太阳能系统与地源热泵系统联合运行方式的探讨

1引言
　　能源和环境是影响国民经济可持续发展的关键因素，能源供应形势直接关系到国家的安全和社会稳定。建筑领域消费的能源，主要是煤炭、石油和天然气等石化能源。这些能源，资源有限，不可再生，终究要枯竭，而且传统能源会对环境造成严重的污染。我国人口众多，人均资源占有量低于世界平均水平，与经济发展和人民生活消费的需求相比，能源供应的缺口很大，而且能源消费结构不合理，以煤为主的能源供给造成了严重的大气污染和温室气体排放，我国目前的CO2排放量居世界第二位。我国是京都议定书的签约国，目前的这种能源消费方式，已受到国际社会的高度关注，加大了我们保护环境和改变经济增长模式的压力。因此，节约能源和开发利用清洁、可再生能源的任务十分紧迫。
　　由于能源问题对国家安全和经济发展所起的重要作用，中央提出了建设节能省地型住宅的政策方针，因此，可再生能源在建筑中的应用是建筑业技术进步和行业发展的需要。随着2006年1月《可再生能源法》的正式颁布与实施，太阳能、地热能在建筑行业中的应用越来越受到人们的重视。
　　地源热泵技术是可再生能源应用的主要应用方向之一，即利用浅层地热能资源进行供热与空调，具有良好的节能与环境效益，近年来在国内得到了日益广泛的应用。随着《地源热泵系统工程技术规范》的实施，地源热泵系统工程的市场更加规范化，能更好的发挥其节能、环保效益。但地源热泵系统存在土壤温度场的恢复问题，即随着地源热泵系统连续长期的运行，会从地下过多的取热或过多的散热，造成地下温度场的波动，降低机组的COP值，增加系统的能耗。
　　太阳能技术也是可再生能源应用的主要应用方向之一。北京属于太阳能资源比较丰富的区域，太阳能年辐射总量在5600MJ/m2～6000MJ/m2，年日照时数在2600小时～3000小时，所以太阳能技术在北京有很好的发展前景，并且太阳能在建筑中的应用是现阶段太阳能应用中最具有发展潜力的领域。太阳能是永不枯竭的清洁能源，量大，资源丰富，绿色环保。但太阳能也具有一些缺点：（1）太阳能的能流密度低。虽然到达地球表面的太阳能有102000TW，但即使在太阳能资源较丰富的沙漠地区，考虑到太阳集热系统的效率和热损失，每平米集热器面积实际采集到的年平均太阳能辐射照度不到100W，而且它因地而异，因时而变。（2）太阳能具有间歇性和不可靠性。太阳能的辐照度受气候条件等各种因素的影响不能维持常量，如果遇上连续的阴雨天气太阳能的供应就会中断。此外，太阳能是一种辐射能，具有即时性，太阳能自身不易储存，必须即时转换成其它形式能量才能利用和储存。
　　地源热泵技术和太阳能技术自身存在的这些局限性，如果两种能源能够联合使用，这样能互相弥补自身的不足，提高资源利用率。
　　2太阳能－地源热泵技术应用的条件
　　应用太阳能－地源热泵技术的原则：（1）在经济许可的前提下最大限度地利用太阳能。太阳能是完全免费的，在利用过程中，仅消耗水泵能耗，运行费用最低，所以在经济许可的情况下，尽可能增大太阳集热器的面积，以提高太阳能的利用率。
　　（2）太阳能－地源热泵技术适宜供全年生活热水、冬季供暖、夏季制冷的全年综合利用。在实际工程中，采用新能源后，系统初投资较高，尤其是对太阳集热器，全部是增量成本，最好能全年综合利用。例如：太阳集热器冬季供热、夏季制冷，在过渡季，不设空调时，太阳能除提供生活热水外，将多余的热量储存起来，供冬季供热。这样的做法既可以做到太阳能的综合利用，又可以避免太阳集热器的空晒，增加了太阳集热器的寿命。
