地源熱泵有什麼優缺點?太陽能與地源熱泵如何相結合使用?看這裡

作者：山東省城建設計院 韓明坤

引言

我國能源的消費結構不合理，以煤為主的能源供給造成了嚴重的大氣汙染和溫室氣體排放。因此，節約能源和開發利用清潔、可再生能源的任務十分緊迫。可再生能源在建築中的應用是建築業技術進步和行業發展的需要，隨著 2006 年 1 月《可再生能源法》的正式頒布與實施，太陽能、淺層地熱能在建築行業中的應用越來越受到人們的重視。#暖通設計#

地源熱泵技術是可再生能源應用的主要方向之一，即利用淺層地熱能資源進行供熱與空調，具有良好的節能與環境效益，近年來在國內得到了日益廣泛的應用。隨著《地源熱泵系統工程技術規範》的實施，地源熱泵系統工程的市場更加規範化，能更好地發揮其節能、環保效益。但該系統存在土壤溫度場的恢復問題，即隨著地源熱泵系統連續長期的運行，會從地下過多的取熱或過多的散熱，造成地下溫度場的波動，降低機組的 COP 值，增加系統能耗。樹上鳥教育暖通設計網絡課程在線教學杜老師。

圖 1 表示出了北京某實際工程單獨採用地源熱泵系統時， 10 年內地埋管換熱器進出口水溫及土壤溫度的變化。

圖 1 10 年內地埋管換熱器進出口水溫及

從圖 1 可以看出， 10 年內土壤溫度由初始的 15度，下降到 10.2℃，下降了 4.8℃。冬季，熱泵機組的最低出水溫度由最初的 3℃ 下降到 -0.5℃，吸熱量和排熱量存在極大的不平衡。

地源熱泵

太陽能技術也是可再生能源應用的主要方向之一，太陽能是永不枯竭的清潔能源，量大、資源豐富、綠色環保。但也有一些缺點：（ 1）太陽能的能流密度低，且因地而異，因時而變。（ 2）太陽能具有間歇性和不可靠性。太陽能的輻照度受氣候條件等各種因素的影響不能維持常量，如果遇上連續的陰雨天氣太陽能的供應就會中斷。此外，太陽能是一種輻射能，具有即時性，自身不易儲存，必須即時轉換成其它形式能量才能利用和儲存。

地源熱泵技術和太陽能技術自身存在這些局限性，如果兩種能源可以聯合使用，這樣能互相彌補自身的不足，提高資源利用率。

太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行的原則

太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行時，應遵循如下原則：

（ 1）可再生能源利用的前提是必須採用節能建築，以降低系統的初投資。太陽能的能流密度較低，太陽集熱系統的價格在目前仍然偏高；地源熱泵系統與常規系統相比，初投資也較高。為了儘可能減少系統的初投資，必須保證建築圍護結構符合節能規範的要求，以降低供暖、空調系統的負荷需求。（ 2）與供水溫度要求低的末端系統配套使用。目前高溫型的地源熱泵機組 COP 值較低，對於常規地源熱泵機組來說，供熱時，出水溫度較低。同時，太陽集熱系統的集熱效率與集熱系統的出水溫度有關，溫度越高熱損失越大，集熱效率降低，因此在選擇供暖系統時應優先選擇供水溫度要求低的形式，如地板輻射採暖形式。（ 3）在經濟許可的前提下最大限度地利用太陽能資源。太陽能是完全免費的，在利用過程中，僅消耗水泵能耗，運行費用低，所以在經濟許可的情況下，儘可能增大太陽集熱器的面積，延長太陽能利用的時間，以提高太陽能的利用率。

太陽能

太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行的方式

本工程位於北京，建築的功能主要是辦公室和實驗室，建築面積 2835m2。辦公區域夏季採用風機盤管加新風系統（冷凍水供回水溫度 7/12℃），冬季採用地面輻射採暖系統（經散熱器後，熱水供回水溫度 45/40℃）；試驗區域夏季不設空調，冬季採用輻射型散熱器採暖系統（ 50/45℃ 熱水供回水溫度），保證值班採暖溫度。採用地源熱泵系統、太陽能系統作為空調採暖系統的冷熱源。末端的散熱器系統與地板輻射採暖系統串聯運行，以加大系統的供回水溫差。

