山東省城建設計院      韓明坤

摘   要：隨著我國能源的緊缺和《可再生能源法》的頒布和實施，太陽能、淺層地熱能作為可再生能源，在建筑中的應用越來越受到人們的重視，但無論太陽能系統還是地源熱泵系統單獨運行時有一定的局限性，對于兩者優化運行方式的研究很少。本文以某一實際工程為例，對如何優化太陽能系統與地源熱泵系統的運行方式進行了研究，分析了太陽能系統與地源熱泵系統優化運行的技術可行性以及如何充分利用太陽能資源，實現梯級利用提出了合理的建議。

關鍵詞：可再生能源；太陽能；地源熱泵；優化運行方式

       1  引言

       我國能源的消費結構不合理，以煤為主的能源供給造成了嚴重的大氣污染和溫室氣體排放。因此，節約能源和開發利用清潔、可再生能源的任務十分緊迫。可再生能源在建筑中的應用是建筑業技術進步和行業發展的需要，隨著2006年1月《可再生能源法》的正式頒布與實施，太陽能、淺層地熱能在建筑行業中的應用越來越受到人們的重視。

       地源熱泵技術是可再生能源應用的主要方向之一，即利用淺層地熱能資源進行供熱與空調，具有良好的節能與環境效益，近年來在國內得到了日益廣泛的應用。隨著《地源熱泵系統工程技術規范》的實施，地源熱泵系統工程的市場更加規范化，能更好地發揮其節能、環保效益。但該系統存在土壤溫度場的恢復問題，即隨著地源熱泵系統連續長期的運行，會從地下過多的取熱或過多的散熱，造成地下溫度場的波動，降低機組的COP值，增加系統能耗。

       圖1表示出了北京某實際工程單獨采用地源熱泵系統時，10年內地埋管換熱器進出口水溫及土壤溫度的變化。

圖1   10年內地埋管換熱器進出口水溫及土壤溫度變化圖

       從圖1可以看出，10年內土壤溫度由初始的15度，下降到10.2℃，下降了4.8℃。冬季，熱泵機組的最低出水溫度由最初的3℃下降到-0.5℃，吸熱量和排熱量存在極大的不平衡。

       太陽能技術也是可再生能源應用的主要方向之一，太陽能是永不枯竭的清潔能源，量大、資源豐富、綠色環保。但也有一些缺點：（1）太陽能的能流密度低，且因地而異，因時而變。（2）太陽能具有間歇性和不可靠性。太陽能的輻照度受氣候條件等各種因素的影響不能維持常量，如果遇上連續的陰雨天氣太陽能的供應就會中斷。此外，太陽能是一種輻射能，具有即時性，自身不易儲存，必須即時轉換成其它形式能量才能利用和儲存。

       地源熱泵技術和太陽能技術自身存在這些局限性，如果兩種能源可以聯合使用，這樣能互相彌補自身的不足，提高資源利用率。

       2   太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行的原則

       太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行時，應遵循如下原則：

     （1）可再生能源利用的前提是必須采用節能建筑，以降低系統的初投資。太陽能的能流密度較低，太陽集熱系統的價格在目前仍然偏高；地源熱泵系統與常規系統相比，初投資也較高。為了盡可能減少系統的初投資，必須保證建筑圍護結構符合節能規范的要求，以降低供暖、空調系統的負荷需求。

     （2）與供水溫度要求低的末端系統配套使用。目前高溫型的地源熱泵機組COP值較低，對于常規地源熱泵機組來說，供熱時，出水溫度較低。同時，太陽集熱系統的集熱效率與集熱系統的出水溫度有關，溫度越高熱損失越大，集熱效率降低，因此在選擇供暖系統時應優先選擇供水溫度要求低的形式，如地板輻射采暖形式。

     （3）在經濟許可的前提下最大限度地利用太陽能資源。太陽能是完全免費的，在利用過程中，僅消耗水泵能耗，運行費用低，所以在經濟許可的情況下，盡可能增大太陽集熱器的面積，延長太陽能利用的時間，以提高太陽能的利用率。

