一種新型的太陽能與地源熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)

1、20制冷與空調(diào)2007年第1期一種新型的太陽能與地源熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)秘文濤?張建一陳天及張艷(上海水產(chǎn)大學(xué)食品學(xué)院，上海200090；集美大學(xué)機械工程學(xué)院，福建廈門361021；華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海200237)【摘要】本文分析了太陽能與地源熱泵的技術(shù)優(yōu)點及存在的問題，針對目前常規(guī)太陽能與地源熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)的缺陷，構(gòu)思出了一套以生態(tài)理念構(gòu)建的復(fù)合式新型能源系統(tǒng)。進(jìn)而論述了該新型能源系統(tǒng)的工作方式，并闡述了該新系統(tǒng)的技術(shù)

2、經(jīng)濟(jì)性。最后指出研究及開發(fā)中存在的問題，展望了其應(yīng)用前景?！娟P(guān)鍵詞】太陽能；地源熱泵；供熱制冷；吸收式制冷ANoveltySystemCombinedSolarEnergywiththeGroundSourceHeatPumpMiWentaoZhangJianyiChenTianjiZhangYan(CollegeofFoodScience，ShanghaiFisheriesUniversity，Shanghai200090，China

3、；CollegeofMechanicalEngineering，JimeiUniversity，Xiamen361020，China；CollegeofMechanicalPowerEngineering，EastChinaUniversityofScienceTechnology，Shanghai200237，China)【Abstract】IndertoeliminatetheshtcomingsoftheconventionalS

4、olarGroundSourceHeatPumpacombinedenergysystemisdesignedbasedonthefundamentalofcompatibleenvironmentbefeanalyzingtheirrespectivetechnicaladvantagesexistingproblemsfthesolarenergygroundsourceheatpump.Thenthewkingmodesecono

5、micanalysisofthenewsystemareillustrated.Finallyitsprimaryexistingproblemsarepointedoutthedevelopingprospectisalsoelabated.【Keywds】SolarenergyGroundsourceheatpumpHeatingcoolingAbsptionrefrigeration?秘文濤，男，1981年出生，上海水產(chǎn)大學(xué)在讀碩

6、士，研究方向：制冷空調(diào)及化工設(shè)備的節(jié)能。1引言太陽能是一種取之不盡、用之不竭的綠色能源。在太陽輻射條件良好的情況下，以太陽能作為蒸發(fā)器熱源的熱泵系統(tǒng)可以獲得比空氣源熱泵更高的蒸發(fā)溫度，其系統(tǒng)的供熱性能系數(shù)（COP）可達(dá)4以上。此外，在太陽能吸收式制冷系統(tǒng)中，以太陽能為驅(qū)動熱源，不僅可以減小常規(guī)能源的消耗。而且還可以減輕由于采用氟利昂等人工合成工質(zhì)而引發(fā)的地球溫室效應(yīng)和對大氣臭氧層的破壞。但是太陽能有兩個嚴(yán)重不足：一是能流密度低；二是其強

7、度受各種因素的影響不能維持常量，這兩大缺點大大限制了太陽能的有效利用。地源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源的高效節(jié)能環(huán)保型能源利用技術(shù)。通過輸入少量的高品位電能，即可實現(xiàn)能量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移。冬季它可代替鍋爐把地能中的低品位能“取”出，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季則把室內(nèi)的熱量“取”出，釋放到地能中去[1]。但是地源熱泵長期運行將會使土壤溫度場得不到有效恢復(fù)，蒸發(fā)溫度及冷凝溫度波動較大，熱泵機組運行效率較低。因此，如果能將太陽

8、能與地源熱泵構(gòu)建在一起，“取長補短，合理補給”，設(shè)計出一套復(fù)合式新型供熱制冷系統(tǒng)，那么該新型的能源供給系統(tǒng)不僅將具有各自所特有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的特性，還將具有明顯的節(jié)能潛力。2太陽能與地源熱泵聯(lián)合運行新系統(tǒng)設(shè)計2.1設(shè)計思路目前，常規(guī)的太陽能與地源熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)多設(shè)計成夏季采用地源熱泵系統(tǒng)制冷，冬季采用太陽能熱泵與地源熱泵聯(lián)合供熱。但是在我國的南方地區(qū)，建筑物夏季所需冷負(fù)荷要遠(yuǎn)大于冬季所需熱負(fù)荷，而熱泵機組又往往都是制熱量大于制冷量22制冷

9、與空調(diào)2007年第1期在冬季，太陽輻射強度逐漸降低，集熱器的集熱量和集熱效率較低，而建筑物熱負(fù)荷需求較大。如果單獨采用太陽能熱泵供熱，所能提供的熱量不能滿足建筑物的熱負(fù)荷需求；若單獨采用地源熱泵供熱，地?zé)釗Q熱器經(jīng)過長期的運行，土壤溫度場得不到有效恢復(fù)，地溫會隨之不斷降低，熱泵機組的制熱系數(shù)會不斷下降。因此，可以將太陽能熱泵與地源熱泵聯(lián)合運行，這樣就可實現(xiàn)地?zé)釗Q熱器的間歇運行，地溫波動較小，保證了熱泵機組的平穩(wěn)運行。太陽能與地源熱泵聯(lián)合供

