济南地区居住建筑太阳能-地源热泵系统应用分析

摘要：本文针对济南地区居住建筑的具体情况和要求，在常规太阳能系统和地源热泵系统的基础上，提出了用于居住建筑的太阳能-地源热泵应用系统，并对系统流程与控制策略进行了分析。本文为该系统的推广和应用提供了基础，有利于进一步在建筑中推进可再生能源技术的应用。

关键词：济南；居住建筑；太阳能；地源热泵

Abstract: In view of the specific circumstances and requirements of the Jinan area residential building , based on the conventional solar energy system and ground source heat pump system ,this paper proposes the solar energy and ground source heat pump system for residential building, and analyzes the system flow and control strategy. This paper provides a basis for the spreading and application of the system, which is conducive to further advance the application of the renewable energy technologies in the construction.

Key words: Jinan; residential building; solar energy; heat pump

中图分类号: S214文献标识码:A文章编号：2095-2104（2012）

0 引言

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源的高效节能环保型能源利用技术。通过输入少量的高品位电能，即可实现能量从低温热能向高温热能的转移。建筑的冷热负荷与地区的气候、房间围护结构的热工性能、空调房间的室内扰动有关,在北方地区可能出现建筑的累计热负荷远大于累计冷负荷，冬季热泵机组向地下埋管的吸热量大于夏季向地下的排热量，导致地下失衡，地下土壤温度逐年降低，所以，在此种情况下，使单一的土壤源热泵系统受到限制。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源。在太阳辐射条件良好的情况下，以太阳能作为蒸发器热源的热泵系统可以获得比空气源热泵更高的蒸发温度，其系统的供热性能系数（COP）可达4 以上。但是太阳能有两个严重不足：一是能流密度低；二是其强度受各种因素的影响不能维持常量，这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。因此，如果能将太阳能与地源热泵构建在一起，“取长补短，合理补给”，那么能源供给系统将更适合北方寒冷地区空调系统的应用。

1 太阳能-地源热泵系统的提出

（1）寒冷地区居住建筑冷热负荷特点

在济南特别是北方沿海这样的寒冷地区，住宅的单位面积供暖设计负荷远远小于单位面积空调设计负荷。传统的空调和供暖方式要求我们对冷负荷与热负荷单独计算，而近年来地源热泵的发展，使得冷热负荷的比较研究越来越迫切。由于住宅供暖系统是连续工作，济南地区供暖期多达120天；而住宅空调系统由于地理气候和居民生活习惯，使用周期较短，间歇和局部运行为主，即使在同一户住宅中同时使用系数也较小，对整个建筑来说，系统空调的同时使用系数也较其他类型的建筑为低，户数越多，系数越小，低负荷运行占据了主要时段。这样整个采暖季的累积热负荷要远大于制冷季节的累积冷负荷。

（2）太阳能-地源热泵系统的应用分析

1）太阳能供热系统的应用分析

太阳能供热系统在居住建筑中应用的问题主要集中在如何解决系统造价较高，需要寻找合适的可靠辅助热源和如何利用非采暖季所收集的太阳得热这三个方面。

目前太阳能供热系统的辅助热源通常使用电和燃气等常规能源，在建筑全年消耗的热量中常规能源往往还要占掉40-90%，因此有必要探讨利用其他可靠的可再生能源作为辅助热源，从而提高可再生能源在建筑能耗中的比例的可行性。

如果建筑中设有太阳能制冷系统，则非采暖季所收集的太阳得热可以很方便地消耗掉。但太阳能制冷系统现阶段尚不具备商业化能力。采用季节蓄热的也是一种办法，但造价较高，有时还需要采用热泵等方式二次提升使用。如果不采用以上措施在非采暖季用热，则非采暖季的太阳能只有浪费掉，而且防止系统过热也是一个技术难题。

2）地埋管热泵系统的应用分析

地埋管热泵系统在济南地区部分建筑中已得到越来越多的应用。但其应用除了场地和地质条件的限制外，由于济南地区居住建筑全年供热能耗要比空调能耗高出3-4倍还要多，居住建筑中普遍存在的冷热量不均衡——地埋管系统制冷时排入土壤的热量远远低于制热时需要从土壤中吸取的热量。同时土壤的蓄热环境是比较特殊的，济南地区土壤温度正常在15-16℃，夏季冷凝器出水温度在35℃左右，冬季蒸发器出水温度在4℃左右，这就是说夏季土壤可供换热的温差在20℃，而冬季只有11℃，地埋管侧如果在非采暖季没有其他热量补充到土壤中，会导致土壤温度持续降低，系统使用过程中供热能力将逐年衰减，直至运行状况严重恶化。通过我们对济南一实际工程检测发现，在最寒冷季，土壤温度迅速降低至8℃左右，换热效率大大降低，机组能耗大幅提升，蒸发器出水温度低于3℃，导致机组报停装置启动，系统无法正常运行。

（3）太阳能-地源热泵综合供热系统的提出

本文提出的太阳能-地源热泵系统实质上可看作是以太阳能作为辅助的地埋管热泵系统。在制冷季，单独使用地源热泵进行制冷。在采暖季，优先使用更经济的太阳能供热，太阳能不足时采用地埋管热泵系统作为补充；在过渡季利用季节蓄热的手段，将太阳能系统采集的热量回灌到备用的地埋管管井中，供冬季热泵供热时取用，以提高热泵系统效率，并避免地埋管所在区域土壤冷热量不均的现象发生。

2系统主要运行模式

本系统是集团公司的一个节能示范项目。结合太阳能—土壤源热泵系统的功能特点,针对北方地区，特别北方沿海地区建造的。原理图如图1 所示。为了最大限度的利用太阳能,充分发挥太阳能-地源热泵系统的节能优势,提高系统运行的性能系数,当室外气象条件变化时,系统启动对应该条件下的运行模式。本系统主要有5 种运行模式:

1）水箱蓄热系统。当T1-T2〉10度，开启水泵P1，向水箱蓄热；当T1-T2〈2度，关闭水

泵P1。针对室外环境变化较大，防止在恶劣天气和夜晚蓄热水箱热量散失。

2）太阳能供热系统。当T3〉60度，开启水泵P2；当T3〈40度，关闭太阳能供热系统，关闭水泵P2。这种运行模式用在供暖过渡季晴天,室外温度相对较高,房间热负荷较小,白天太阳辐射较强，集热器热量较大，系统内载热介质的温度较高，超过了直接供暖的温度要求时。此时在太能能直接供暖的同时把多余的热量储存在虚热水箱中，以便夜间用蓄热水箱进行供暖。

图1太阳能—地源热泵系统原理图

3）过渡季蓄热系统。当T3〉50度，开启水泵P4；当T3〈25度，关闭水泵P4；在过渡季节，将太阳能的跨季节蓄热结合到地源热泵的地下埋管换热器系统中，使地下土壤换热器与地下蓄能合二为一。将丰富的太阳能储存于地下土壤中，提高土壤冬季热源温度，以提高地源热泵效率，实现太阳能的转移利用。