地源热泵有什么优缺点？太阳能与地源热泵如何相结合使用？

我国能源的消费结构不合理，以煤为主的能源供给造成了严重的大气污染和温室气体排放。 因此，节约能源和开发利用清洁、可再生能源的任务十分紧迫。 可再生能源在建筑中的应用是建筑业技术进步和行业发展的需要，随着 2006 年 1 月《可再生能源法》的正式颁布与实施，太阳能、浅层地热能在建筑行业中的应用越来越受到人们的重视。

地源热泵技术是可再生能源应用的主要方向之一，即利用浅层地热能资源进行供热与空调，具有良好的节能与环境效益，近年来在国内得到了大小双单广泛的应用。 随着《地源热泵系统工程技术规范》的实施，地源热泵系统工程的市场更加规范化，能更好地发挥其节能、环保效益。 但该系统存在土壤温度场的恢复问题，即随着地源热泵系统连续长期的运行，会从地下过多的取热或过多的散热，造成地下温度场的波动，降低机组的 COP 值，增加系统能耗。 地源热泵中央空调系统

北京某实际工程单独采用地源热泵系统时， 10 年内地埋管换热器进出口水温及土壤温度的变化。

从图 1 可以看出， 10 年内土壤温度由初始的 15度，下降到 10.2℃，下降了 4.8℃。 冬季，热泵机组的低出水温度由初的 3℃ 下降到 -0.5℃，吸热量和排热量存在极大的不平衡。

太阳能技术也是可再生能源应用的主要方向之一，太阳能是永不枯竭的清洁能源，量大、资源丰富、绿色环保。 但也有一些缺点： （ 1）太阳能的能流密度低，且因地而异，因时而变。 （ 2）太阳能具有间歇性和不可靠性。 太阳能的辐照度受气候条件等各种因素的影响不能维持常量，如果遇上连续的阴雨天气太阳能的供应就会中断。 此外，太阳能是一种辐射能，具有即时性，自身不易储存，必须即时转换成其它形式能量才能利用和储存。

地源热泵技术和太阳能技术自身存在这些局限性，如果两种能源可以联合使用，这样能互相弥补自身的不足，提高资源利用率。

太阳能系统与地源热泵系统联合运行的原则

太阳能系统与地源热泵系统联合运行时，应遵循如下原则：

（ 1）可再生能源利用的前提是必须采用节能建筑，以降低系统的初投资。太阳能的能流密度较低，太阳集热系统的价格在目前仍然偏高；地源热泵系统与常规系统相比，初投资也较高。为了尽可能减少系统的初投资，必须保证建筑围护结构符合节能规范的要求，以降低供暖、空调系统的负荷需求。

（ 2）与供水温度要求低的末端系统配套使用。目前高温型的地源热泵机组 COP 值较低，对于常规地源热泵机组来说，供热时，出水温度较低。同时，太阳集热系统的集热效率与集热系统的出水温度有关，温度越高热损失越大，集热效率降低，因此在选择供暖系统时应优先选择供水温度要求低的形式，如地板辐射采暖形式。

（ 3）在经济许可的前提下很大限度地利用太阳能资源。太阳能是完全免费的，在利用过程中，仅消耗水泵能耗，运行费用低，所以在经济许可的情况下，尽可能增大太阳集热器的面积，延长太阳能利用的时间，以提高太阳能的利用率。

太阳能系统与地源热泵系统联合运行的方式

本工程位于北京，建筑的功能主要是办公室和实验室，建筑面积 2835m2。 办公区域夏季采用风机盘管加新风系统（冷冻水供回水温度 7/12℃），冬季采用地面辐射采暖系统（经散热器后，热水供回水温度 45/40℃）； 试验区域夏季不设空调，冬季采用辐射型散热器采暖系统（ 50/45℃ 热水供回水温度），保证值班采暖温度。 采用地源热泵系统、太阳能系统作为空调采暖系统的冷热源。 末端的散热器系统与地板辐射采暖系统串联运行，以加大系统的供回水温差。

该建筑的外围护结构性能优良，达到了节能建筑的标准，因此该建筑的冷热负荷较低，经过逐时负荷计算可知，冬季大热负荷为 110kW，夏 季 很 大 冷 负 荷 为 60kW。 采 暖 季 逐 时 热 负 荷总 值 为 119746kW·h， 制 冷 季 逐 时 冷 负 荷 总 值 为25072kW·h，热负荷总值远大于冷负荷总值。 在这种情况下若单独采用地源热泵系统，必然存在吸热量与排热量极度不平衡的问题，那么，长期运行结果会使土壤温度越来越低，也将降低热泵系统的运行效率，导致冬季地源热泵系统不能正常运行。 为了解决吸热量与排热量不平衡的问题，提高地源热泵系统的运行效率，可采用太阳能系统与地源热泵系统联合运行的方式。

太阳能系统与地源热泵系统联合运行时，通常有 4 种运行方式：

（ 1）直接利用太阳能供热；

（ 2）太阳能与热泵机组的冷凝器串联运行；

（ 3）太阳能加热地埋管换热器；

（ 4）太阳能直接进入热泵机组蒸发器。 太阳能系统与地源热泵系统联合运行原理图如图 2 所示。

太阳能系统与地源热泵系统联合运行方式

系统的控制策略为：

（ 1）经过太阳能加热后的供水温度 Tg 高于 50℃ 时，直接利用太阳能采暖，此时阀门 V1、 V2 开启，水泵 2、 3、 4 开启； 阀门V3、 4、 5、 6、 7、 8、 9 均 关 闭， 热 泵 机 组 关 闭，水泵 1 关闭。

