一種新型的太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)秘文濤張建一陳天及張艷(上海水產(chǎn)大學(xué)食品學(xué)院，上海200090：集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，福建廈門(mén)361021；華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200237)【摘要】本文分析了太陽(yáng)能與地源熱泵的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及存在的問(wèn)題，針對(duì)目前常規(guī)太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的缺陷，構(gòu)思出了一套以生態(tài)理念構(gòu)建的復(fù)合式新型能源系統(tǒng)。進(jìn)而論述了該新型能源系統(tǒng)的工作方式，并闡述了該新系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。最后指出研究及開(kāi)發(fā)中存在的問(wèn)題,展望了其應(yīng)用前景。ANoveltySystemCombinedSolarEnergywiththeGroundSourceHeatPumpMiWentaoZhangJianyiChenTianjiZhangYan(CollegeofFoodScience.ShanghaiFisheriesUniversity,Shanghai200090,China；CollegeofMechanicalEngineering,JimeiUniversity,Xiamen361020,China：CollegeofMechanicalandPowerEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)*[Abstract]InordertoeliminatetheshortcomingsoftheconventionalSolar-GroundSourceHeatPump,acombinedenergysystemisdesignedbasedonthefundamentalofcompatibleenvironmentbeforeanalyzingtheirrespectivetechnicaladvantagesandexistingproblemsforthesolarenergyandgroundsourceheatpump.Thentheworkingmodesandeconomicanalysisofthenewsystemareillustrated.Finallyitsprimaryexistingproblemsarepointedoutandthedevelopingprospectisalsoelaborated.*[Keywords]Solarenergy;Groundsourceheatpump;Heatingandcooling;Absorptionrefrigeration1引言太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的綠色能源。在太陽(yáng)輻射條件良好的情況下，以太陽(yáng)能作為蒸發(fā)器熱源的熱泵系統(tǒng)可以獲得比空氣源熱泵更高的蒸發(fā)溫度，其系統(tǒng)的供熱性能系數(shù)（COP）可達(dá)4以上。此外，在太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)中，以太陽(yáng)能為驅(qū)動(dòng)熱源，不僅可以減小常規(guī)能源的消耗。而且還可以減輕由于采用氟利昂等人工合成工質(zhì)而引發(fā)的地球溫室效應(yīng)和對(duì)大氣臭氧層的破壞。但是太陽(yáng)能有兩個(gè)嚴(yán)重不足：一是能流密度低：二是其強(qiáng)度受各種因素的影響不能維持常量，這兩大缺點(diǎn)大大限制了太陽(yáng)能的有效利用。地源熱泵是一種利用地卜?淺層地?zé)豳Y源的高效節(jié)能環(huán)保型能源利用技木。通過(guò)輸入少量的高品位電能，即可實(shí)現(xiàn)能量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移。冬季它可代替鍋爐把地能中的低品位能“取”出，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖：夏季則把室內(nèi)的熱量“取”出，釋放到地能中去[1]。但是地源熱泵長(zhǎng)期運(yùn)行將會(huì)使土壤溫度場(chǎng)得不到有效恢復(fù)，蒸發(fā)溫度及冷凝溫度波動(dòng)較大，熱泵機(jī)組運(yùn)行效率較低。因此，如果能將太陽(yáng)能與地源熱泵構(gòu)建在一起，“取長(zhǎng)補(bǔ)短，合理補(bǔ)給”，設(shè)計(jì)出一套復(fù)合式新型供熱制冷系統(tǒng)，那么該新型的能源供給系統(tǒng)不僅將具有各自所特有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的特性，還將具有明顯的節(jié)能潛力。2太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行新系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)思路目前，常規(guī)的太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)多設(shè)計(jì)成夏季采用地源熱泵系統(tǒng)制冷，冬季采用太陽(yáng)能熱泵與地源熱泵聯(lián)合供熱。但是在我國(guó)的南方地區(qū)，建筑物夏季所需冷負(fù)荷要

