太阳能耦合地源热泵系统应用研究

太阳能耦合地源热泵系统应用研究

李雷

身份证号：13063719900210XXXX

摘要：近年来，随着经济的快速发展，地源热泵技术被称为21世纪最具有发展前景的节能新技术。本系统的设计以太阳能辅助，地源热泵为主，最大化地利用太阳能资源，在满足地板采暖制备的情况下，富裕的热量可以补充到生活用水当中去。介绍了太阳能耦合地源热泵供暖系统，通过实验验证了该系统可以有效恢复土壤温度，提高机组性能系数，能实现热泵长期稳定的运行。

关键词：太阳能；耦合地源热泵系统；应用研究

引言

社会进步，日新月异，而能源枯竭导致能源危机迫在眉睫。因此，提高能源利用率，大力发展绿色能源，促进社会节能环保，推动经济与环境可持续发展，是我们当代人肩上光荣的时代负担。我国太阳能资源丰富，但是太阳能资源在利用方面也存在一些缺点，太阳能在阴雨、雾霾天气中不能有效利用，其次它的流动性差。地源热泵也称为地热热泵，是利用地源能（土壤、地下水或地表水）进行冷热交换来作为热泵的冷热源。由于土壤导热系数较小，换热面积大，热泵系统长期连续运行，会使土壤温度场产生波动，运行不稳定。太阳能与地源热泵耦合系统是以太阳能与浅层地热能为复合热源的热泵系统，将太阳能热和地源泵热同步利用，相互结合，优势互补，有效提高热泵机组COP。太阳能和地热能作为稳定和绿色环保的可再生能源，蕴含着巨大的开发利用潜力。在研究联合供暖系统时，流体的温度值是太阳能耦合地源热泵系统中的一个关键参数，是整个系统进行模式切换的依据，它的监测对于太阳能和地源热泵系统的控制和运行都有着重要的意义，因此，本文所得的很多结论都是来源于实验中测得的数据。

1地源热泵的工作原理

与水往低处流一样，热量也是从温度高的地方流向温度低的地方。但是科学家利用能量守恒原理，借助能量的转换就能实现让水从低处向高处流动，同样的道理，热量也能够由低温向高温流动，这就是地源热泵的工作原理。地源热泵也被称为“热量提升装置”，它可以充分的挖掘环境介质中所储存的能量，将温位提高之后进行利用，地源热泵装置在工作过程中所消耗的功仅仅为整个供热量的三分之一或者更少。因此，地源热泵具有节能的特点。制冷模式，地缘水泵在制冷的过程中，首先对冷媒进行做工，利用的是机组中的压缩机来实现气液的转化。冷媒在蒸发器中会自然的吸收风机盘管所携带的热量。冷凝循环在吸收热量的过程中，在冷凝器的内部同时也产生冷凝作用，然后再通过水路循环系统将热量带走，转移到地下水和土壤中去，这样就会把室内的温度转移到地下去，风机盘管以冷风的方式向室内制冷，最终实现制冷的目的，制冷效果能达到13℃以下。供暖模式，地缘水泵在制热的过程中首先利用机组中的压缩机对冷媒做工，换向阀会对冷媒的流动方向进行控制。冷媒会在冷凝器蒸发作用下吸收热量，这些热量来源于水路循环过程中自动吸收的地下水以及土壤的热量。随后冷媒会进一步的循环，在此过程中依靠冷凝作用将风机盘管中冷媒所携带的热量吸收，风机盘管会以暖风的形式对室内进行供暖，最终实现了。

2太阳能耦合地源热泵系统应用

2.1地源热泵—太阳能复合系统

地源热泵-太阳能复合系统由四部分组成，分别是地源热泵机组、地热能交换系统、太阳能集热系统以及建筑物内系统。其能量来源主要是太阳能和浅层地热能。把太阳能集热系统和地源热泵系统有效的结合在一起，用来对建筑物在夏季供冷、冬季供暖以及提供生活中所需热水。

