杜松++石文鳳++許昌錦

【摘要】通過太陽能-地源熱泵耦合系統(tǒng)聯(lián)合運行優(yōu)點的闡述，結(jié)合貴州地區(qū)太陽能資源利用情況及地質(zhì)、氣候特征，分析太陽能-地源熱泵耦合系統(tǒng)在貴州地區(qū)的運行模式及可行性，表明該新型能源系統(tǒng)在貴州地區(qū)聯(lián)合運行及經(jīng)濟性是可行性，需考慮系統(tǒng)配合優(yōu)化及控制策略，建議進一步深入研究。

【關(guān)鍵詞】太陽能；地源熱泵；耦合系統(tǒng)；運行模式

1. 引言

（1）由于我國的地理位置和氣候特點，大部分建筑都需要選用供熱空調(diào)系統(tǒng)，同時隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，采暖空調(diào)系統(tǒng)的使用范圍逐步擴大，人們也常提到的“采暖南下，空調(diào)北上”?；趯δ茉春铜h(huán)保要求，在建筑供暖方面利用可再生且無污染的能源已引起人們高度的重視。太陽能以及地源熱泵系統(tǒng)作為新型可再生能源、綠色能源，在國家政策大力扶持、房地產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展、居民生活水平逐步提高的今天，得到了巨大的推廣和發(fā)展。

（2）貴州位于我國亞熱帶西部，云貴高原斜坡上，屬于亞熱帶季風氣候，貴州相關(guān)城市的氣象數(shù)據(jù)顯示，貴陽、威寧、三穗、興義等大部分地區(qū)夏季空調(diào)度日數(shù)均小于20CDD26（℃·d），甚至為0CDD26（℃·d），而冬季采暖度日數(shù)大于1400HDD18（℃·d），冬季采暖負荷遠大于夏季空調(diào)負荷，在建筑中應用土壤源熱泵系統(tǒng)存在嚴重的冷熱不平衡問題，引起機組能效降低，為解決冷熱不平衡問題，作為可再生清潔能源的太陽能當然就成為輔助熱源的首選，以太陽能-地源熱泵復合系統(tǒng)存在，本文就貴州地區(qū)特殊的氣候特征，淺談太陽能-地源熱泵耦合系統(tǒng)的最佳供暖運行模式。

2. 太陽能-地源熱泵復合系統(tǒng)特點

（1）我國地域廣闊蘊藏著豐富的淺層地能資源和太陽能資源，所以地源熱泵、太陽能系統(tǒng)在建筑中的應用是綜合利用可再生能源、走可持續(xù)發(fā)展道路成熟而有效的手段。既節(jié)約了能源又保護了環(huán)境，符合國家資源和環(huán)境戰(zhàn)略。

（2）地下巖土是一個巨大的天然集熱器，收集了約47%的太陽輻射能量，地下溫度相對穩(wěn)定全年波動較小，不受季節(jié)影響，地埋管（土壤源）地源熱泵系統(tǒng)正是以地表以下200m范圍內(nèi)的巖土作為熱泵系統(tǒng)的冷熱源，利用地下巖土層全年溫度恒定的特點及其巨大的蓄熱容量，實現(xiàn)對建筑物全年的供熱和空調(diào)，同時可以供應生活熱水。在這種情況下，很多情況下地埋管換熱器全年冷熱負荷是不平衡，尤其是在“爽爽的貴陽”，夏季基本不需要制冷，冬季又有較長的制熱工況，在一個運行周期中，為保持土壤溫度相對初始溫度有較小的降低，維持地源熱泵系統(tǒng)長期高效運行，必須有合適的熱量對地熱換熱器進行補充。