遠(yuǎn)大于冬季所需熱負(fù)荷，而熱泵機(jī)組又往往都是制熱量大于制冷量（通常熱泵機(jī)組的制熱量是制冷量的1.1?1.3倍）。因此在機(jī)組選擇時(shí)，如果按夏季冷負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)選擇機(jī)組，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的制熱能力大大超出建筑物的熱負(fù)荷需求。而若按照冬季熱負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)選擇，則會(huì)出現(xiàn)夏季制冷量不夠。因此，地源熱泵機(jī)組可按照冬季熱負(fù)荷進(jìn)行選擇，夏季冷負(fù)荷不足部分以太陽(yáng)能吸收式制冷作補(bǔ)充。這樣不僅可以大大地降低地?zé)釗Q熱器的初投資，而且還可以使地?zé)釗Q熱器間歇運(yùn)行，土壤溫度場(chǎng)得到及時(shí)恢復(fù)。近年來(lái)太陽(yáng)能吸收式制冷技術(shù)己經(jīng)逐漸成熟。在太陽(yáng)能集熱器方面，平板型集熱器、真空管型集熱器都己在市場(chǎng)上推廣應(yīng)用。在制冷機(jī)方面,適合于太陽(yáng)能利用的吸收式制冷機(jī)也有了很大的發(fā)展，低溫?zé)崴蛢杉?jí)吸收式漠化鋰制冷機(jī)的熱源溫度只需60°C以上。同時(shí)，如以溫度為80笆以上的熱源驅(qū)動(dòng)單效吸收式制冷機(jī)，其系統(tǒng)的COP值可達(dá)到0.7：而若溫度低于80°C,可用其驅(qū)動(dòng)雙效吸收式制冷機(jī)，則系統(tǒng)的COP值約為0.35[2][3][4]o因此，太陽(yáng)能吸收式制冷技術(shù)應(yīng)用在常規(guī)的太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)中是可行的。作者沿用該思路，設(shè)計(jì)出了一套新型的太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合供熱制冷系統(tǒng)。即冬季采用太陽(yáng)能熱泵與地源熱泵聯(lián)合供熱，夏季采用太陽(yáng)能吸收式制冷與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行制冷。2.2新系統(tǒng)構(gòu)成太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合供熱制冷系統(tǒng)主要由以卜.系統(tǒng)構(gòu)成：太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、吸收式制冷系統(tǒng)、地?zé)釗Q熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組系統(tǒng)和室內(nèi)供熱制冷系統(tǒng)。聯(lián)合運(yùn)行原理圖如圖1所示。圖1太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合供熱制冷系統(tǒng)原理圖3新系統(tǒng)工作流程分析3.1夏季太陽(yáng)能吸收式制冷與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行在夏季，土壤經(jīng)過(guò)冬季的蓄冷，地表淺層的土壤溫度相對(duì)較低。通過(guò)輸入少量的高品位電能，就可■以將室內(nèi)的低品位熱量“取”出，釋放到地能中去，進(jìn)而使室內(nèi)產(chǎn)生良好的制冷效果。同時(shí)，隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的逐漸增強(qiáng),大氣溫度不斷升高，建筑物對(duì)冷量的需求也越來(lái)越大。這樣我們可以充分利用太陽(yáng)能輻射強(qiáng)的特性，通過(guò)太陽(yáng)能集熱器將太陽(yáng)能蓄積起來(lái)作為吸收式制冷系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)熱源，故夏季采用太陽(yáng)能吸收式制冷與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行。其流程圖如圖2所示，圖2太陽(yáng)能吸收式制冷與地源熱泵聯(lián)合制冷流程圖由太陽(yáng)能集熱器、吸收式制冷系統(tǒng)、地?zé)釗Q熱器、熱泵機(jī)組和室內(nèi)供冷系統(tǒng)組成。在太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)中，太陽(yáng)能集熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為水的顯熱儲(chǔ)存在熱水箱中。如果太陽(yáng)能集熱器中的熱水溫度不足以驅(qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)工作時(shí)，啟動(dòng)輔助加熱系統(tǒng)將熱水加熱到一定溫度，使制冷機(jī)工作。在地源熱泵制冷系統(tǒng)中，盤(pán)管通過(guò)水循環(huán)將室內(nèi)熱量轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)器中。在蒸發(fā)器中，熱泵中的制冷劑將熱量吸收傳遞到冷凝器中，然后地?zé)釗Q熱器中的水在冷凝器中跟制冷劑發(fā)生熱交換，最終通過(guò)地?zé)釗Q熱器將熱量排放到土壤中，通過(guò)三套循環(huán)達(dá)到制冷目的。文獻(xiàn)［5］通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)?shù)卦礋岜眠B續(xù)運(yùn)行時(shí)，其制冷系數(shù)將隨著制冷天數(shù)的增加而下降，最終在相對(duì)較低的數(shù)值卜趨于穩(wěn)定。因此，在夏季優(yōu)先采用太陽(yáng)能吸收式制冷。這樣可減少地源熱泵的運(yùn)行時(shí)間，使土壤溫度場(chǎng)得到及時(shí)恢復(fù)，從而提高熱泵機(jī)組的制冷系數(shù)。