浅谈太阳能-地热源热泵系统及其应用

1、浅谈太阳能-地热源热泵系统及其应用中石油（北京）科技开发有限公司102206; 2.北京中烟信息技术有限公司100055 3北京许继电气有限公司100085）摘要：可再生能源利用技术成熟，利用方式多样化，但太阳能、地热能 等具有自身的缺点。木文对太阳能地热源热泵联合系统应用于建筑行业进行了 分析，联合系统可以实现优缺点互补，提高系统的可靠性和经济性，考虑建筑负 荷特点，合理设计联合系统和运行控制，可对社会产生一定的经济和环境保护效 益，具有良好的引用前景。关键词：可再牛能源；地热能；太阳能1. 引言随着牛活水平的提高，人类对居住条件的要求越来越高，建筑能耗因此 不断增加，其中建筑供热及冷量的能

2、耗较突击，所以建筑节能成为国家政府节能 减排的关注焦点。按照新规范中节能标准对建筑能耗进行计算可发现，发达国家 建筑能耗仅是我国建筑能耗的35%50%o通过调查显示，目前我国既有建筑中 约90%未达到国家节能标准要求，而正在施工的建筑中住宅和商用部分约80%为 达到节能标准要求。因此，我国建筑能耗相对较大，造成能源浪费和环境污 染等问题。比如，我国北部区域，冬季供暖以燃煤锅炉供暖为主，锅炉燃烧后的 产物造成严重的环境问题，现在经常发牛的雾霾天气与供暖燃煤有较大的关系。由于能源紧缺及环境问题的突出，可再生能源（如太阳能、地热能、风 能和朝夕能等）的利用越来越普及，h技术成熟。但是可再牛能源的利用

3、受到多 方面因素的影响，利用形式不尽相同，如风能主要以发电为主，太阳能热水系统 在建筑和工业中广泛应用，地热供暖技术相对成熟。热泵是地热供暖技术利用的一种形式，是高效利用低品位可再牛能源的 一种方式，实现低品位能源转化为高品位能源，具有节能、环保和能效比高等优 点，因此热泵系统在建筑及工业中得到快速发展和应用。热泵系统的热源可以来 自周边的空气、河水、污水、地表（下）水等的热量。热泵系统主要由压缩机、 冷凝器、蒸发器和膨胀阀构成，根据实际应用系统设计的不同，还辅助有水泵风 扇、储液罐水箱、过滤器、电子膨胀阀和电子自动控制器等设备。由于热泵系统 具有优越的稳定性、可靠性和费用低等优点；在经济性方

4、面，地热源热泵系统与 锅炉系统相差较小，如果考虑环境保护、能源利用等方面因素，则地热源热泵系 统具有一定的优越性，因此在欧美发达国家及中国发展中国家，地源热泵系统用 于建筑物的供能（主要供热、制冷）已经非常普遍且技术成熟。太阳能作为清洁的取之不尽用之不竭的可再生能源，具有分布广泛，无 污染、廉价应用等优点。太阳能的利用从直接利用到间接利用，太阳能热水器解 决寒冷冬季易冻裂等难题，在太阳能的利用效率、安全性、经济性等方面得到大 幅提升。如热管式真空管集热器综合了真空技术、热管技术等多种技术，实现了 太阳能集热器全年安全运行，提高了工作温度、系统可靠性等性能，可在各种建 筑楼顶安装使用，具有方便使

5、用、费用低、节能和环保等优点，特别适用于太阳 能热水系统，在中国的农村和山区中得到广泛的应用。2. 太阳能热泵联合循环系统地热源热泵系统是现代社会中成熟的可再生能源应用技术之一，与传统 空调系统的区别在于：地热源热泵系统增加了地热能换热器设备，目前地热能换 热器主要为地下埋管形式（水平式和垂直式），因此系统所增加的初投资主要为 地热换热器的设备投资，所以地热换热器的设计肓接影响地源热泵系统的初投资 和系统的经济性。采用地热能系统供能可替代部分电能或锅炉负荷，对电网具有 削峰填谷的作用，可同时实现热水、供暖和供冷一体化，提高能源利用率。但是地热源热泵供暖系统具有系统本身的缺点：由于地热源系统的热