（3）在我國國土總面積2/3以上的地區(qū)，太陽年日照時間大于2000h，最高可達2800h～3300h，太陽能作為一種清潔能源，在我國得到了巨大的推廣應用。但受集熱器集熱效率、太陽輻射強度影響，太陽能能流密度低，因時而變，且具有間歇性和不穩(wěn)定性，如果遇上連續(xù)的陰雨天氣，太陽能供應就會中斷，運行不穩(wěn)定，若長期運行必須靠輔助熱源，因此太陽能系統(tǒng)通常也需要備用能源系統(tǒng)，常用能源系統(tǒng)主要是空氣源熱泵。

（4）為克服太陽能、地源熱泵各自獨立運行存在一定技術(shù)瓶頸，更好地利用地源熱泵和太陽能熱利用這兩種可再生能源技術(shù)，有機結(jié)合的地源熱泵和太陽能復合能源系統(tǒng)應運而生。地源熱泵與太陽能結(jié)合，既可以克服地源熱泵系統(tǒng)冷熱負荷不平衡而造成土壤溫度不斷降低，又可以克服太陽輻射受晝夜、季節(jié)、緯度和海拔高度等自然條件限制和陰雨天氣等隨機因素影響。因此，地源熱泵與太陽能結(jié)合的復合能源系統(tǒng)可以集中兩種可再生能源優(yōu)點，同時相互彌補各自不足，是很有潛力的可再生能源建筑應用新技術(shù)。

（5）雖然貴州喀斯特地區(qū)地形復雜，應用難度大，但隨著可再生能源、清潔能源的不斷推進，節(jié)能意識的提高，土壤源熱泵應用項目越來越多，較為典型的是貴州財經(jīng)大學新校區(qū)應用項目，大部分項目安裝的輔助熱源為太陽能。但貴州省屬我國太陽能資源第V類地區(qū)，太陽能總輻射量在3149-4594MJ/（M2.a）之間，大部分屬太陽能貧乏地區(qū)，其中西北部的黔西南州、六盤水市和畢節(jié)地區(qū)相對輻射量大，屬于III類太陽能較富地區(qū)，其他部分城市如貴陽等屬于IV類太陽能一般地區(qū)。面對復合新能源系統(tǒng)的初投資偏高，太陽能資源貧乏問題，如何高效運用太陽能-地源熱泵耦合系統(tǒng)，值得探討。

3、耦合系統(tǒng)聯(lián)合運行原則

太陽能-地源熱泵耦合系統(tǒng)的一般設置如圖1所示，為獲得更好的經(jīng)濟效益和更好節(jié)約能源，聯(lián)合運行中，應該遵循以下技術(shù)原則：

圖1地源熱泵與太陽能復合系統(tǒng)示意圖（1）太陽能熱利用在一次性投入后，運行階段完全是免費的，在利用過程中，僅消耗水泵能耗，運行費用低，應最大限度利用太陽能，尤其是夏季，可以提供免費的生活熱水。

（2）在太陽能充足熱水富余、不開啟空調(diào)的過渡季節(jié)，應將太陽能多余的熱量儲存起來，供冬季供熱，陰雨天也可以利用地源熱泵輔助太陽能系統(tǒng)加熱生活熱水，不僅可以綜合利用太陽能，又避免太陽能集熱器空曬，增加集熱系統(tǒng)壽命，解決因地源熱泵周期性制熱引起的土壤溫度降低帶來的不平衡問題。

（3）太陽能、地源熱泵目前初投資較高，在保證系統(tǒng)正常安全運行前提下，應綜合考慮裝機容量、空調(diào)末端形式，減少系統(tǒng)投資，獲得最大節(jié)能效果。

4. 耦合系統(tǒng)聯(lián)合運行方式

4.1根據(jù)上述技術(shù)原則，為達到最佳運行效果，在滿足夏季生活熱水供應的集熱板安裝面積下，冬季太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運行，應以地源熱泵為主，太陽能為輔助熱源，但在控制上要優(yōu)先充分采用太陽能。

