談太陽能與地源熱泵聯合供熱★

徐子龍 程鵬月 任佳藝 劉 錦 趙 琦

(河北建筑工程學院,河北 張家口 075000)

隨著可再生能源供熱技術的發展，其應用范圍不斷擴大。我們現在急切需要提高利用可再生能源供熱的技術，也應該進一步使規?；瘧梅€定，這樣才能實現我國能源結構的調整和能源消費總量的控制，進而可以持續性的利用能源。迅速發展的太陽能與地源熱泵技術是一項多用途、清潔、高效節能而且可持續發展的能源利用技術，其二者組合應用可以用于夏季空調制冷，冬季采暖和熱水供應，用熱回收技術?？梢酝瑫r實現制冷和制熱，在建筑能源利用中，具有廣闊的運用前景。

1 太陽能熱利用

太陽能利用技術從能量轉換方式來分，有三種方式：即光熱轉換、光電轉換和光化學轉換。其中應用最廣的是光熱轉換技術。它是將太陽輻射能轉換成熱能加以利用的技術。吸熱體吸收太陽輻射后提升溫度，再通過傳熱工質把得到的熱量轉移，再得到利用。一般情況下物體吸收的太陽輻射范圍是從紫外區到紅外區，但是利用價值最大的一部分是近紅外光區和可見光區，其波長是0.4 μm～1.9 μm。一般的太陽能利用系統由兩部分組成，一種是光熱轉換，大多是各種各樣的太陽集熱器；另一種是熱能利用，大多是各種用熱裝置，都是根據具體的使用要求而設計的。光熱利用種類繁多，可按其使用溫度的高低劃分為低溫(200 ℃以下)、中溫(200 ℃～500 ℃)和高溫(500 ℃以上)三大類。目前以200 ℃以下的低溫熱利用發展最快，應用面最廣，取得了顯著節能和環境效益，并已不斷開發而形成一定規模產業。如一般生活單位利用各式太陽能熱水器供熱采暖，游泳池利用太陽能加溫過冬，因為中、高溫應用的技術很復雜，高標準的材料和加工技術要求以及收益太少等情況，大多數的應用仍處于研究階段。

太陽能作為現代社會的一種清潔能源，也有其獨特的優點：

1)取之不盡，用之不竭。每年到達整個地球表面的太陽輻射能的總量約為6×107kWh，可持續數10億年。

2)太陽能是可再生的且使用后不產生也不殘留任何污染的最潔凈能源。

3)太陽能是遍布全球、遍地皆是的不受任何集團或國家壟斷的自然資源。

4)太陽能產品如太陽能熱水器不像燃氣熱水器和電熱水器那樣存在中毒、爆炸甚至致人傷亡的事故等隱患，它是最安全、衛生的環保產品。

其局限性：

1)分散性：主要表現在能量密度低，即使在太陽能資源較豐富地區，地面上接收到太陽輻射量也小于1 kW/m2，因而若要獲得較大能量，集熱器采光面積必須要相當大。若要獲得較高能量密度，必須要聚光。

2)間歇性：由于氣候變化，如陰天下雨時，太陽輻射能量甚微。若要連續利用太陽能，必需要考慮能量貯存，或利用常規能源制作輔助裝置。

3)變化性：地球晝夜及季節的變化，使太陽能量成為一個變化的數值。若要充分利用太陽能，尤其是高溫利用時，必需要考慮自動跟蹤等問題。

所以在太陽能利用過程中，為了更好地揚長避短，往往采取以太陽能為主，常規能源為輔，二者相結合。如集體用太陽能熱水系統，設有定時自動輔助電加熱裝置或定時自動燃油(氣)熱水爐或熱泵設備，既可滿足用戶需求，又獲得顯著的經濟效益和社會效益。

確定太陽能集熱器總面積應符合下列規定。

直接系統集熱器總面積應按下式計算[1]：

其中，Ac為直接系統集熱器總面積，m2；QH為建筑物耗熱量，W；JT為當地集熱器采光面上的平均日太陽輻照量；f為太陽能保證率，%；ηcd為基于總面積的集熱器平均集熱效率，%；ηL為管路及貯熱裝置熱損失率，%。