該建築的外圍護結構性能優良，達到了節能建築的標準，因此該建築的冷熱負荷較低，經過逐時負荷計算可知，冬季最大熱負荷為 110kW，夏 季 最 大 冷 負 荷 為 60kW。 採 暖 季 逐 時 熱 負 荷總 值 為 119746kW·h， 制 冷 季 逐 時 冷 負 荷 總 值 為25072kW·h，熱負荷總值遠大於冷負荷總值。在這種情況下若單獨採用地源熱泵系統，必然存在吸熱量與排熱量極度不平衡的問題，那麼，長期運行結果會使土壤溫度越來越低，也將降低熱泵系統的運行效率，最終導致冬季地源熱泵系統不能正常運行。為了解決吸熱量與排熱量不平衡的問題，提高地源熱泵系統的運行效率，可採用太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行的方式。

太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行時，通常有 4 種運行方式：

（ 1）直接利用太陽能供熱；

（ 2）太陽能與熱泵機組的冷凝器串聯運行；

（ 3）太陽能加熱地埋管換熱器；

（ 4）太陽能直接進入熱泵機組蒸發器。太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行原理圖如圖 2 所示。

圖 2 太陽能系統與地源熱泵系統聯合運

系統的控制策略為：

（ 1）經過太陽能加熱後的供水溫度 Tg 高於 50℃ 時，直接利用太陽能採暖，此時閥門 V1、 V2 開啟，水泵 2、 3、 4 開啟；閥門V3、 4、 5、 6、 7、 8、 9 均 關 閉， 熱 泵 機 組 關 閉，水泵 1 關閉。

（ 2）當 Tg 溫度低於 50℃ 時，且高於40℃ 時，太陽能不能被直接利用，而是與熱泵機組冷凝器串聯，此時閥門 V2、 3、 5、 9 開啟，水泵 1、 2、 3、4 開啟，熱泵機組開啟；閥門 V1、 4、 6、 7、 8 均關閉。

（ 3）當 Tg 溫度低於 40℃ 時，且高於 25℃ 時，太陽能加熱巖土體側地埋管換熱器，此時閥門 V3、4、 6、 7 開啟，水泵 1、 2、 3、 4 開啟，熱泵機組開啟；閥門 V1、 2、 5、 8、 9 均關閉。

（ 4）當 Tg 溫度低於 25℃ 時，且高於 15℃ 時，太陽能直接進入熱泵機組的蒸發器，作為低位熱源，此時閥門 V3、 4、6、 8 開啟，水泵 1、 2、 3、 4 開啟，熱泵機組開啟；閥門 V1、 2、 5、 7、 9 均關閉。

（ 5）當 Tg 溫度低於15℃ 時，僅採用熱泵系統供暖。此時，閥門V3、 4、5 開啟，水泵 1、 2 開啟，熱泵機組開啟；閥門 V1、 2、6、 7、 8、 9 均關閉。

能源

太陽能系統與地源熱泵系統優化運行的適用條件

太陽能系統與地源熱泵系統採用何種聯合運行方式，主要與太陽能集熱器的面積及末端所需的供回水溫度有關。例如：集熱器的面積較大，可以使得系統的供水溫度較高，這是可以考慮直接利用太陽能供熱的方式，相反，若集熱器面積較小，產生的熱水溫度較低，則無法直接供熱。同樣的，若末端所需的供回水溫度較高，若超過 60℃，則很難直接利用太陽能供熱，若末端所需的供回水溫度較低，在 40℃ 以下，則可直接利用太陽能供熱。下面介紹了採用不同的集熱器面積時，對應的聯合運行方式。