　　（3）新能源利用的前提是必须采用节能建筑，以降低系统的初投资。太阳能的能流密度较低，太阳集热系统的价格在目前仍然偏高；地源热泵系统与常规系统相比，初投资也较高。为了尽可能减少系统的初投资，必须保证建筑围护结构符合节能规范的要求，以降低供暖、空调系统的负荷需求。
　　（4）与供水温度要求低的末端系统配套使用。目前高温型的地源热泵机组COP值较低，对于常规地源热泵机组来说，供热时，出水温度较低。同时，太阳集热系统的集热效率与集热系统的出水温度有关，温度越高热损失越大，集热效率降低，因此在选择供暖系统时应优先选择供水温度要求低的形式。
　　3工程概况该示范工程
　　位于北京市通州区，有3栋建筑，为了管理方便，将3栋建筑分为南、北两区。南区建筑面积6625m2；北区建筑面积2835m2.主要功能为办公和试验。围护结构的性能参数如下：（1）外墙采用性能优良，技术成熟的墙体外保温构造，基墙墙体主要采用400mm厚加气混凝土砌块，其导热系数为0.14W／（mok），墙体的平均传热系数为0.4W／（m2ok）；框架、异形柱采用加气混凝土砌块，短肢剪力墙、剪力墙采用聚苯挤塑板薄抹灰保温体系；架空层板底粘贴30mm厚的挤塑板，传热系数K≤0.5W／（m2ok）。
　　（2）外窗断热型材铝合金窗K=2.0W／（m2ok）
　　断热型材玻璃幕墙K=2.0W／（m2ok）
　　保温夹心板钢制门K=1.5W／（m2ok）
　　空气渗透性能等级3级（3）屋面屋面的节能措施主要包括两种平屋面的保温体系。屋面主要包括80mm厚彩色压型钢板（聚氨酯保温夹心）和倒置式屋面保温构造，其屋面传热系数为0.275W／（m2ok）。此外，部分平屋面采用屋顶绿化技术，结合保温材料和防水技术，以达到节能和改善顶部房间室内热环境的良好效果。
　　（4）地面地面采用50mm厚挤塑聚苯板保温，其导热系数为0.029W／（mok），其平均传热系数为0.25W／（m2ok）。
　　在上述措施下，本工程的建筑节能目标达到65％。
　　4太阳能系统与地源热泵系统联合运行的方式
　　南、北两区均采用地源热泵系统、太阳能系统作为空调采暖系统的冷热源。办公区域夏季采用风机盘管加新风系统；冬季，北区采用地面辐射采暖系统，南区采用风机盘管加新风系统；试验区域夏季不设空调，冬季采用辐射型散热器采暖系统，保证值班采暖温度。设计工况下的负荷为：北区冬季热负荷110kW，夏季冷负荷55kW；南区冬季热负荷298kW，夏季冷负荷140kW. 4.1太阳能系统与地源热泵系统联合供热太阳能系统与地源热泵系统联合供热的原则是；以地源热泵系统为主，太阳能系统为辅助热源，但在运行控制上要优先采用太阳能，并加以充分利用。在供热运行模式下，北区试验区域采用的散热器采暖系统与办公区域采用的地面辐射采暖系统串联运行，以提高太阳能的利用率。
　　（一）太阳集热系统北区采用140m2平板型太阳集热器，采用太阳能与建筑一体化技术，使太阳集热器与建筑完美结合。本示范工程将太阳集热器设置在建筑的南立面上，与玻璃幕墙融为一体，这样既丰富了建筑的立面效果，又起到了利用太阳能的作用。北区冬季热负荷大于夏季冷负荷，可以采用太阳能辅助供热，解决地下的热量不平衡问题，提高地源热泵系统的运行效率。
　　在北区，太阳能除冬季与地源热泵系统联合供热外，其它季节，在不供热时，采用季节性蓄热技术将热量储存在蓄热水池中，供冬季采暖使用。
