徐子龍 程鵬月 任佳藝 劉 錦 趙 琦

(河北建筑工程學院,河北 張家口 075000)

隨著可再生能源供熱技術的發(fā)展，其應用范圍不斷擴大。我們現(xiàn)在急切需要提高利用可再生能源供熱的技術，也應該進一步使規(guī)?；瘧梅€(wěn)定，這樣才能實現(xiàn)我國能源結構的調整和能源消費總量的控制，進而可以持續(xù)性的利用能源。迅速發(fā)展的太陽能與地源熱泵技術是一項多用途、清潔、高效節(jié)能而且可持續(xù)發(fā)展的能源利用技術，其二者組合應用可以用于夏季空調制冷，冬季采暖和熱水供應，用熱回收技術。可以同時實現(xiàn)制冷和制熱，在建筑能源利用中，具有廣闊的運用前景。

1 太陽能熱利用

太陽能利用技術從能量轉換方式來分，有三種方式：即光熱轉換、光電轉換和光化學轉換。其中應用最廣的是光熱轉換技術。它是將太陽輻射能轉換成熱能加以利用的技術。吸熱體吸收太陽輻射后提升溫度，再通過傳熱工質把得到的熱量轉移，再得到利用。一般情況下物體吸收的太陽輻射范圍是從紫外區(qū)到紅外區(qū)，但是利用價值最大的一部分是近紅外光區(qū)和可見光區(qū)，其波長是0.4 μm～1.9 μm。一般的太陽能利用系統(tǒng)由兩部分組成，一種是光熱轉換，大多是各種各樣的太陽集熱器；另一種是熱能利用，大多是各種用熱裝置，都是根據(jù)具體的使用要求而設計的。光熱利用種類繁多，可按其使用溫度的高低劃分為低溫(200 ℃以下)、中溫(200 ℃～500 ℃)和高溫(500 ℃以上)三大類。目前以200 ℃以下的低溫熱利用發(fā)展最快，應用面最廣，取得了顯著節(jié)能和環(huán)境效益，并已不斷開發(fā)而形成一定規(guī)模產(chǎn)業(yè)。如一般生活單位利用各式太陽能熱水器供熱采暖，游泳池利用太陽能加溫過冬，因為中、高溫應用的技術很復雜，高標準的材料和加工技術要求以及收益太少等情況，大多數(shù)的應用仍處于研究階段。

太陽能作為現(xiàn)代社會的一種清潔能源，也有其獨特的優(yōu)點：

1)取之不盡，用之不竭。每年到達整個地球表面的太陽輻射能的總量約為6×107kWh，可持續(xù)數(shù)10億年。

2)太陽能是可再生的且使用后不產(chǎn)生也不殘留任何污染的最潔凈能源。

3)太陽能是遍布全球、遍地皆是的不受任何集團或國家壟斷的自然資源。

4)太陽能產(chǎn)品如太陽能熱水器不像燃氣熱水器和電熱水器那樣存在中毒、爆炸甚至致人傷亡的事故等隱患，它是最安全、衛(wèi)生的環(huán)保產(chǎn)品。

其局限性：

1)分散性：主要表現(xiàn)在能量密度低，即使在太陽能資源較豐富地區(qū)，地面上接收到太陽輻射量也小于1 kW/m2，因而若要獲得較大能量，集熱器采光面積必須要相當大。若要獲得較高能量密度，必須要聚光。

2)間歇性：由于氣候變化，如陰天下雨時，太陽輻射能量甚微。若要連續(xù)利用太陽能，必需要考慮能量貯存，或利用常規(guī)能源制作輔助裝置。

3)變化性：地球晝夜及季節(jié)的變化，使太陽能量成為一個變化的數(shù)值。若要充分利用太陽能，尤其是高溫利用時，必需要考慮自動跟蹤等問題。

所以在太陽能利用過程中，為了更好地揚長避短，往往采取以太陽能為主，常規(guī)能源為輔，二者相結合。如集體用太陽能熱水系統(tǒng)，設有定時自動輔助電加熱裝置或定時自動燃油(氣)熱水爐或熱泵設備，既可滿足用戶需求，又獲得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

確定太陽能集熱器總面積應符合下列規(guī)定。

直接系統(tǒng)集熱器總面積應按下式計算[1]：

其中，Ac為直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；QH為建筑物耗熱量，W；JT為當?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系钠骄仗栞椪樟浚籪為太陽能保證率，%；ηcd為基于總面積的集熱器平均集熱效率，%；ηL為管路及貯熱裝置熱損失率，%。

