淺談太陽(yáng)能——地源熱泵耦合系統(tǒng)貴州地區(qū)的應(yīng)用

杜松++石文鳳++許昌錦

【摘要】通過(guò)太陽(yáng)能-地源熱泵耦合系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)點(diǎn)的闡述，結(jié)合貴州地區(qū)太陽(yáng)能資源利用情況及地質(zhì)、氣候特征，分析太陽(yáng)能-地源熱泵耦合系統(tǒng)在貴州地區(qū)的運(yùn)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(yùn)行及經(jīng)濟(jì)性是可行性，需考慮系統(tǒng)配合優(yōu)化及控制策略，建議進(jìn)一步深入研究。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能；地源熱泵；耦合系統(tǒng)；運(yùn)行模式

1. 引言

（1）由于我國(guó)的地理位置和氣候特點(diǎn)，大部分建筑都需要選用供熱空調(diào)系統(tǒng)，同時(shí)隨著經(jīng)濟(jì)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(kuò)大，人們也常提到的“采暖南下，空調(diào)北上”。基于對(duì)能源和環(huán)保要求，在建筑供暖方面利用可再生且無(wú)污染的能源已引起人們高度的重視。太陽(yáng)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(guó)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(guó)亞熱帶西部，云貴高原斜坡上，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，貴州相關(guān)城市的氣象數(shù)據(jù)顯示，貴陽(yáng)、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(fù)荷遠(yuǎn)大于夏季空調(diào)負(fù)荷，在建筑中應(yīng)用土壤源熱泵系統(tǒng)存在嚴(yán)重的冷熱不平衡問(wèn)題，引起機(jī)組能效降低，為解決冷熱不平衡問(wèn)題，作為可再生清潔能源的太陽(yáng)能當(dāng)然就成為輔助熱源的首選，以太陽(yáng)能-地源熱泵復(fù)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(yáng)能-地源熱泵耦合系統(tǒng)的最佳供暖運(yùn)行模式。

2. 太陽(yáng)能-地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）我國(guó)地域廣闊蘊(yùn)藏著豐富的淺層地能資源和太陽(yáng)能資源，所以地源熱泵、太陽(yáng)能系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)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(hù)了環(huán)境，符合國(guó)家資源和環(huán)境戰(zhàn)略。

（2）地下巖土是一個(gè)巨大的天然集熱器，收集了約47%的太陽(yáng)輻射能量，地下溫度相對(duì)穩(wěn)定全年波動(dòng)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(diǎn)及其巨大的蓄熱容量，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物全年的供熱和空調(diào)，同時(shí)可以供應(yīng)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(fù)荷是不平衡，尤其是在“爽爽的貴陽(yáng)”，夏季基本不需要制冷，冬季又有較長(zhǎng)的制熱工況，在一個(gè)運(yùn)行周期中，為保持土壤溫度相對(duì)初始溫度有較小的降低，維持地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期高效運(yùn)行，必須有合適的熱量對(duì)地?zé)釗Q熱器進(jìn)行補(bǔ)充。

（3）在我國(guó)國(guó)土總面積2/3以上的地區(qū)，太陽(yáng)年日照時(shí)間大于2000h，最高可達(dá)2800h～3300h，太陽(yáng)能作為一種清潔能源，在我國(guó)得到了巨大的推廣應(yīng)用。但受集熱器集熱效率、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度影響，太陽(yáng)能能流密度低，因時(shí)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(yáng)能供應(yīng)就會(huì)中斷，運(yùn)行不穩(wěn)定，若長(zhǎng)期運(yùn)行必須靠輔助熱源，因此太陽(yáng)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(yáng)能、地源熱泵各自獨(dú)立運(yùn)行存在一定技術(shù)瓶頸，更好地利用地源熱泵和太陽(yáng)能熱利用這兩種可再生能源技術(shù)，有機(jī)結(jié)合的地源熱泵和太陽(yáng)能復(fù)合能源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。地源熱泵與太陽(yáng)能結(jié)合，既可以克服地源熱泵系統(tǒng)冷熱負(fù)荷不平衡而造成土壤溫度不斷降低，又可以克服太陽(yáng)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(jī)因素影響。因此，地源熱泵與太陽(yáng)能結(jié)合的復(fù)合能源系統(tǒng)可以集中兩種可再生能源優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)相互彌補(bǔ)各自不足，是很有潛力的可再生能源建筑應(yīng)用新技術(shù)。