       3   太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行的方式

       本工程位于北京，建筑的功能主要是辦公室和實驗室，建筑面積2835m²。辦公區域夏季采用風機盤管加新風系統（冷凍水供回水溫度7/12℃），冬季采用地面輻射采暖系統（經散熱器后，熱水供回水溫度45/40℃）；試驗區域夏季不設空調，冬季采用輻射型散熱器采暖系統（50/45℃熱水供回水溫度），保證值班采暖溫度。采用地源熱泵系統、太陽能系統作為空調采暖系統的冷熱源。末端的散熱器系統與地板輻射采暖系統串聯運行，以加大系統的供回水溫差。
       該建筑的外圍護結構性能優良，達到了節能建筑的標準，因此該建筑的冷熱負荷較低，經過逐時負荷計算可知，冬季最大熱負荷為110kW，夏季最大冷負荷為60kW。采暖季逐時熱負荷總值為119746kW·h，制冷季逐時冷負荷總值為25072kW·h，熱負荷總值遠大于冷負荷總值。在這種情況下若單獨采用地源熱泵系統，必然存在吸熱量與排熱量極度不平衡的問題，那么，長期運行結果會使土壤溫度越來越低，也將降低熱泵系統的運行效率，最終導致冬季地源熱泵系統不能正常運行。為了解決吸熱量與排熱量不平衡的問題，提高地源熱泵系統的運行效率，可采用太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行的方式。
太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行時，通常有4種運行方式：（1）直接利用太陽能供熱；（2）太陽能與熱泵機組的冷凝器串聯運行；（3）太陽能加熱地埋管換熱器；（4）太陽能直接進入熱泵機組蒸發器。太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行原理圖如圖2所示。

圖2   太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行方式

       系統的控制策略為：     （1）經過太陽能加熱后的供水溫度Tg高于50℃時，直接利用太陽能采暖，此時閥門V1、V2開啟，水泵2、3、4開啟；閥門V3、4、5、6、7、8、9均關閉，熱泵機組關閉，水泵1關閉。（2）當Tg溫度低于50℃時，且高于40℃時，太陽能不能被直接利用，而是與熱泵機組冷凝器串聯，此時閥門V2、3、5、9開啟，水泵1、2、3、4開啟，熱泵機組開啟；閥門V1、4、6、7、8均關閉。（3）當Tg溫度低于40℃時，且高于25℃時，太陽能加熱巖土體側地埋管換熱器，此時閥門V3、4、6、7開啟，水泵1、2、3、4開啟，熱泵機組開啟；閥門V1、2、5、8、9均關閉。（4）當Tg溫度低于25℃時，且高于15℃時，太陽能直接進入熱泵機組的蒸發器，作為低位熱源，此時閥門V3、4、6、8開啟，水泵1、2、3、4開啟，熱泵機組開啟；閥門V1、2、5、7、9均關閉。（5）當Tg溫度低于15℃時，僅采用熱泵系統供暖。此時，閥門V3、4、5開啟，水泵1、2開啟，熱泵機組開啟；閥門V1、2、6、7、8、9均關閉。

       4   太陽能系統與地源熱泵系統優化運行的適用條件

       太陽能系統與地源熱泵系統采用何種聯合運行方式，主要與太陽能集熱器的面積及末端所需的供回水溫度有關。例如：集熱器的面積較大，可以使得系統的供水溫度較高，這是可以考慮直接利用太陽能供熱的方式，相反，若集熱器面積較小，產生的熱水溫度較低，則無法直接供熱。同樣的，若末端所需的供回水溫度較高，若超過60℃，則很難直接利用太陽能供熱，若末端所需的供回水溫度較低，在40℃以下，則可直接利用太陽能供熱。下面介紹了采用不同的集熱器面積時，對應的聯合運行方式。

       在北京，供暖期為11月15日至次年的3月15日，共2880個小時，典型氣象年中，有太陽輻照的時間為1179h，占總供暖時間的40.63%。為了便于分析，本文對于末端的供回水溫度要求為50/40℃。圖3表示出了在不同太陽集熱器面積情況下，太陽能系統供水溫度分別超過41℃、42℃、43℃、44℃、45℃、46℃、47℃、48℃、49℃、50℃的小時數。