2 地熱直接利用——地源熱泵供熱

我國地熱資源豐富，據(jù)十年前的統(tǒng)計，已發(fā)現(xiàn)的地熱露頭點就已達2 500余處，全年天然放熱量可達4.399×1018kJ，約合1 500億t標煤/年。我國地熱資源總量雖然不少，但是98%以上都是105 ℃以下的中低溫熱水型的資源，高溫資源甚少。量大而溫度低，這是我國地熱資源的第一個特點；另一個特點是，這些地熱資源大都不是在深山老林人跡罕見之處，而是離主干線公路、鐵路不遠，交通比較方便，離人口稠密區(qū)不遠(或就在其中)，易于開發(fā)。

地源熱泵系統(tǒng)主要可以分三種：土壤源地埋管系統(tǒng)，此系統(tǒng)是通過土壤耦合地熱交換器來實現(xiàn)地熱利用，土壤交換器可根據(jù)埋管方式的不同分為水平、豎直和螺旋形埋管，水平埋管施工方便造價低，但換熱效果差，受地面溫度波動影響大，且占地面積較大，豎直和螺旋埋管占地面積小，可利用的土壤溫度，在全年范圍內都相對穩(wěn)定，如此一來熱泵的運行也會穩(wěn)定，但缺點就是初投資比較大；地下水地源熱泵、地表水地源熱泵，此二者分為開式和閉式兩種系統(tǒng)，顧名思義，開式系統(tǒng)是將地下水抽取直接供應于供暖系統(tǒng)，但容易腐蝕管路，閉式系統(tǒng)是通過板式換熱器與地下水換熱，但是換熱效果有所降低，地表與地下的區(qū)別是地下水溫度恒定，地表水溫度容易受到環(huán)境溫度和水深等因素的影響。因此由于我國人口眾多、人均居住面積小，所以目前我國采用較多的是第一種土壤源豎直埋管地源熱泵系統(tǒng)。

雖然經(jīng)過了幾十年的應用與研究，但是我國的地源熱泵技術還尚未達到完全成熟的水平。在目前的一些文獻中，可以參考的地源熱泵豎直地埋管換熱量的計算途徑有很多，但在2009版地源熱泵設計技術規(guī)范中附錄B所列舉的方法無疑是最權威的，并且王海濤，鄭德錄等人將規(guī)范的方法結合工程實際進行了針對性的研究，給出了地埋管換熱器每米換熱量的計算方法，本文予以借鑒采用。

供熱工況下，單位孔深換熱量可按如下公式計算[3]：

其中，qh為供熱工況下單位孔深換熱量，W/m；tf為供熱工況下，地埋管換熱器中傳熱介質的設計平均溫度，通常取-2 ℃～5 ℃；Fh為供熱運行份額；Th1為機組供熱運行小時數(shù)，取最冷月份水源熱泵機組的運行小時數(shù)；Th2為一個供熱季的小時數(shù)，取最冷月份的小時數(shù)。

3 太陽能輔助地源熱泵

太陽能輔助地源熱泵見圖1。

夏季熱泵的運行模式：蒸發(fā)器使冷水回水放熱，再使土壤吸收通過地埋管傳遞出來的熱量。冬季制熱泵的運行模式：冷凝器使熱水回水吸熱，再從土壤吸收通過地埋管傳遞出來的熱量。如若制熱工況下，地埋管入口(位于蒸發(fā)器側)的溫度過低時，就會啟動太陽能集熱系統(tǒng)。

圖1所述的系統(tǒng)，若想實現(xiàn)輔助功能，可以調節(jié)蓄熱水箱上的閥門，具體的實現(xiàn)方式有2種：一是使太陽能集熱器又集熱又輔助供熱；另一種是太陽能集熱器先集熱，儲存了一定量之后再輔助。前者實現(xiàn)方法是，閥門1打開，閥門2關閉；后者的實現(xiàn)方式是閥門2打開，閥門1關閉。如此一來，單獨的地源熱泵系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的區(qū)域巖土溫度持續(xù)波動現(xiàn)象可以得到有效解決。

4 結語

1)太陽能與地源熱泵都是可再生、無污染的能源利用技術，如果將兩種系統(tǒng)獨立使用，都會在某方面有些局限性，將二者聯(lián)合使用，系統(tǒng)性能就會增強，還可以實現(xiàn)運行模式多樣化，有利于節(jié)能，有助于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。

2)太陽能地源熱泵聯(lián)合應用系統(tǒng)的工程設計，必須采用與結合當?shù)夭膳照{的運行方案，也就是依據(jù)當?shù)氐奶柲茌椪諣顩r和當?shù)氐膸r土熱物性，對聯(lián)合系統(tǒng)的設備部件進行能量平衡的分析計算，使設計合理經(jīng)濟。