太陽(yáng)能-地源熱泵聯(lián)合供能系統(tǒng)

文/張風(fēng)合

傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)自身冷熱源直接影響系統(tǒng)運(yùn)行效率，且傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)熱源具有單一性，熱源分別為：空氣、水源、太陽(yáng)能。其中，空氣熱源受氣溫影響運(yùn)行不穩(wěn)定，各季節(jié)熱量差異大；水源熱泵受水資源面積影響無(wú)法推廣；太陽(yáng)能受晝夜交叉、地球運(yùn)動(dòng)變化不穩(wěn)定。傳統(tǒng)地源熱泵地埋管換熱器吸熱效果不理想，且需要鉆井支持，系統(tǒng)建設(shè)及維護(hù)需要大量資金投入，運(yùn)行中，熱源被不斷索取，周圍熱量減低，相應(yīng)的熱泵性能受到一定影響。以太陽(yáng)能-地源熱泵方式，可克服單一性熱源缺點(diǎn)，在建筑及溫室中應(yīng)用效果良好，具有推廣意義。

1 太陽(yáng)能-地源熱泵系統(tǒng)分析

1.1 設(shè)計(jì)提出

針對(duì)建筑耗能比例夸張現(xiàn)狀，以太陽(yáng)能-地源熱泵，利用新型能源及可再生能源，貫徹節(jié)能和減排理念。地源熱泵需吸收的土壤熱平衡，單一性地源熱泵持續(xù)使用將導(dǎo)致能量失衡，影響系統(tǒng)效率。綜合考慮，提出以太陽(yáng)能-地源熱泵結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)供暖、供冷。

1.2 系統(tǒng)流程特點(diǎn)

冬季供暖，若室外溫度高，則采暖負(fù)荷小，經(jīng)太陽(yáng)能加入后，供水溫度高，50℃上，則直接通過(guò)太陽(yáng)能供熱。冬季太陽(yáng)能加熱水后，經(jīng)地源熱泵再次升溫，至50℃后供給給用戶終端。若水溫處于20℃-40℃間，將太陽(yáng)能聯(lián)合地源熱泵換熱器，可間接加熱地源熱泵周圍土壤溫度，提高熱泵機(jī)進(jìn)水水溫，以此延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高效率。若水溫<20℃，太陽(yáng)能接入地源熱泵蒸發(fā)器位置，加熱水溫。夏季太陽(yáng)能-地源熱泵由地源熱泵制冷，以太陽(yáng)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)低下溫度，若系統(tǒng)無(wú)法采暖，可以太陽(yáng)能系統(tǒng)維護(hù)供暖。

2 太陽(yáng)能-地源熱泵的優(yōu)越性

太陽(yáng)能-地源熱泵以太陽(yáng)能+土壤熱能聯(lián)合利用，系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱、地埋管換熱、熱泵循環(huán)及用戶使用部分組成。太陽(yáng)能和地?zé)崮苄纬苫パa(bǔ)，太陽(yáng)能彌補(bǔ)熱負(fù)荷大量需求，地?zé)峥朔?yáng)能季節(jié)、天氣性熱量供應(yīng)差異。地?zé)崮苤腥谌胩?yáng)能，地?zé)崮荛g歇運(yùn)行，維護(hù)土壤溫度，提高熱泵COP，此外，可減小蓄熱水箱容量，省去輔助熱源。

3 建筑領(lǐng)域太陽(yáng)能-地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 蓄熱

太陽(yáng)能-地源熱泵蓄熱選擇多，運(yùn)行匹配靈活。對(duì)地下儲(chǔ)能罐、U 型土壤埋管分析，兩者結(jié)合，冬季供暖中，低下蓄能可穩(wěn)定太陽(yáng)能熱泵功能，減少輔助熱源大??；U 型地埋管及鉆井和優(yōu)化太陽(yáng)能系統(tǒng)蓄能?？萍及l(fā)展背景下，太陽(yáng)能-地源熱泵逐漸形成季節(jié)性儲(chǔ)蓄能，改善系統(tǒng)COP。

太陽(yáng)輻射具有間歇性，影響太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)、收集、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移。因此，需研究何種材料適應(yīng)太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)：研究表示，應(yīng)用PCM 可提高熱泵水箱蓄熱能力，將集熱器和房間負(fù)荷穩(wěn)定調(diào)節(jié)，最佳狀態(tài)下，供熱COP 達(dá)到6.5。