10、熱流程圖如圖3所示[6]，由太陽能集熱器、地?zé)釗Q熱器、熱泵機組和室內(nèi)供熱系統(tǒng)組成。圖3太陽能熱泵與地源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)流程圖該聯(lián)合運行供熱系統(tǒng)包含四套循環(huán)：a)太陽能熱水循環(huán)。太陽能集熱器中的水將太陽能吸收，升高到一定溫度后存儲在熱水箱里，作為蒸發(fā)器的熱源使用。b)地?zé)釗Q熱器水循環(huán)。水通過在地?zé)釗Q熱器中的循環(huán)，將地?zé)崮芪眨谡舭l(fā)器中將熱量傳遞給制冷劑。c)制冷劑循環(huán)。熱泵中的制冷劑在蒸發(fā)器中將太陽能和地?zé)崮芪?，將熱量傳遞給冷凝器。d

11、)室內(nèi)水循環(huán)。通過水的循環(huán)將熱量傳遞到室內(nèi)，供采暖使用。經(jīng)過以上四套循環(huán)系統(tǒng)，達(dá)到供熱目的。4新系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析對于太陽能與地源熱泵聯(lián)合供熱模式，土耳其EdgeUniversity的OnderOzgener和ArifHepbasli教授應(yīng)用熱力學(xué)能量平衡的分析方法得出：用于溫室供熱的太陽能與地源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)的COP值大約為2.38，系統(tǒng)的效率約為71.8%[7][8]。國內(nèi)山東建筑工程學(xué)院的方肇洪教授等人對其經(jīng)濟(jì)性也做了詳盡的分

12、析，比較分析得出：如果采用太陽能與地源熱泵聯(lián)合供熱的方案，地?zé)釗Q熱器的設(shè)計可按采暖負(fù)荷的60%設(shè)計[9]，而地?zé)釗Q熱器的投資約占整個地源熱泵系統(tǒng)的24%～26%[10]，因此采用太陽能與地源熱泵聯(lián)合供熱可以大大的節(jié)省地?zé)釗Q熱器和機組的投資。同時，采用太陽能集熱器輔助熱源供熱時，機組的蒸發(fā)溫度提高，使得熱泵壓縮機的耗電量減少，節(jié)省了運行費用。對于太陽能與地源熱泵聯(lián)合制冷模式，目前國內(nèi)外還沒有相關(guān)的學(xué)者對該聯(lián)合運行模式進(jìn)行研究，但對各自單獨

13、運行的研究較多。文獻(xiàn)[11]采用數(shù)值模擬的方法對小型的太陽能輔助的單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的可行性和經(jīng)濟(jì)性作了系統(tǒng)的分析，結(jié)果表明該小型制冷系統(tǒng)比常規(guī)壓縮式制冷系統(tǒng)節(jié)能20%～27%；文獻(xiàn)[12]的研究表明：太陽能單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的COP值約為0.43。雖然其COP值較低，但太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的運行費用只是采用輔助熱源和水泵等所消耗的電能，因此節(jié)能效果明顯。地源熱泵系統(tǒng)在全年的使用過程中能效比在3.3～4.5之間，也就是說每1

14、kWh的熱量輸出，只需要0.22～0.30kWh電量，這比空氣熱源泵高出40%，其運行成本僅是中央空調(diào)系統(tǒng)的50%～60%[13]。因此，太陽能與地源熱泵聯(lián)合制冷可以為用戶節(jié)省電費30%～50%。此外，可充分利用夏天太陽能在制冷和供暖的同時提供生活熱水，為用戶節(jié)省購買空調(diào)和熱水器的費用，同時還減少電費的支出。因此，太陽能與地源熱泵聯(lián)合供熱制冷具有較高的經(jīng)濟(jì)性。5存在的問題在該設(shè)計的聯(lián)合運行新系統(tǒng)中，筆者認(rèn)為還存在以下問題：（1）該系統(tǒng)結(jié)

15、構(gòu)復(fù)雜，初投資較高。系統(tǒng)性能的可靠性、穩(wěn)定性有待于實驗進(jìn)一步驗證。其系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析要根據(jù)各地區(qū)的太陽能資源和土壤的熱物性條件、以及用戶熱負(fù)荷特點等各方面因素綜合考慮。此外該新系統(tǒng)增加投資的回收年限問題還需要具體的示范工程作進(jìn)一步的測算。（2）控制策略問題。本文設(shè)計成夏季太陽能與地源熱泵聯(lián)合供冷模式。但是控制策略不同，運行效果及經(jīng)濟(jì)性也必然不同。因此，夏季聯(lián)合供冷和單獨采用地源熱泵供冷兩種方案的優(yōu)劣，必須針對不同的氣候條件和地質(zhì)條件做出