王海燕

（河北工程大學建筑學院，河北 邯鄲 056038）

太陽能-地源熱泵采暖系統(tǒng)在寒冷地區(qū)辦公建筑中的應用

王海燕

（河北工程大學建筑學院，河北 邯鄲 056038）

在當今世界能源緊缺、生態(tài)環(huán)境日益惡化的情況下，人們越來越重視新型可再生能源的開發(fā)與利用，太陽能和地熱能作為高效、清潔、環(huán)保的可再生能源被廣泛應用于建筑領域。文章闡述了寒冷地區(qū)太陽能資源的利用條件，在分析太陽能和地熱能各自優(yōu)缺點的基礎上，指出了太陽能-地源熱泵復合采暖系統(tǒng)在供暖穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢，探討了太陽能-地源熱泵復合采暖技術作為一種新型建筑節(jié)能技術，在寒冷地區(qū)辦公建筑中的應用問題。

太陽能；地源熱泵；復合采暖系統(tǒng)；辦公建筑；建筑節(jié)能

隨著國民經濟的不斷發(fā)展，能源需求量日益增加，大量使用常規(guī)能源勢必會對環(huán)境產生不良影響，同時導致能源匱乏。新型可再生能源的開發(fā)利用，可以降低常規(guī)能源的消耗，使常規(guī)能源更加合理有效地利用，同時可以改善由于常規(guī)能源消耗而導致的環(huán)境問題，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

建筑能耗占社會總能耗的30%左右，其中供熱采暖能耗占了相當的比例，利用可再生能源來滿足建筑物供熱采暖的能耗要求具有巨大的節(jié)能效益，同時可以有效減少CO2和SO2的排放，有利于緩解氣候變暖和改善地區(qū)環(huán)境。太陽能和地熱能作為可再生能源，在建筑領域的能源利用方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 寒冷地區(qū)太陽能資源的利用條件

根據國家標準《民用建筑熱工設計規(guī)范》，我國的建筑熱工設計分區(qū)分為嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)，如圖1所示。按照我國熱工設計分區(qū)及設計要求，最冷月平均溫度在0～10℃且日平均溫度≤5℃天數在90～ 145天的地區(qū)都屬于寒冷地區(qū)的范圍，其中山西南部、河南大部分及安徽、山東、陜西、江蘇部分地區(qū)屬太陽能資源三類地區(qū)，山西北部、河北北部、北京、天津、山東西北部、陜北、甘肅東部及甘肅南部屬太陽能資源二類地區(qū)，新疆南部及西藏大部分地區(qū)屬太陽能資源一類地區(qū)，這些地區(qū)太陽能資源較為豐富，全年日照時數在2 200h以上，具有很大的開發(fā)潛力，有利于推廣太陽能資源利用。

圖1 我國的建筑熱工設計分區(qū)[1]

2 采暖系統(tǒng)的熱源分析

寒冷地區(qū)辦公建筑采暖系統(tǒng)中應用最為廣泛的熱源主要是供熱鍋爐和熱電廠，然而這兩種熱源在供暖過程中消耗的均為不可再生能源，勢必加劇能源供應的緊張局勢，同時對環(huán)境造成不利影響。因此，推廣以太陽能、地熱能等可再生能源為熱源的采暖系統(tǒng)對促進寒冷地區(qū)辦公建筑的節(jié)能減排具有十分重要的意義。

2.1 太陽能作為采暖系統(tǒng)熱源的優(yōu)缺點

太陽能采暖技術是可再生能源利用的主要應用方向之一。太陽能具有高效、清潔、環(huán)保、永不枯竭等優(yōu)點，但由于受緯度、海拔高度、季節(jié)、晝夜等自然條件和陰雨天氣等隨機因素的影響，太陽能具有一定的間歇性和不穩(wěn)定性。因此，單一的太陽能采暖裝置很難滿足寒冷地區(qū)辦公建筑的供暖需求，配置高效、環(huán)保的輔助熱源十分必要。

2.2 地源熱泵作為采暖系統(tǒng)熱源的優(yōu)缺點

地源熱泵采暖技術是利用地熱能進行供暖，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、運行穩(wěn)定等優(yōu)勢，然而由于地源熱泵長期連續(xù)取熱或蓄熱，將會使地下溫度場遭到破壞，長期得不到有效恢復，造成土壤溫度不斷降低或升高，從而降低了熱泵機組的COP值，使熱泵的運行情況不穩(wěn)定。因此，利用地源熱泵采暖技術對建筑物進行采暖往往也需要輔助熱源進行配合。