3.2冬季太陽(yáng)能熱泵與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行在冬季，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸降低，集熱器的集熱量和集熱效率較低，而建筑物熱負(fù)荷需求較大。如果單獨(dú)采用太陽(yáng)能熱泵供熱，所能提供的熱量不能滿足建筑物的熱負(fù)荷需求；若單獨(dú)采用地源熱泵供熱，地?zé)釗Q熱器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行，土壤溫度場(chǎng)得不到有效恢復(fù)，地溫會(huì)隨之不斷降低，熱泵機(jī)組的制熱系數(shù)會(huì)不斷下降。因此，可■以將太陽(yáng)能熱泵與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行，這樣就可實(shí)現(xiàn)地?zé)釗Q熱器的間歇運(yùn)行，地溫波動(dòng)較小，保證了熱泵機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行。太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合供熱流程圖如圖3所示[6],由太陽(yáng)能集熱器、地?zé)釗Q熱器、熱泵機(jī)組和室內(nèi)供熱系統(tǒng)組成。圖3太陽(yáng)能熱泵與地源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)流程圖圖3太陽(yáng)能熱泵與地源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)流程圖該聯(lián)合運(yùn)行供熱系統(tǒng)包含四套循環(huán)：a）太陽(yáng)能熱水循環(huán)。太陽(yáng)能集熱器中的水將太陽(yáng)能吸收，升高到一定溫度后存儲(chǔ)在熱水箱里，作為蒸發(fā)器的熱源使用。b）地?zé)釗Q熱器水循環(huán)。水通過(guò)在地?zé)釗Q熱器中的循環(huán)，將地?zé)崮芪?，在蒸發(fā)器中將熱量傳遞給制冷劑。c）制冷劑循環(huán)。熱泵中的制冷劑在蒸發(fā)器中將太陽(yáng)能和地?zé)崮芪?，將熱量傳遞給冷凝器。d）室內(nèi)水循環(huán)。通過(guò)水的循環(huán)將熱量傳遞到室內(nèi)，供采暖使用。經(jīng)過(guò)以上四套循環(huán)系統(tǒng)，達(dá)到供熱目的。4新系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析對(duì)于太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合供熱模式，EdgeUniversity的OnderOzgener和ArifHepbasli教授應(yīng)用熱力學(xué)能量平衡的分析方法得出：用于溫室供熱的太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)的COP值大約為2.38,系統(tǒng)的效率約為71.8%[7][8]。國(guó)內(nèi)山東建筑工程學(xué)院的方肇洪教授等人對(duì)其經(jīng)濟(jì)性也做了詳盡的分析，比較分析得出：如果采用太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合供熱的方案，地?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)可按采暖負(fù)荷的60%設(shè)計(jì)[9],而地?zé)釗Q熱器的投資約占整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)的24%?26%[10],因此采用太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合供熱可以大大的節(jié)省地?zé)釗Q熱器和機(jī)組的投資。同時(shí)，采用太陽(yáng)能集熱器輔助熱源供熱時(shí)，機(jī)組的蒸發(fā)溫度提高，使得熱泵壓縮機(jī)的耗電量減少，節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。對(duì)于太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合制冷模式,目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有相關(guān)的學(xué)者對(duì)該聯(lián)合運(yùn)行模式進(jìn)行研究，但對(duì)各自單獨(dú)運(yùn)行的研究較多。文獻(xiàn)[11]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)小型的太陽(yáng)能輔助的單效漠化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的可行性和經(jīng)濟(jì)性作了系統(tǒng)的分析，結(jié)果表明該小型制冷系統(tǒng)比常規(guī)壓縮式制冷系統(tǒng)節(jié)能20%?27%；文獻(xiàn)[12]的研究表明：太陽(yáng)能單效漠化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的COP值約為0.43。雖然其COP值較低，但太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用只是采用輔助熱源和水泵等所消耗的電能，因此節(jié)能效果明顯。地源熱泵系統(tǒng)在全年的使用過(guò)程中能效比在3.3?4.5之間，也就是說(shuō)每1kWh的熱量輸出，只需要0.22?0.30kWh電量，這比空氣熱源泵高出40%,其運(yùn)行成本僅是中央空調(diào)系統(tǒng)的50%?60%[13]。因此，太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合制冷可以為用戶節(jié)省電費(fèi)30%?50%。