对于不同的季节，地源热泵—太阳能系统的流程是不一样的，下面主要介绍夏季供冷、秋季蓄热以及冬季供暖的流程。（1）夏季供冷流程。夏季供冷时，复合空调系统是由太阳能集热、负荷侧循环和地源侧循环系统这三部分组成。在工作的过程中，太阳能集热循环系统和地源热泵系统互不干涉，各自独立运行，而负荷侧循环系统正常的开启。其中，地源热泵系统作为冷源向建筑物供冷，太阳能集热系统作为热源向建筑物内提供生活热水。（2）秋季蓄热流程。秋季蓄热时，复合空调系统中的负荷循环系统以及地源侧循环系统中的地源热泵机组都停止工作。太阳能集热循环系统正常的运行，同时开启地源侧循环泵。在此过程中太阳能集热系统采集的热量一部分用来满足人们的生活热水，剩下的则依靠地下管蓄储存到了地下，等到冬季供暖时再使用。（3）冬季供暖流程。与夏季供冷时一样，冬季供暖时复合空调系统也是由太阳能集热、负荷侧循环和地源侧循环系统这三部分组成。只不过在工作过程中，太阳能集热循环系统与地源热泵系统不再是独立运行，而是要联合运行，正常开启地源侧循环泵。供暖热源主要来源于太阳能集热器以及地理管换热器。在热泵机组蒸发器中所提取的热量其中一部分来源于地下换热器，一部分来源于太阳能集热器。地源热泵—太阳能复合系统作为一种夏季供冷、冬季供暖以及全年提供生活热水源的绿色环保系统，其经济效益明显，具有广阔的市场。只要设计合理，地源热泵—太阳能复合系统所提供的能量能够占到建筑物所消耗的总能量的百分之六十以上。

2.2地源热泵—冰蓄冷耦合应用技术

虽然地源热泵能够供冷和供热，但是在夜间由于电力低谷的原因就不能进行蓄冷。冰蓄冷技术虽然能够在夜间蓄冷，但是其在冬季不能够供暖。因此将这两种技术通过合理的方法捏合在一起，就能优势互补了。与地源热泵—太阳能系统一样，地源热泵—冰蓄冷系统在不同的季节其流程是不一样的，下面主要介绍夏季供冷以及冬季供暖的流程。（1）夏季供冷流程。夏季供冷时，地源热泵与冰蓄冷联合空调系统主要由四个子系统组成，分别是供冷循环系统、蓄冰循环系统、制冷循环系统和冷却循环系统。其中供冷循环系统主要是向室内供冷；蓄冰循环系统主要作用是蓄冷；制冷循环系统主要作用是将热泵系统中的热量转移；冷却循环系统是将冷凝器中放出的热水进入到地热换热器中，然后将热量排入大地。（2）冬季供暖流程。冬季供暖时，地源热泵与冰蓄冷联合空调系统只有地源热泵系统工作，制冷剂在蒸发器中将地热换热器中循环液的热量吸收，再通过制冷剂循环系统将热量传递到室内。

3地源热泵的未来发展趋势

随着国家提出建设“环境友好型、资源节约型”的可持续发展道路，地源热泵这项技术肯定会得到突飞猛进的发展。总体上地源热泵的发展趋势主要有以下几点：（1）新型的热泵系统会不断的被开发出来；（2）土壤源、地表水源热泵数量会不断的增加，相应的地下水源热泵会减少。

结语

太阳能耦合地源热泵运行模式，能够实现全天候不间断的运行，而且在保证房间舒适度的前提下，可以充分地利用太阳能和地热能。通过研究太阳能耦合地源热泵系统，为建立科学的多能源耦合利用系统的优化设计方法奠定基础，克服了单独运用时所产生的弊端，提高系统整体能效，真正实现节能减排。通过本实验验证，主要得到了以下结论：一是太阳能耦合地源热泵供暖系统可有效提高机组热泵COP，节省运行费用，节能减排，符合我国可持续发展的要求。避免冻土现象的发生，有效恢复地下温度场，保证热泵机组长期稳定高效率运行。二是将太阳能与地热能结合，改变了传统的太阳能或地源热泵单独供热采暖的模式，实现真正的节能减排，并为在上海地区建成国内技术领先的太阳能耦合地源热泵热水和采暖组合系统示范工程提供可靠的基础数据。

参考文献：

［1］胡松涛，张莉，王刚．太阳能－地源热泵与地板辐射空调系统联合运行方式探讨［J］．暖通空调，2005，35（3）：41-44

［2］王雁生，王成勇，陈文明，等．太阳能+地源热泵并联热水系统冬季运行特性研究［J］．暖通空调，2009，39（9）：70-74

［3］郑祖义．热泵空调系统的设计与创新［M］．武汉：华中理工大学出版社，1994