太陽能—地源熱泵冷暖熱水三聯供系統分析

張朝偉

摘 要：太陽能-地源熱泵組合系統是將太陽能與地源熱泵相結合的高效、節能、綠色、環保的系統，可實現供熱、空調和供熱水三聯供。在夏季太陽能充足的情況下，通過蓄熱裝置將過剩的太陽能儲存在土壤中；冬季太陽能不足時，通過地源熱泵將夏季儲存的能量取出加以利用。

關鍵詞：太陽能；地源熱泵；冷暖熱水；三聯供

中圖分類號：TU832.1+7 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.129

1 典型項目概況

1.1 項目概況

以天津某物流公司新建辦公樓工程為例，建筑總空調面積3 400 m2，其中，辦公樓面積2 090 m2，會議室與食堂面積958 m2，輔助區面積240 m2。

1.2 室外設計參數

室外設計參數如表1所示。

1.3 空調室內設計參數

夏季：溫度為24～26 ℃，相對濕度小于或等于60%；冬季：溫度為18～22 ℃，相對濕度大于或等于30%.

1.4 設計依據

設計依據為《采暖通風與空氣調節設計規范》和《地源熱泵系統工程技術規范》（GB 50366—2005）。

1.5 負荷計算

經計算，該系統總冷負荷為296 kW，熱負荷208 kW。

2 系統技術、經濟分析

2.1 技術分析

太陽能-地源熱泵冷暖熱水三聯供系統由地源熱泵空調系統和太陽能光熱系統兩部分組成。地源熱泵空調系統由室外地埋管、熱泵機組和末端風機盤管組成，利用淺層地能對建筑物進行供熱制冷。太陽能光熱系統主要就是太陽能熱水器。目前，普遍以真空管式太陽能熱水器為主，承擔建筑物的生活熱水。

根據以上兩種系統的特點，將兩者有機地結合起來，即形成太陽能-地源熱泵冷暖熱水三聯供系統。通常，地源熱泵在供冷時的工質的冷凝，大多通過土壤換熱器或井水冷卻。這部分巨大的熱能就浪費了，并且系統消耗大量的電能。帶熱回收地源熱泵機組巧妙地將這部分熱能加以利用，比如用作生活熱水。其做法就是在高溫、高壓的氣態工質進入冷凝器初端時，再加一套熱回收用的熱交換裝置，再由土壤換熱器或井水冷卻。熱回收地源熱泵機組具有可選的熱回收功能，即可將25%冷負荷部分熱回收或全熱回收，在制冷季用戶可免費得到生活熱水，冬季可在供暖的同時提供生活熱水。這樣既解決了地源熱泵系統的熱平衡問題，又降低了太陽能熱水系統的能耗，可謂一舉兩得。

2.2 經濟分析

2.2.1 空調冷暖系統全年運行費用比較

全年運行費用：130 475.5+142 571.5=273 047元。

全年運行費用比較：273 047-175 960.6=97 086.4元。

由此可見，帶熱回收地源熱泵空調系統比風冷熱泵空調系統年運行費用可節省97 086.4元。

2.2.2 生活熱水系統運行費用比較：

以該項目為例，該項目100人次洗浴日需要50 ℃生活熱水5 t，冬季地源熱泵機組帶部分熱回收裝置熱回收熱量為73 kW。自來水進水溫度為5 ℃，生活熱水出水溫度為50 ℃，溫差為45 ℃。每小時產水量為（溫差45 ℃）73/45/1.163=1.394 t。空調機組運行時間為5/1.394=3.58 h，空調機組消耗電量為45×5×1.163/4=65.4 kW·h，日電加熱5 t生活熱水（45 ℃溫差）所需電量為1.163×45×5/0.96=272.6 kW·h（電加熱功率為96%），日節約電量為272.6-65.4=207.2 kW·h。

天津地區月平均氣溫大于或等于10 ℃，全年日照時大于或等于6 h/d的晴朗天氣為250～275 d，需要輔助熱源天數為90～115 d。

冬季平均按照90 d估算太陽能不足以滿足生活熱水需要，電價按1元/kW·h計算，則冬季節約電費估算為90×207.2=18 648元。夏季，太陽能充足，基本不需要電輔助加熱。

因此，與一般太陽能加電輔助系統相比，太陽能加帶熱回收地源熱泵系統全年節約電費為18 648元。

2.2.3 全年運行比較

通過實際工程測算，太陽能-地源熱泵冷暖熱水三聯供系統與常用風冷熱泵空調系統加以電輔加熱作為太陽能熱水輔助熱源系統相比，2 000 m2建筑物全面運行費用節省10萬元，其經濟效果相當顯著。