太阳能辅助地源热泵系统研究现状

太阳能辅助地源热泵系统研究现状

张翼高

 610528199003257513

摘要：随着科技的发展，人类对于能源的需求逐渐增大，能源短缺问题日益严重。地源热泵系统是利用地球表面浅层地热资源作为冷热源进行供热、制冷的空调系统，地源热泵的使用可以有效缓解能源危机。为了克服单一热泵技术的局限性，以清洁能源太阳能作为辅助热源的太阳能辅助地源热泵（SAGSHP）系统得到了广泛应用。本文通过对太阳能辅助地源热泵系统的研究现状进行综述，分析了当前太阳能辅助地源热泵在研究和应用中的不足之处，最后对其未来的研究方向做出了展望。

关键词：地源热泵、太阳能、节能

1引言

能源是人类生存和发展的必需品，然而，经济的不断发展和人们生活水平的提高使得能源消耗量逐年增大，由此带来的能源消耗问题也就日益严重。由能源大量消耗所引发的环境问题受到了更多、更广泛的关注与重视。根据最新发布的 2021 年《BP 世界能源统计年鉴》报告指出：尽管石油消费量与往常相比大幅下降，但石油消费量仍以 31.2%的占比在全球能源消费结构中高居榜首。在我国，建筑能耗占全国总能耗的比重较大，因此，可再生能源的开发和利用也被提升到了国家战略地位 。进而以土壤为冷热源的地埋管地源热泵技术得到了快速的发展，但因其在严寒地区为建筑供暖会引起严重的土壤热失衡问题 ，进而相关学者提出利用太阳能辅助地埋管地源热泵系统为建筑供能，以期改善采用单一土壤热源供能的弊端。

2 地源热泵系统

地源热泵系统是一种利用地表浅层地热资源作为冷热源进行供热和制冷的空调系统。世界能源危机以及日益严重的环境污染问题使得地源热泵技术越来越受到人们的关注和应用。但地源热泵本身仍存在着一些局限性，如初始投资较大；土壤导热系数小需要较大的换热面积，施工难度较大；且年制冷量或制热量的不一致也会打破土壤的热平衡；其中最为主要的是系统长期的运行导致的土壤热失衡，不仅会热泵机组运行效率降低，也会造成热泵运行工况的不稳定。因此，为了克服单一热泵技术的局限性，对于辅助地源热泵与其他节能技术耦合的研究成为主要研究方向。使用多种能源进行供热和供冷，进行优势互补，是当今能源利用方式的发展趋势。在以供暖为主的地区常常使用辅助装置辅助地源热泵系统，根据辅助热源形式的不同可分为锅炉加热、太阳能、电加热、余热等。其中，以清洁能源太阳能作为辅助热源的复合式地源热泵系统应用较为广泛。

3 太阳能辅助地源热泵系统

3.1 工作原理

下图为太阳能辅助地源热泵系统的示意图，运行时通过调节蓄热水箱上的阀门可实现辅助功能。具体实现方式有两种：一种是阀门 1 打开，阀门 2 关闭，使太阳能集热器达到既可以集热又能辅助供热的效果; 另一种则是阀门 2 打开，阀门 1 关闭，在这种模式下，太阳能集热器先集热，待到储存了一定热量后再进行辅助供热。

夏季热泵运行模式: 蒸发器使冷水回水放热，再使土壤吸收通过地埋管传递出来的热量。冬季热泵运行模式: 冷凝器使热水回水吸热，再从土壤吸收通过地埋管传递出来的热量。制热工况下，地埋管入口(位于蒸发器侧) 的温度过低时，就会启动太阳能集热系统。

3.2 研究分析

目前，在建筑领域中，太阳能集热系统和地源热泵系统是利用清洁可再生能源供热的主要方式。太阳能作为可再生能源存在着资源丰富、便于采集等优点，但其作为单一热源应用在建筑供暖中仍具有一定的局限性，如: 易受太阳辐照度、气象参数和季节因素等的影响、寿命短、间歇性和波动性较大等。而地源热泵具有使用时间长、运行维护费用较低、节能环保等优点，但其长时间运行容易导致土壤热失衡和系统效率降低等问题。因此，将太阳能和地源热泵结合起来用于建筑供热可以充分发挥二者优势，又能够弥补各自系统的不足，还能改善由于土壤温度偏低引起的热泵性能下降的问题。由此引发研究者们开展了大量的理论、实验研究，进而成为学者们研究的热点。