圖3   不同太陽集熱器面積情況下熱水溫度超過41℃至50℃的小時數

       從圖3可以看出：（1）在太陽集熱器面積為140m²的情況下，太陽能系統供水的最高溫度為48℃，無法實現直接利用太陽能供熱。（2）在太陽集熱器面積為300m²的情況下，太陽能系統供水溫度超過50℃的小時數為52h（占總供暖時間的1.81%），雖然可以實現直供，但由于時間短，從增加自控復雜性、增加初投資的角度考慮，不建議采用直供的運行方式。（3）在太陽集熱器面積為500m²的情況下，太陽能系統供水溫度超過50℃的小時數為158（5.5%），可以實現直接利用太陽能供熱。（4）太陽集熱器面積由140m²增加到1000m²時，對太陽能系統供水溫度超過41℃的小時數變化影響不太大，由527小時（占總供暖時間的18.3%）增加到746（占總供暖時間的25.9%）小時，但對于超過50℃的小時數影響較大，由0小時（占總供暖時間的0%）增加到275小時（占總供暖時間的9.55%）。

       5   太陽能系統與地源熱泵系統優化運行方式的模擬分析

       對于本文第3節提及的某實際工程，筆者利用TRNSYS軟件進行了模擬計算。由于本項目的太陽集熱器面積比較小（140m²），所以采用太陽能換熱后的熱水進地埋管換熱器或者直接進入熱泵機組蒸發器的聯合運行方式。圖4、圖5分別表示出了1年內、10年內太陽能系統（僅冬季運行）與地源熱泵系統聯合運行時，1年內地埋管換熱器進出口水溫及土壤溫度變化的情況。

圖4   1年內地埋管換熱器進出口水溫及土壤溫度變化圖	圖5   10年內地埋管換熱器進出口水溫及土壤溫度變化圖

       從圖中可以看出，太陽能系統僅冬季運行時，10年內土壤溫度由初始的15度，下降到12.5℃，下降了2.5℃，吸熱量和排熱量仍然存在不平衡的現象，太陽能需在過渡季也要向土壤中蓄熱，具體模擬情況如圖6所示。

圖6   10年內地埋管換熱器進出口水溫及土壤溫度變化圖

       從圖6可以看出，當太陽能在過渡季也向土壤中蓄熱時，10年內土壤的平均溫度基本不變，吸熱量和排熱量基本平衡。

       但需要注意的是，太陽能在過渡季蓄熱時，需要消耗水泵的能耗，增加運行費用。因此，在實際工程中，是否采用過渡季蓄熱，需要綜合考慮。

       6   結論

       太陽能、淺層地熱能作為可再生能源，在建筑領域的能源利用中發揮著越來越重要的作用，它們的應用是解決我國能源和環境問題的重要措施之一。本文詳細闡述了太陽能系統與地源熱泵系統優化運行的方式、適用的范圍，為可再生能源的合理利用提出建議。

     （1）太陽能系統與地源熱泵系統聯合運行時，要優先采用太陽能。

     （2）在利用太陽能資源時，要梯級利用，順序依次為直供、與熱泵機組的冷凝器串聯運行、太陽能加熱地埋管換熱器或者太陽能直接進入熱泵機組蒸發器，最大限度發揮太陽能的作用。

     （3）利用太陽能、淺層地熱能時，建筑物必須節能，要最大限度降低供暖、空調系統的負荷，這樣才能發揮可再生能源的優勢。

     （4）盡可能提高太陽集熱器面積，增加太陽能直接利用的可能性。

參考文獻

       [1] 中國建筑科學研究院. 地源熱泵系統工程技術規范[S]. 北京:中國建筑工業出版社,2005.

       [2] 刁乃仁，方肇洪．地埋管地源熱泵技術[M]．北京：高等教育出版社，2006．

       [3] 崔萍.地熱換熱器的傳熱模型與設計計算[D] ．山東建筑工程學院，2002.

       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2019年4月刊總第20期。
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