（5）雖然貴州喀斯特地區(qū)地形復(fù)雜，應(yīng)用難度大，但隨著可再生能源、清潔能源的不斷推進(jìn)，節(jié)能意識(shí)的提高，土壤源熱泵應(yīng)用項(xiàng)目越來(lái)越多，較為典型的是貴州財(cái)經(jīng)大學(xué)新校區(qū)應(yīng)用項(xiàng)目，大部分項(xiàng)目安裝的輔助熱源為太陽(yáng)能。但貴州省屬我國(guó)太陽(yáng)能資源第V類地區(qū)，太陽(yáng)能總輻射量在3149-4594MJ/（M2.a）之間，大部分屬太陽(yáng)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(duì)輻射量大，屬于III類太陽(yáng)能較富地區(qū)，其他部分城市如貴陽(yáng)等屬于IV類太陽(yáng)能一般地區(qū)。面對(duì)復(fù)合新能源系統(tǒng)的初投資偏高，太陽(yáng)能資源貧乏問(wèn)題，如何高效運(yùn)用太陽(yáng)能-地源熱泵耦合系統(tǒng)，值得探討。

3、耦合系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行原則

太陽(yáng)能-地源熱泵耦合系統(tǒng)的一般設(shè)置如圖1所示，為獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益和更好節(jié)約能源，聯(lián)合運(yùn)行中，應(yīng)該遵循以下技術(shù)原則：

圖1地源熱泵與太陽(yáng)能復(fù)合系統(tǒng)示意圖（1）太陽(yáng)能熱利用在一次性投入后，運(yùn)行階段完全是免費(fèi)的，在利用過(guò)程中，僅消耗水泵能耗，運(yùn)行費(fèi)用低，應(yīng)最大限度利用太陽(yáng)能，尤其是夏季，可以提供免費(fèi)的生活熱水。

（2）在太陽(yáng)能充足熱水富余、不開啟空調(diào)的過(guò)渡季節(jié)，應(yīng)將太陽(yáng)能多余的熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)，供冬季供熱，陰雨天也可以利用地源熱泵輔助太陽(yáng)能系統(tǒng)加熱生活熱水，不僅可以綜合利用太陽(yáng)能，又避免太陽(yáng)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(lái)的不平衡問(wèn)題。

（3）太陽(yáng)能、地源熱泵目前初投資較高，在保證系統(tǒng)正常安全運(yùn)行前提下，應(yīng)綜合考慮裝機(jī)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(yùn)行方式

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

4.2根據(jù)貴州地區(qū)太陽(yáng)能可再生能源示范項(xiàng)目測(cè)評(píng)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，對(duì)滿足夏季熱水供應(yīng)的太陽(yáng)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(dá)80℃；過(guò)渡季節(jié)最低平均供水溫度為38℃，最高可達(dá)70℃；冬季太陽(yáng)能系統(tǒng)供水平均溫度為24.4℃，單位面積太陽(yáng)能集熱器造價(jià)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(yuǎn)大于提供空調(diào)熱量，需要太陽(yáng)能輔助系統(tǒng)保持土壤溫度平衡，結(jié)合太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)實(shí)際效果，耦合系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行方式可考慮以下方式：

（1）夏季太陽(yáng)能系統(tǒng)直接通過(guò)生活熱水，地源熱泵系統(tǒng)提供空調(diào)冷源，兩系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。

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

（3）冬季，太陽(yáng)能平均供水溫度為24.4℃，不能直接利用，但高于熱泵機(jī)組地源測(cè)進(jìn)水溫度，可以將熱量轉(zhuǎn)化后進(jìn)入熱泵機(jī)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(yáng)能系統(tǒng)初投資超過(guò)4500元/m？集熱器時(shí)，太陽(yáng)能有效使用的節(jié)省費(fèi)用不足以抵消太陽(yáng)能系統(tǒng)增加的初投資，基本不需要設(shè)置太陽(yáng)能系統(tǒng)。從太陽(yáng)能系統(tǒng)造價(jià)及運(yùn)行方式看，太陽(yáng)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(yùn)行是可行的。

5. 存在的問(wèn)題

太陽(yáng)能-地源熱泵耦合系統(tǒng)季節(jié)性蓄熱及聯(lián)合運(yùn)行在貴州地區(qū)也存在以下問(wèn)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(cuò)，巖溶地貌發(fā)育非常典型，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地下溶洞較多，增加太陽(yáng)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(jìn)一步驗(yàn)證。

（2）在極端天氣條件下，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)供水溫度低于15℃時(shí)，無(wú)法加熱地埋管換熱器及機(jī)組地源測(cè)進(jìn)水，需停止太陽(yáng)能系統(tǒng)輔熱，僅運(yùn)行地源熱泵系統(tǒng)。

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

6. 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)太陽(yáng)能-地源熱泵耦合系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行模式和經(jīng)濟(jì)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(yáng)能復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，初投資高，其經(jīng)濟(jì)性受諸多因素影響，需要系統(tǒng)優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)配置，通過(guò)控制策略降低運(yùn)行成本。

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

參考文獻(xiàn)

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