2 地熱直接利用——地源熱泵供熱

我國地熱資源豐富，據十年前的統計，已發現的地熱露頭點就已達2 500余處，全年天然放熱量可達4.399×1018kJ，約合1 500億t標煤/年。我國地熱資源總量雖然不少，但是98%以上都是105 ℃以下的中低溫熱水型的資源，高溫資源甚少。量大而溫度低，這是我國地熱資源的第一個特點；另一個特點是，這些地熱資源大都不是在深山老林人跡罕見之處，而是離主干線公路、鐵路不遠，交通比較方便，離人口稠密區不遠(或就在其中)，易于開發。

地源熱泵系統主要可以分三種：土壤源地埋管系統，此系統是通過土壤耦合地熱交換器來實現地熱利用，土壤交換器可根據埋管方式的不同分為水平、豎直和螺旋形埋管，水平埋管施工方便造價低，但換熱效果差，受地面溫度波動影響大，且占地面積較大，豎直和螺旋埋管占地面積小，可利用的土壤溫度，在全年范圍內都相對穩定，如此一來熱泵的運行也會穩定，但缺點就是初投資比較大；地下水地源熱泵、地表水地源熱泵，此二者分為開式和閉式兩種系統，顧名思義，開式系統是將地下水抽取直接供應于供暖系統，但容易腐蝕管路，閉式系統是通過板式換熱器與地下水換熱，但是換熱效果有所降低，地表與地下的區別是地下水溫度恒定，地表水溫度容易受到環境溫度和水深等因素的影響。因此由于我國人口眾多、人均居住面積小，所以目前我國采用較多的是第一種土壤源豎直埋管地源熱泵系統。

雖然經過了幾十年的應用與研究，但是我國的地源熱泵技術還尚未達到完全成熟的水平。在目前的一些文獻中，可以參考的地源熱泵豎直地埋管換熱量的計算途徑有很多，但在2009版地源熱泵設計技術規范中附錄B所列舉的方法無疑是最權威的，并且王海濤，鄭德錄等人將規范的方法結合工程實際進行了針對性的研究，給出了地埋管換熱器每米換熱量的計算方法，本文予以借鑒采用。

供熱工況下，單位孔深換熱量可按如下公式計算[3]：

其中，qh為供熱工況下單位孔深換熱量，W/m；tf為供熱工況下，地埋管換熱器中傳熱介質的設計平均溫度，通常取-2 ℃～5 ℃；Fh為供熱運行份額；Th1為機組供熱運行小時數，取最冷月份水源熱泵機組的運行小時數；Th2為一個供熱季的小時數，取最冷月份的小時數。

3 太陽能輔助地源熱泵

太陽能輔助地源熱泵見圖1。

夏季熱泵的運行模式：蒸發器使冷水回水放熱，再使土壤吸收通過地埋管傳遞出來的熱量。冬季制熱泵的運行模式：冷凝器使熱水回水吸熱，再從土壤吸收通過地埋管傳遞出來的熱量。如若制熱工況下，地埋管入口(位于蒸發器側)的溫度過低時，就會啟動太陽能集熱系統。

圖1所述的系統，若想實現輔助功能，可以調節蓄熱水箱上的閥門，具體的實現方式有2種：一是使太陽能集熱器又集熱又輔助供熱；另一種是太陽能集熱器先集熱，儲存了一定量之后再輔助。前者實現方法是，閥門1打開，閥門2關閉；后者的實現方式是閥門2打開，閥門1關閉。如此一來，單獨的地源熱泵系統運行所產生的區域巖土溫度持續波動現象可以得到有效解決。

4 結語

1)太陽能與地源熱泵都是可再生、無污染的能源利用技術，如果將兩種系統獨立使用，都會在某方面有些局限性，將二者聯合使用，系統性能就會增強，還可以實現運行模式多樣化，有利于節能，有助于生態系統穩定。

2)太陽能地源熱泵聯合應用系統的工程設計，必須采用與結合當地采暖空調的運行方案，也就是依據當地的太陽能輻照狀況和當地的巖土熱物性，對聯合系統的設備部件進行能量平衡的分析計算，使設計合理經濟。