3.3 目前研究中的不足

近年来，从国内外对于太阳能地源热泵系统进行了的大量实验与理论研究中可以看出，太阳能辅助地源热泵系统较普通地源热泵系统相比具有一定的节能优势，但目前的研究仍存在以下不足。①适用性问题：目前的研究所得结论与地域气候特征有很强的关联，在什么样的气候下，太阳能地源热泵系统的适用问题仍没有定量答案。②设计优化问题：受条件所限，无法避免一些部件的（㶲）损失，而目前热力学分析中并没有考虑到这些问题。③运行模式优化：系统对太阳能的利用效率以及短期或跨季节热存贮问题均与运行模式息息相关，而目前大多研究的是具体系统和具体运行模式之间的比较，在指导实际系统运行模式优化方面缺乏一定的指导意义。④缺乏必要的工具和手段：太阳能地源热泵系统复杂且运行模式多样，属于复合热源热泵系统，特别是在对地下进行动态研究时需要实际工程的检验。⑤整体性能受季节性和区域性影响较大：当前研究对象主要为特定地区的太阳辐射强度以及土壤性质，然而，当同一机组处于不同的环境运行时未必会产生相应的节能效果，导致太阳能地源热泵系统无法规模化量产。

4展望

我国对太阳能地源热泵系统的研究大多针对民用建筑物的供暖以及生活热水的供给，还缺乏对应用于工业建筑供热方面的研究。因此，可将研究方向拓展到系统在不同功能建筑中的适配情况中去，这样才有利于太阳能地源热泵的推广，使系统的应用更具有普遍性。目前国内对太阳能辅助地源热泵系统的研究大多为实验和模拟，其运行性能与实际工程条件下的应用存在一定的偏差。因此，在后续的研究中可尝试将整套系统投入到较大工程应用中，针对更多的大型工程实例对系统的运行及匹配方式进行深度的分析及评价。

结语

太阳能属于清洁无污染的可再生能源，将其作为辅助热源应用在空调、供暖、制冷等方面，具有广阔的发展前景。将太阳能与地源热泵技术联合使用，既可以充分发挥太阳能的优势，又可以避免太阳能在利用过程中存在的间歇性及不稳定性等缺点。在提高系统性能的同时，实现了运行模式的多样化，达到了节能的效果，有助于生态系统的稳定。我国所处区域对于太阳能的利用比较有利，当前太阳能辅助地源热泵系统面临的一些问题，将会随着科技水平的不断提高逐步得到解决。太阳能辅助地源热泵技术，也会更好地发挥节能环保的优势，成为暖通空调可持续发展的新方向。

参考文献

[1]冯国会,张磊,常莎莎,黄凯良,李艾浓.严寒地区太阳能跨季节蓄热-地源热泵耦合系统性能研究[J].暖通空调,2021,51(S1):202-206.

[2]刘逸,陈培强,李可欣,徐莹.严寒地区太阳能辅助土壤源热泵系统匹配优化研究[J].流体机械,2020,48(12):74-79.

[3]李双双.寒冷地区跨季节蓄热型太阳能耦合地源热泵系统的优化设计[D].天津大学,2020.

[4]韩子辰.户式地源热泵-太阳能供暖系统耦合特性研究[D].河北工程大学,2021.

[5]黄丽嫦,骆超,龚宇烈,曲勇,王海祥.地埋管地源热泵-太阳能联供系统性能测试与分析[J].制冷与空调,2020,20(11):64-68.

[6]张荣,张勇,刘凯,王楠.西北地区太阳能-地源热泵复合供热系统应用分析[J].能源与节能,2020(09):53-56.

[7]王志浩,刘金欣,李彤,邓诗涵.温和地区建筑采暖需求与地域适应性策略研究[J].制冷与空调(四川),2021,35(04):509-513+526.