3.2 性能及經(jīng)濟(jì)性分析

在某工程項(xiàng)目中，儲(chǔ)熱系統(tǒng)由100 個(gè)10m深鉆井地源熱交換器支持，和太陽(yáng)能集熱器幾何，使得集熱器和室內(nèi)熱水系統(tǒng)連接，夏季以集熱器供應(yīng)，周圍補(bǔ)熱達(dá)到最大限度。此外，某住宅系統(tǒng)將地源熱泵和太陽(yáng)能集熱器結(jié)合，負(fù)擔(dān)500m2住宅供熱，電力需求節(jié)省到總熱負(fù)荷9%，剩余由太陽(yáng)能-地源熱泵系統(tǒng)供應(yīng)。由此可見(jiàn)，太陽(yáng)能-地源熱泵系統(tǒng)就有良好節(jié)能效果，運(yùn)行效率穩(wěn)定。

3.3 運(yùn)行特性

太陽(yáng)能-地源熱泵可實(shí)現(xiàn)多樣化組合，分析區(qū)域化氣候、地質(zhì)、太陽(yáng)能，比對(duì)后，獲取季度性系統(tǒng)科學(xué)運(yùn)行模式，提高能源利用率?？烧{(diào)節(jié)系統(tǒng)飯呢，掌握單獨(dú)供暖、制冷，熱泵弓弩單、太陽(yáng)能-地源熱泵運(yùn)行情況，確定最優(yōu)運(yùn)行工況。

3.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合自動(dòng)化、智能化技術(shù)，優(yōu)化太陽(yáng)能-地源熱泵能耗模型，發(fā)現(xiàn)耗能嚴(yán)重位置并改善。可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬，發(fā)現(xiàn)地源熱泵可降低峰值負(fù)荷，太陽(yáng)能-地源熱泵可穩(wěn)定鉆井溫度。因此，將垂直地埋管換熱器作為季度性蓄能的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)模擬分析，為優(yōu)化蓄能容積、提高集熱面積奠定基礎(chǔ)。

以TRNSYS 模擬，得到：在4KW 熱泵及100m 地?zé)峋到y(tǒng)中，融入太陽(yáng)能技術(shù)，SPF明顯增加，且電力需求減少。對(duì)三個(gè)太陽(yáng)能-地源熱泵系統(tǒng)SPF 分析，發(fā)現(xiàn)其同步增長(zhǎng)2.0，且熱系統(tǒng)溫度明顯降低。由此可見(jiàn)，模擬方式可分析系統(tǒng)組件對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響，為系統(tǒng)優(yōu)化提供理論支持。

4 沼氣工程中太陽(yáng)能-地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用

太陽(yáng)能-地源熱泵支持下的沼氣池可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，由太陽(yáng)能集熱器、地埋管換熱器、熱泵機(jī)、加熱池、中轉(zhuǎn)水箱組成。

中溫（35℃）、高溫（53-55℃）的沼氣發(fā)酵溫度適宜微生物生成，35℃條件下，微生物較活躍，不影響工程運(yùn)行。

以某市農(nóng)村沼氣集中供氣工程進(jìn)行分析，其沼氣池容量V=68m3，吃滴、池壁有6cm 保溫次啊來(lái)哦，頂部有塑料膜覆蓋。為充分利用沼氣余熱，設(shè)計(jì)混料池、沉淀池，結(jié)合沼氣池，1d 投入500kg 生物糞便，進(jìn)料30min。不計(jì)算沼氣帶走少量熱量，以

Qs1=AK(t1-t2)

計(jì)算沼氣散熱量。其中：

式中，

R 總熱阻，（m2·℃）/W

K 總傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）

α1池壁及沼液對(duì)流換熱系數(shù)W/（m2·℃）

α1外壁及空氣對(duì)流換熱系數(shù)W/（m2·℃）

λ1發(fā)酵池壁材料導(dǎo)熱系數(shù)W/（m2·℃）

λ1發(fā)酵池保溫導(dǎo)熱系數(shù)W/（m2·℃）

δ1發(fā)酵池壁厚（mm）

δ2發(fā)酵池保溫層厚度（mm）

5 結(jié)論

研究表明，該沼氣工程以回流稀釋進(jìn)料需225.01MJ/d 熱量，冷水稀釋進(jìn)料359.65MJ/d 熱量，225.01<359.65；沼氣工程全天需熱量3092.704MJ/d，對(duì)某市農(nóng)村沼氣集中供氣工程經(jīng)濟(jì)分析，10月到次年5月為供熱經(jīng)濟(jì)其，電價(jià)在0.5 元以上時(shí)，太陽(yáng)能-地源熱泵系統(tǒng)最優(yōu)集熱面積24m2、32m2，太陽(yáng)能-地源熱泵相較于電熱膜系統(tǒng)節(jié)約10830、59244 元，具有推廣價(jià)值。