4.2根據(jù)貴州地區(qū)太陽能可再生能源示范項目測評結(jié)果的統(tǒng)計，對滿足夏季熱水供應的太陽能集熱系統(tǒng)，夏季最低平均供水溫度為48.2℃，最高溫度可達80℃；過渡季節(jié)最低平均供水溫度為38℃，最高可達70℃；冬季太陽能系統(tǒng)供水平均溫度為24.4℃，單位面積太陽能集熱器造價為1500～2500元/m2。由于貴州大部分地區(qū)由地源熱泵系統(tǒng)提供的熱量遠大于提供空調(diào)熱量，需要太陽能輔助系統(tǒng)保持土壤溫度平衡，結(jié)合太陽能熱水系統(tǒng)實際效果，耦合系統(tǒng)聯(lián)合運行方式可考慮以下方式：

（1）夏季太陽能系統(tǒng)直接通過生活熱水，地源熱泵系統(tǒng)提供空調(diào)冷源，兩系統(tǒng)獨立運行。

（2）過渡季節(jié)，空調(diào)系統(tǒng)不啟動，在保證50℃的生活熱水供應的條件下，多余的熱量用于加熱地埋管換熱器，提升熱泵機組冷凝器溫度；陰雨天無法保證生活熱水時利用地源熱泵輔助太陽能系統(tǒng)加熱生活熱水，保證熱水供應。

（3）冬季，太陽能平均供水溫度為24.4℃，不能直接利用，但高于熱泵機組地源測進水溫度，可以將熱量轉(zhuǎn)化后進入熱泵機組，由熱泵系統(tǒng)提供供暖及生活熱水。

4.3參照文件[1]的研究結(jié)論，太陽能系統(tǒng)初投資超過4500元/m？集熱器時，太陽能有效使用的節(jié)省費用不足以抵消太陽能系統(tǒng)增加的初投資，基本不需要設置太陽能系統(tǒng)。從太陽能系統(tǒng)造價及運行方式看，太陽能-地源熱泵耦合系統(tǒng)在貴州地區(qū)的季節(jié)性蓄熱及聯(lián)合運行是可行的。

5. 存在的問題

太陽能-地源熱泵耦合系統(tǒng)季節(jié)性蓄熱及聯(lián)合運行在貴州地區(qū)也存在以下問題：

（1）以貴州高原為中心的西南喀斯特地區(qū)是世界上面積最大、最集中連片的喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)，喀斯特與非喀斯特地貌相互穿插，犬牙交錯，巖溶地貌發(fā)育非常典型，地質(zhì)條件較為復雜，地下溶洞較多，增加太陽能季節(jié)性蓄熱作為輔助熱源，系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性有待于進一步驗證。

（2）在極端天氣條件下，太陽能熱水系統(tǒng)供水溫度低于15℃時，無法加熱地埋管換熱器及機組地源測進水，需停止太陽能系統(tǒng)輔熱，僅運行地源熱泵系統(tǒng)。

（3）太陽能系統(tǒng)及地源熱泵系統(tǒng)初投資較高，目前尚無太陽能-地源熱泵耦合系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)指導意見，需綜合考慮地區(qū)太陽能資源和土壤的熱物性條件、建筑熱負荷等因素，結(jié)合控制策略，優(yōu)化系統(tǒng)配置，減少太陽能系統(tǒng)或地源熱泵配置，降低初投資。

6. 結(jié)束語

（1）通過太陽能-地源熱泵耦合系統(tǒng)聯(lián)合運行模式和經(jīng)濟技術(shù)分析，該能源耦合系統(tǒng)在貴州地區(qū)的利用理論上是可行的。

（2）地源熱泵與太陽能復合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，初投資高，其經(jīng)濟性受諸多因素影響，需要系統(tǒng)優(yōu)化來實現(xiàn)最佳系統(tǒng)配置，通過控制策略降低運行成本。

（3）面對新型能源系統(tǒng)在貴州地區(qū)推廣及筆者提出的問題，該能源系統(tǒng)值得深入研究。

參考文獻

[1]徐偉等.地源熱泵技術(shù)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.