　　（二）联合供热方案比较太阳能系统与地源热泵系统联合供热的方式有两种：并联和串联方式。并联方式示意图如图1所示：图1太阳能系统与地源热泵系统并联供热方式串联方式示意图如图2所示：并联运行模式与串联运行模式相比，存在以下弊端：（1）当太阳能系统与地源热泵系统同时运行时，系统的循环水量为两者之和，太阳能系统能否直接供热，直接影响系统的循环水量，进而影响热泵机组的可靠性。
　　（2）在并联运行模式下，当Tg温度低于50℃时，太阳能不能被直接利用，只能去加热土壤，提高热泵机组蒸发器侧的温度。而在串联模式下，当Tg温度低于50℃，而高于40℃时，可以与地源热泵机组串联运行，充分提高地源热泵机组的COP值。
　　基于串联运行模式的优点，本示范工程采用串联运行模式。其运行策略为：在供暖初始时，由于采用了季节性蓄热的技术，同时，在室外温度较高的情况下，采暖负荷较小，此时，经过太阳能加热后的供水温度Tg较高，若温度高于50℃，则利用太阳能直接采暖；若供水温度低于48℃，并且高于40℃，则太阳能采暖系统与地源热泵系统串联运行，即经过太阳能加热后的水再经过地源热泵系统提升（达到50℃）后，供给末端。若供水温度低于40℃，并且高于20℃，则太阳能系统接入地源热泵系统的地下换热器，加热土壤的温度，同时提高热泵机组蒸发器侧的进水温度，以提高热泵机组的效率。若供水温度低于20℃，则太阳能系统直接接入热泵机组的蒸发器侧。
　　太阳能系统与地源热泵系统串联供热方式冷凝器侧进、出水温度（45/50℃）一定的情况下，不同的蒸发器进水温度对机组COP值的影响，如图3所示。
　　蒸发器水温度对机组COP值的影响图冬季，在无太阳能作为辅助热源的情况下，地源热泵系统长期运行后，地源热泵机组蒸发器侧的温度在0℃左右，机组的COP值仅为2.5；而在有太阳能作为辅助热源的情况下，地源热泵机组蒸发器侧的温度可以在20℃以上，机组的COP值在4.5以上。由上可以看出，太阳能系统和地源热泵系统联合运行后，能极大地提高系统对可再生能源的利用率。
　　蒸发器侧进、出水温度（5/0℃）一定的情况下，不同的冷凝器出水温度对机组COP值的影响.
　　冷凝器出水温度对机组COP值的影响图由上图可以看出，当冷凝器侧出水温度为40℃，机组的COP值为4.1，当冷凝器侧出水温度为60℃，机组的COP值为2.6.若太阳能－地源热泵系统与水温要求较低的末端系统（如地板辐射采暖系统）配套使用，将能极大地提高系统对可再生能源的利用率。
　　4.2太阳能系统与地源热泵系统联合制冷南区夏季采用地源热泵系统与太阳能－溴化锂制冷系统为办公区域提供冷量。在过渡季，仅采用太阳能－溴化锂制冷系统为办公区域提供冷量。
　　采用太阳能－溴化锂制冷系统时，需采用热管真空管太阳集热器。本项目采用了250m2集热器，设置在平屋顶上。太阳能－溴化锂制冷技术的示意图所示。
　　太阳能－溴化锂制冷系统原理图在制冷工况下，地源热泵系统与太阳能－溴化锂制冷系统交替运行，冷却系统均采用土壤U型地埋管换热器。根据蓄冷/热水箱中的温度判断地源热泵系统与太阳能－溴化锂制冷系统的启停。当蓄冷/热水箱中的温度低于设计值时，太阳能－溴化锂制冷系统运行，地源热泵系统停止；当蓄冷/热水箱中的温度高于设计值时，地源热泵系统运行，太阳能－溴化锂制冷系统停止。
　　5.结论
　　太阳能、地热能作为可再生能源，在建筑领域的能源利用中发挥着越来越重要的作用，它们的应用是解决我国能源和环境问题的重要措施之一。本文详细阐述了太阳能系统与地源热泵系统联合供热、制冷的原理，分析了太阳能系统与地源热泵系统的优化运行模式，为可再生能源的合理利用提出建议。