2.3 太陽能-地源熱泵復合采暖系統(tǒng)的優(yōu)勢

鑒于前面兩種技術的優(yōu)勢和局限性，將二者結合起來使用，即形成太陽能-地源熱泵復合采暖系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理：冬季通過太陽能集熱器收集太陽輻射熱量，利用熱泵機組從地源吸收熱量，將兩種能源結合起來，提高建筑物供暖需要的溫度；夏季將太陽能集熱器收集的太陽輻射熱量和熱泵機組從室內吸收的熱量一起釋放到地源中貯存起來，這樣既可以實現(xiàn)夏季建筑物的空調制冷，又可以實現(xiàn)地源的能量平衡，為冬季取暖提供能源保障。太陽能-地源熱泵復合采暖系統(tǒng)可以在集熱器介質溫度為10～20℃時為建筑物采暖，較普通太陽能采暖系統(tǒng)需要的集熱系統(tǒng)介質溫度低20～30℃，大大降低了集熱器介質的工作溫度，提高了集熱器的效率。在承擔相同熱負荷的情況下，太陽能-地源熱泵復合采暖系統(tǒng)較普通單一太陽能集熱系統(tǒng)所需的集熱面積小很多。太陽能-地源熱泵復合采暖系統(tǒng)的應用，將會更大限度地發(fā)揮太陽能和地熱能各自的優(yōu)越性，同時可以使二者互相彌補不足之處，提高兩種可再生能源的利用率，達到穩(wěn)定供暖的目的。

3 寒冷地區(qū)辦公建筑中太陽能-地源熱泵復合采暖系統(tǒng)的應用

太陽能與熱泵相結合的技術是新能源利用技術發(fā)展的重要組成部分。太陽能-地源熱泵復合采暖系統(tǒng)綜合利用了太陽能和地熱能兩種可再生能源，既克服了太陽能在陰雨天或夜間無法為建筑物供暖的缺點，也解決了地源熱泵系統(tǒng)的地下溫度場熱量不平衡問題。兩種系統(tǒng)的優(yōu)化組合，提高能源的有效利用，與傳統(tǒng)的供熱采暖系統(tǒng)相比，可實現(xiàn)節(jié)能約20%-50%，可以達到良好的節(jié)能環(huán)保及降低運行費用效果。因此太陽能-地源熱泵復合采暖系統(tǒng)是寒冷地區(qū)辦公建筑較為理想的采暖方案之一。

山東德州某三層辦公樓，建筑面積為6 000m2，建筑所需熱負荷為360KW。該辦公樓采用的是太陽能-地源熱泵系統(tǒng)復合供暖系統(tǒng)。該供暖系統(tǒng)在室外溫度較高、采暖負荷較小的情況下，此時經過太陽能加熱過的供水溫度較高，當太陽能系統(tǒng)供水溫度在50℃以上時，利用太陽能系統(tǒng)直接供暖；當太陽能供水溫度低于48℃時而高于40℃時，采用太陽能系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)串聯(lián)運行，將太陽能系統(tǒng)加熱后的水經過地源熱泵再次加熱，使其達到50℃以上后再供給末端。如若太陽能供水溫度低于40℃而高于20℃，則直接將太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)的地下?lián)Q熱器相接，加熱土壤，同時提高熱泵機組蒸發(fā)器側進水溫度，以提高熱泵機組效率。當太陽能供水溫度低于20℃時，則將太陽能系統(tǒng)直接接入熱泵機組蒸發(fā)器側。該供暖系統(tǒng)由于有太陽能作為輔助熱源，使得地源熱泵機組的COP值較高，提高了可再生能源的利用效率。該項供暖工程于2008年10月開始供暖，供暖系統(tǒng)運行穩(wěn)定，供暖效果良好。

4 結束語

太陽能-地源熱泵復合采暖系統(tǒng)作為一種節(jié)能、環(huán)保的供暖方式，它的應用有利于我國能源的有效利用和可持續(xù)發(fā)展。目前國內太陽能-地源熱泵復合采暖系統(tǒng)還未廣泛應用到實際工程項目中，但現(xiàn)有的太陽能-地源熱泵復合采暖系統(tǒng)的工程實踐證明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，采暖效果良好。而且克服了太陽能采暖系統(tǒng)和地源熱泵采暖系統(tǒng)各自的局限性，因此太陽能-地源熱泵復

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