此外，可充分利用夏天太陽(yáng)能在制冷和供暖的同時(shí)提供生活熱水，為用戶節(jié)省購(gòu)買(mǎi)空調(diào)和熱水器的費(fèi)用，同時(shí)還減少電費(fèi)的支出。因此，太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合供熱制冷具有較高的經(jīng)濟(jì)性。5存在的問(wèn)題在該設(shè)計(jì)的聯(lián)合運(yùn)行新系統(tǒng)中，筆者認(rèn)為還存在以下問(wèn)題：（1）該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，初投資較高。系統(tǒng)性能的可靠性、穩(wěn)定性有待于實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。其系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析要根據(jù)各地區(qū)的太陽(yáng)能資源和土壤的熱物性條件、以及用戶熱負(fù)荷特點(diǎn)等各方面因素綜合考慮。此外該新系統(tǒng)增加投資的回收年限問(wèn)題還需要具體的示范工程作進(jìn)一步的測(cè)算。（2）控制策略問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)成夏季太陽(yáng)能行效果及經(jīng)濟(jì)性也必然不同。因此，夏季聯(lián)合供冷和單獨(dú)采用地源熱泵供冷兩種方案的優(yōu)劣，必須針對(duì)不同的氣候條件和地質(zhì)條件做出相應(yīng)的研究，找出最佳的控制方案。太陽(yáng)能集熱器與埋地?fù)Q熱器聯(lián)合運(yùn)行，其過(guò)程是一個(gè)比較復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)動(dòng)態(tài)過(guò)程，系統(tǒng)各部件相互耦合使得系統(tǒng)的運(yùn)行效果不僅與集熱器和埋地?fù)Q熱器的效率有關(guān)，而且與熱泵機(jī)組的工作效率、房間的負(fù)荷大小及土壤中的換熱方式有關(guān)。要對(duì)這一復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)行狀況有全面了解，必須進(jìn)行相應(yīng)的模擬研究，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的計(jì)算軟件進(jìn)行模擬。6.結(jié)束語(yǔ)目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有相關(guān)的學(xué)者將太陽(yáng)能吸收式制冷技術(shù)應(yīng)用在太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)中。但是隨著對(duì)兩者聯(lián)合運(yùn)行模式的研究越來(lái)越深入，常規(guī)的太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合供熱制冷模式存在一定的缺陷。在這種研究背景下，本文設(shè)計(jì)的這種新型復(fù)合式能源系統(tǒng)可以彌補(bǔ)這一缺陷。通過(guò)以上對(duì)其聯(lián)合運(yùn)行模式和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的分析，證明了該復(fù)合式能源系統(tǒng)在理論上是可行的，運(yùn)行是經(jīng)濟(jì)的，并具有明顯的節(jié)能潛力。因此，該復(fù)合式新型能源系統(tǒng)值得深入研究下去。參考文獻(xiàn)BurkhardSanner,ConstantineKarytsas,DimitriosMendrinos,LadislausRybach.CurrentstatusofgroundsourceheatpumpsandundergroundthermalenergystorageinEurope[J].Geothermics,2003,32：579—588.C.Schweigler,S.Demmel,P.Riesch,G.Alefeld.Anewabsorptionchillertoestablishcombinedcold,heat,*andpowergenerationutilizinglow-temperatureheat[J].ASHRAETransactions.1996,102(1)：1118-1126.C?Schweigler,S.Demmel,M.Preissner,H.Hans-MartintF.Ziegler.Operationandperformanceofa350kW(WORT)single-effectabsorptionchillerina102(1)：1420—1426.districtheatingnetwork[J].ASHRAETransactions,1998,W.B.Ma,S.M.Deng.Theoreticalanalysisoflow-temperaturehotwatersourcedriventwo-stageLiBr/H2Oabsorptionrefrigeratorsystem[J].InternationalJournalofRefrigeration,1996,19(2)：141-146.張開(kāi)黎.垂直埋管土壤源熱泵(U2TUBE)的供熱供冷研究[D].青島：青島建筑工程學(xué)院，2000.胡松濤，張莉，王剛.太陽(yáng)能-地源熱泵與地板輻射空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行方式探討[』.暖通空調(diào)，2005,35(3)：41-44.OnderOzgener,ArifHepbasli.Experimentalperformanceanalysisofasolarassistedground-sourceheatpumpgreenhouseheatingsystem[J].EnergyandBuildings,2005,37：101-110.OnderOzgener,ArifHepbasli.Exergoeconomicana