若要连续利用太阳能，必需要考虑能量贮存，或利用常规能源制作辅助装置。

3)变化性：地球昼夜及季节的变化，使太阳能量成为一个变化的数值。若要充分利用太阳能，尤其是高温利用时，必需要考虑自动跟踪等问题。

所以在太阳能利用过程中，为了更好地扬长避短，往往采取以太阳能为主，常规能源为辅，二者相结合。如集体用太阳能热水系统，设有定时自动辅助电加热装置或定时自动燃油(气)热水炉或热泵设备，既可满足用户需求，又获得显著的经济效益和社会效益。

确定太阳能集热器总面积应符合下列规定。

直接系统集热器总面积应按下式计算[1]：

其中，Ac为直接系统集热器总面积，m2；QH为建筑物耗热量，W；JT为当地集热器采光面上的平均日太阳辐照量；f为太阳能保证率，%；ηcd为基于总面积的集热器平均集热效率，%；ηL为管路及贮热装置热损失率，%。

2 地热直接利用——地源热泵供热

我国地热资源丰富，据十年前的统计，已发现的地热露头点就已达2 500余处，全年天然放热量可达4.399×1018kJ，约合1 500亿t标煤/年。我国地热资源总量虽然不少，但是98%以上都是105 ℃以下的中低温热水型的资源，高温资源甚少。量大而温度低，这是我国地热资源的第一个特点；另一个特点是，这些地热资源大都不是在深山老林人迹罕见之处，而是离主干线公路、铁路不远，交通比较方便，离人口稠密区不远(或就在其中)，易于开发。

地源热泵系统主要可以分三种：土壤源地埋管系统，此系统是通过土壤耦合地热交换器来实现地热利用，土壤交换器可根据埋管方式的不同分为水平、竖直和螺旋形埋管，水平埋管施工方便造价低，但换热效果差，受地面温度波动影响大，且占地面积较大，竖直和螺旋埋管占地面积小，可利用的土壤温度，在全年范围内都相对稳定，如此一来热泵的运行也会稳定，但缺点就是初投资比较大；地下水地源热泵、地表水地源热泵，此二者分为开式和闭式两种系统，顾名思义，开式系统是将地下水抽取直接供应于供暖系统，但容易腐蚀管路，闭式系统是通过板式换热器与地下水换热，但是换热效果有所降低，地表与地下的区别是地下水温度恒定，地表水温度容易受到环境温度和水深等因素的影响。因此由于我国人口众多、人均居住面积小，所以目前我国采用较多的是第一种土壤源竖直埋管地源热泵系统。

虽然经过了几十年的应用与研究，但是我国的地源热泵技术还尚未达到完全成熟的水平。在目前的一些文献中，可以参考的地源热泵竖直地埋管换热量的计算途径有很多，但在2009版地源热泵设计技术规范中附录B所列举的方法无疑是最权威的，并且王海涛，郑德录等人将规范的方法结合工程实际进行了针对性的研究，给出了地埋管换热器每米换热量的计算方法，本文予以借鉴采用。

供热工况下，单位孔深换热量可按如下公式计算[3]：

其中，qh为供热工况下单位孔深换热量，W/m；tf为供热工况下，地埋管换热器中传热介质的设计平均温度，通常取-2 ℃～5 ℃；Fh为供热运行份额；Th1为机组供热运行小时数，取最冷月份水源热泵机组的运行小时数；Th2为一个供热季的小时数，取最冷月份的小时数。

3 太阳能辅助地源热泵

太阳能辅助地源热泵见图1。

夏季热泵的运行模式：蒸发器使冷水回水放热，再使土壤吸收通过地埋管传递出来的热量。冬季制热泵的运行模式：冷凝器使热水回水吸热，再从土壤吸收通过地埋管传递出来的热量。如若制热工况下，地埋管入口(位于蒸发器侧)的温度过低时，就会启动太阳能集热系统。

图1所述的系统，若想实现辅助功能，可以调节蓄热水箱上的阀门，具体的实现方式有2种：一是使太阳能集热器又集热又辅助供热；另一种是太阳能集热器先集热，储存了一定量之后再辅助。前者实现方法是，阀门1打开，阀门2关闭；后者的实现方式是阀门2打开，阀门1关闭。如此一来，单独的地源热泵系统运行所产生的区域岩土温度持续波动现象可以得到有效解决。

4 结语

1)太阳能与地源热泵都是可再生、无污染的能源利用技术，如果将两种系统独立使用，都会在某方面有些局限性，将二者联合使用，系统性能就会增强，还可以实现运行模式多样化，有利于节能，有助于生态系统稳定。

2)太阳能地源热泵联合应用系统的工程设计，必须采用与结合当地采暖空调的运行方案，也就是依据当地的太阳能辐照状况和当地的岩土热物性，对联合系统的设备部件进行能量平衡的分析计算，使设计合理经济。