在北京，供暖期為 11 月 15 日至次年的 3 月 15 日，共 2880 個小時，典型氣象年中，有太陽輻照的時間為 1179h，佔總供暖時間的 40.63%。為了便於分析，本文對於末端的供回水溫度要求為 50/40℃。圖3 表示出了在不同太陽集熱器面積情況下，太陽能系統供水溫度分別超過 41℃、 42℃、 43℃、 44℃、45℃、 46℃、 47℃、 48℃、 49℃、 50℃ 的小時數。

圖 3 不同太陽集熱器面積情況下熱水溫

圖 4 1 年內地埋管換熱器進出口水溫及

圖 5 10 年內地埋管換熱器進出口水溫及

圖 6 10 年內地埋管換熱器進出口水溫及

從圖 3 可以看出：

（ 1）在太陽集熱器面積為 140m2 的情況下，太陽能系統供水的最高溫度為 48℃，無法實現直接利用太陽能供熱。（ 2）在太陽集熱器面積為 300m2 的情況下，太陽能系統供水溫度超過 50℃ 的小時數為 52h（佔總供暖時間的 1.81%），雖然可以實現直供，但由於風機盤管時間短，從增加自控複雜性、增加初投資的角度考慮，不建議採用直供的運行方式。（ 3）在太陽集熱器面積為 500m2 的情況下，太陽能系統供水溫度超過 50℃ 的小時數為 158（ 5.5%），可以實現直接利用太陽能供熱。（ 4）太陽集熱器面積由 140m2 增加到 1000m2時， 對 太 陽 能 系 統 供 水 溫 度 超 過 41℃ 的小時數變化影響不太大，由 527 小時（佔總供暖時間的18.3%）增加到 746（佔總供暖時間的 25.9%）小時，但對於超過 50℃ 的小時數影響較大，由 0 小時（佔總供暖時間的 0%）增加到 275 小時（佔總供暖時間的 9.55%）。

太陽能系統與地源熱泵系統優化運行方式的模擬分析

對於本文第 3 節提及的某實際工程，筆者利用TRNSYS 軟體進行了模擬計算。由於本項目的太陽集熱器面積比較小（ 140m2） ，所以採用太陽能換熱後的熱水進地埋管換熱器或者直接進入熱泵機組蒸發器的聯合運行方式。圖 4、圖 5 分別表示出了 1年內、 10 年內太陽能系統（僅冬季運行）與地源熱泵系統聯合運行時， 1 年內地埋管換熱器進出口水溫及土壤溫度變化的情況。從圖中可以看出，太陽能系統僅冬季運行時， 10 年內土壤溫度由初始的 15度，下降到 12.5℃，下降了 2.5℃，吸熱量和排熱量仍然存在不平衡的現象，太陽能需在過渡季也要向土壤中蓄熱，具體模擬情況如圖 6 所示。

從圖 6 可以看出，當太陽能在過渡季也向土壤中蓄熱時， 10 年內土壤的平均溫度基本不變，吸熱量和排熱量基本平衡。

但需要注意的是，太陽能在過渡季蓄熱時，需要消耗水泵的能耗，增加運行費用。因此，在實際工程中，是否採用過渡季蓄熱，需要綜合考慮。

結論

太陽能、淺層地熱能作為可再生能源，在建築領域的能源利用中發揮著越來越重要的作用，它們的應用是解決我國能源和環境問題的重要措施之一。本文詳細闡述了太陽能系統與地源熱泵系統優化運行的方式、適用的範圍，為可再生能源的合理利用提出建議。

建築圖

（ 1）太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行時，要優先採用太陽能。 （ 2）夏熱冬冷地區圍護結構要求夏季隔熱為主，兼顧冬季保溫，目前該類建築主要使用的主動式技術主要有採用高效照明、通風熱回收技術、以及空氣源熱泵；採用的被動式技術主要有自然採光、自然通風、建築遮陽和綠色植被；可再生能源的應用適宜採用太陽能或者太陽能與土壤源熱泵聯合的方式。（ 3）由於國情現狀，我國夏熱冬冷地區超低能耗居住建築的一次能源消耗量已經低於德國被動房標準限值，因此，對於超低能耗的能耗限制，因根據不同發展階段進行調整。現階段，宜僅針對建築空調、通風與供暖能耗進行研究和規定。

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