6、量（冬季供暖）或/冷量（夏季制冷）来自土壤，埋管换热器与土壤的换热过程中， 受到土壤的水分、气体等的影响及土壤本身导热性能差等特点，系统的能效比会 降低；同吋，从土壤中不断吸取能量，由于突然的导热性较差，导致周围土壤含 有的能量降低且得不到及时的补充，从而影响系统的能效和经济性。太阳能作为来自地球外的辐射能，为取之不尽用之不竭的清洁能源，但 是太阳能有自身的缺点：（1）能流密度相对低，即在单位吋间内太阳能投射到单 位面积上的能量相对较少，因此不适合收集利用；（2）由于自然条件（不同纬度、 季节、昼夜、区域和天气）的差异，不同区域的太阳能差别较大，具有不稳定不 连续的特点。因此太阳能在利用方面存

7、在一定难点，在使用过程中存在较大难度。 但是随着国内外研究的不断创新，各类太阳能集热器不断克服各种问题，取得了 重大突破和得到广泛的应用。如平板式太阳能集热器，实现产业化生成，可承压 较大的压力，吸热效率高，安全可靠，安装要求低和方便使用，实现了太阳能与 建筑供能一体化。通过地热能热泵与太阳能的优缺点互补，实现能源的安全高效利用，是 可再生能源利用的方向之一，提高了可再生能源利用的价值。在建筑行业供暖中， 以太阳能集热器供暖为主，在受到吋差或天气因素影响太阳能供暖的吋间段，太 阳能供暖不能满足建筑负荷需求时，采用地热能热泵系统辅助供暖的方式，可以 提高太阳能与地热能的利用效率和提高系统的经济性

8、。在建筑制冷吋，以地热能 为冷源，太阳能为热源的供能方式提高了系统的效率。在过渡季节，建筑冷热负 荷需求较少时，将太阳能的热量转移到地下土壤中，可快速补充地热能的损耗和 实现土壤蓄热的目的，实现地热源热泵系统高效稳定运行。利用地源热泵与太阳能联合系统优势互补，增加了系统的效率和可靠性, 产生了一定的经济和社会效益，因此联合系统的研究受到国内外学者的关注。在 我国和欧美国家都实施了多项供热系统的示范工程，特别是在住宅、办公和大型 酒店公寓中得到非常广泛的应用。21世纪是能源影响社会发展的时代，地热源 热泵太阳能联合系统得到了快速的发展和应用。国内许多研究机构也投入人量 的时间和经费对系统的可靠性

9、、经济性等进行了研究。如山东建筑大学是国内对 地下埋管空调系统进展研究和示范工程最早的国内研究单位之一2,天津商学 院进行地热源热泵太阳能联合系统的实验研究，哈尔滨工业人学针对寒冷地 区气候特点，对地热源热泵太阳能联合系统从系统效率、经济性等多参数对系 统在运行工况时间分配、土壤温度分布、热泵运行能效比、太阳能利用率等进行 研究与优化，得到系统运行经济性、太阳能保证率、运行吋间等最优化指标； 青岛理工大学以青岛某地区实际运行系统进行研究和模拟计算，得到联合系统的 效率比地热源系统高10%左右，表明联合系统可实现良好的节能效果和社会经济 效益。3. 结论热泵系统作为可再生能源高效利用技术之一，具有节能减排和环保优势; 太阳能集热器解决了太阳能能量密度低的缺点，使得太阳能利用迅速普及。在建 筑及工业中将地热源热泵系统与太阳能联合系统的应用，可以实现优缺点互补， 提高系统运行效率和经济性，因此得到国内外研究人员的关注。按照建筑物的实 际负荷特点和需求，合理设计联合系统，在系统初投资及运行控