太阳能-地源热泵联合供能系统研究

作者:龚金龙 胡逢贤时间:2018-07-11 10:47:54  来源:  阅读次数:56次 ]

摘 要:能源危机和环境保护是当今社会的热点问题,采用新型、环保、可再生能源替代常规能源的领域正在不断拓展。在我国 北方地区,建筑夏季的冷负荷远小于冬季的热负荷,仅使用地源热泵空调供暖系统会产生地埋管换热器储热和取热不平衡的问 题,为解决该问题,需设辅助热源。常用的辅助热源有太阳能、燃气锅炉、电加热器或余热等。
关键词:太阳能;地源热泵;联合循环;技术研究
太阳能—地源热泵系统联合循环的研究目前还没有形成完 备的理论体系,可供应用的基础数据不足,还不能为工程实际 应用提供充足的理论依据。

1 太阳能作为辅助热源的必要性和可行性

    我国是世界上太阳能热水器的保有量和生产量最多的国 家,但人均占有量仍处于落后地位,所以这个市场的潜力非常 大。当夏天太阳辐射越强、天气越热的时候人们更需要的是空 调降温。这种情况在我国南方每年大约有 6~8 个月时间,在北 方也有 3~5 个月。利用太阳能热水器产生的热水制冷供空调用, 或者采用太阳能—地源热泵联合循环技术,使太阳能和太阳能 热水器全年充分利用,是最合理的方案,能够使得太阳能和地 源热泵各自取长补短,实现利用太阳能供电、供热、供冷、照 明,建成太阳能综合利用建筑物,是国际太阳能学术界的热门 研究课题,是太阳能利用一个新的发展方向。美国、德国、日 本、意大利等国家都已建成这种全部依靠太阳能的示范建筑物, 国内也在积极研究之中。

1.1 必要性

    在我国北方地区,建筑物冬季热负荷较大。因此,地源热泵系统设计主要以热负荷为主。若完全采用地源热泵来供暖的 话,则地热换热器和机组的初投资均比较高,连续运行的效率也较低。而在夏季运行时,机组的容量就过大,造成浪费。而 且,由于这些地区冬季从大地取热多于夏季大地的蓄热,长期 运行将造成大地温度降低,热泵系统的 COP 值也比较低,地 源热泵系统将无法满足设计要求,地源热泵系统的节能效果就 体现不出来。而采用太阳能作为辅助热源,使地源热泵系统可 以按照夏季工况进行设计,由太阳能集热器承担一部分热负荷, 这将大大降低地源部分的初投资。

1.2 可行性

    据统计,每年中国陆地接收的太阳辐射总量,相当于 24000 亿吨标准煤,全国总面积的 2/3 地区年日照时间都超过 2000h,某些地区超过 3000h,这就为采用太阳能—地源热泵 系统联合循环技术提供了宝贵的资源。太阳能是取之不尽,用 之不竭的一种绿色环保能源,不受任何人控制和垄断,它的利 用也比较灵活,规模可大可小。但是太阳能也有两个主要缺点: 一是能流密度低 ;二是其强度受各种因素(季节、地点、气候 等)的影响不能维持常量。这将大大限制了太阳能的有效利用, 随着科学技术的不断进步,人们对太阳能的利用技术将不断成 熟,从而逐渐使太阳能合理的应用于建筑物的供热供冷系统中, 改善人类的居住环境,代替目前的一次石化能源而成为本世纪 的重要能源之一。

2 太阳能—地源热泵联合循环运行方式

2.1 并联式太阳能—地源热泵系统

     实际上就是由传统的太阳能系统和地源热泵系统所联合组 成,将太阳能供热系统和地源热泵系统交替使用。当太阳能集 热器的温度较高,可以将集热器的热量转移到地下贮存,这样 即可使土壤温度场得以较快的恢复,又可提高集热效率 ;当太 阳能供热系统不能满足建筑物需求(阴天或夜间),则可采用 地源热泵系统供热。并联系统主要用于地下水温度高于15℃ 的地区,太阳能只起辅助作用,地源热泵系统中是以地下土壤 为冷热源的储存体,夏天蓄热、冬天取热,即夏热冬用、冬冷 夏用 ;太阳能系统的所采集的热量直接通入空调房间供暖,或 者部分作为生活卫生热水。并联系统的特点就是不能互补或替 换,总能量为太阳能和地源热泵系统能量的总和。

2.2 串联式太阳能—地源热泵系统

    太阳能集热器采集的热量储存在蓄热水箱中,水箱中的热 水通过换热,用于提升进入蒸发器入口的介质的温度,从而提 供整个系统的 COP 值。冬天太阳能的热量可能由于温度过低, 满足不了房间供热的需要,可以考虑采用它串接在地源热泵室外换热器(蒸发器),作为提升地源热泵蒸发器温度的辅助热源。 在此系统中,太阳能采集到的热量储存于太阳能与地源热泵混 联系统中,一年四季工作模式如下 :(1)直接供冷模式 :在初 夏季节气温开始升高需要供冷,此时气温不是太高冷量需要不大,同时土壤由于经过地源热泵冬季长时间的制热运行温度比 较低,比如在 5℃左右,可以采用地下埋管中液体循环直接对 用户供冷。此时冷载体的运行箱中,然后蓄热水箱的热水进入蒸发器或者地下换热器,提高蒸发器的蒸发温度,从而提高整 个热力系统的 COP 值。 2.3 混联式太阳能—地源热泵系统在混联式太阳能—地源热泵系统中,太阳能与地源热泵的 混合联接方式可以有多种。太阳能与地源热泵混联系统中,另 加空气换热器,由于地源热泵水温度比空气温度要稳定很多。 在太阳能—地源热泵混联系统中,地源热泵可以有 2 个蒸发器, 一个是以太阳能和地下土壤为热源,另一个以空气为热源,目的就是为了使得系统的 COP 值最高。当冬季蓄热水箱的温度 高于一定温度(如 30℃),就可以直接对房间供暖,暂时可以不启动地源热泵以节约电能 ;当蓄热水箱的水温度高于大气温 度和地下土壤温度,可以利用它提升地源热泵蒸发器的温度, 以便提高系统 COP ;当蓄热水箱的水温度和地下土壤温度均低 于大气温度,可以切换成为空气源热泵,当然还得考虑除霜问 题。 将太阳能光-热、光-电、地源热泵空调等技术与建筑的 有机结合、融为一体,建成一个综合利用新能源(如太阳能、 地热能等)的新颖建筑;采用太阳能蓄热与地源热泵的联用技术实现夏季制冷冬季采暖、四季供应热水,以降低建筑的耗能 指标 ;集成其他新能源和节能技术等等将是太阳能—地源热泵 技术与产品的发展趋势。
参考文献:
[1] 樊玉杰,吴建华,张方方,等.地源热泵与太阳能供热空调复合系统 的工程应用[J].供热制冷,2010(3):65-67.

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