（ 2）当 Tg 温度低于 50℃ 时，且高于40℃ 时，太阳能不能被直接利用，而是与热泵机组冷凝器串联，此时阀门 V2、 3、 5、 9 开启，水泵 1、 2、 3、4 开启，热泵机组开启； 阀门 V1、 4、 6、 7、 8 均关闭。

（ 3）当 Tg 温度低于 40℃ 时，且高于 25℃ 时，太阳能加热岩土体侧地埋管换热器，此时阀门 V3、4、 6、 7 开启，水泵 1、 2、 3、 4 开启，热泵机组开启； 阀门 V1、 2、 5、 8、 9 均关闭。

（ 4）当 Tg 温度低于 25℃ 时，且高于 15℃ 时，太阳能直接进入热泵机组的蒸发器，作为低位热源，此时阀门 V3、 4、6、 8 开启，水泵 1、 2、 3、 4 开启，热泵机组开启； 阀门 V1、 2、 5、 7、 9 均关闭。

（ 5）当 Tg 温度低于15℃ 时，仅采用热泵系统供暖。 此时，阀门V3、 4、5 开启，水泵 1、 2 开启，热泵机组开启； 阀门 V1、 2、6、 7、 8、 9 均关闭。

太阳能系统与地源热泵系统优化运行的适用条件

太阳能系统与地源热泵系统采用何种联合运行方式，主要与太阳能集热器的面积及末端所需的供回水温度有关。 例如： 集热器的面积较大，可以使得系统的供水温度较高，这是可以考虑直接利用太阳能供热的方式，相反，若集热器面积较小，产生的热水温度较低，则无法直接供热。 同样的，若末端所需的供回水温度较高，若超过 60℃，则很难直接利用太阳能供热，若末端所需的供回水温度较低，在 40℃ 以下，则可直接利用太阳能供热。 下面介绍了采用不同的集热器面积时，对应的联合运行方式。

在北京，供暖期为 11 月 15 日至次年的 3 月 15 日，共 2880 个小时，典型气象年中，有太阳辐照的时间为 1179h，占总供暖时间的 40.63%。 为了便于分析，本文对于末端的供回水温度要求为 50/40℃。 图3 表示出了在不同太阳集热器面积情况下，太阳能系统供水温度分别超过 41℃、 42℃、 43℃、 44℃、45℃、 46℃、 47℃、 48℃、 49℃、 50℃ 的小时数。

（ 1）在太阳集热器面积为 140m2 的情况下，太阳能系统供水的高温度为 48℃，无法实现直接利用太阳能供热。

（ 2）在太阳集热器面积为 300m2 的情况下，太阳能系统供水温度超过 50℃ 的小时数为 52h（占总供暖时间的 1.81%），虽然可以实现直供，但由于风机盘管时间短，从增加自控复杂性、增加初投资的角度考虑，不建议采用直供的运行方式。

（ 3）在太阳集热器面积为 500m2 的情况下，太阳能系统供水温度超过 50℃ 的小时数为 158（ 5.5%），可以实现直接利用太阳能供热。

（ 4）太阳集热器面积由 140m2 增加到 1000m2时， 对 太 阳 能 系 统 供 水 温 度 超 过 41℃ 的小时数变化影响不太大，由 527 小时（占总供暖时间的18.3%）增加到 746（占总供暖时间的 25.9%）小时，但对于超过 50℃ 的小时数影响较大，由 0 小时（占总供暖时间的 0%）增加到 275 小时（占总供暖时间的 9.55%）。

太阳能系统与地源热泵系统优化运行方式的模拟分析

对于本文第 3 节提及的某实际工程，笔者利用TRNSYS 软件进行了模拟计算。 由于本项目的太阳集热器面积比较小（ 140m2） ，所以采用太阳能换热后的热水进地埋管换热器或者直接进入热泵机组蒸发器的联合运行方式。 图 4、图 5 分别表示出了 1年内、 10 年内太阳能系统（仅冬季运行）与地源热泵系统联合运行时， 1 年内地埋管换热器进出口水温及土壤温度变化的情况。 从图中可以看出，太阳能系统仅冬季运行时， 10 年内土壤温度由初始的 15度，下降到 12.5℃，下降了 2.5℃，吸热量和排热量仍然存在不平衡的现象，太阳能需在过渡季也要向土壤中蓄热，具体模拟情况如图 6 所示。

从图 6 可以看出，当太阳能在过渡季也向土壤中蓄热时， 10 年内土壤的平均温度基本不变，吸热量和排热量基本平衡。

但需要注意的是，太阳能在过渡季蓄热时，需要消耗水泵的能耗，增加运行费用。因此，在实际工程中，是否采用过渡季蓄热，需要综合考虑。

结论

太阳能、浅层地热能作为可再生能源，在建筑领域的能源利用中发挥着越来越重要的作用，它们的应用是解决我国能源和环境问题的重要措施之一。 本文详细阐述了太阳能系统与地源热泵系统优化运行的方式、适用的范围，为可再生能源的合理利用提出建议。

（ 1）太阳能系统与地源热泵系统联合运行时，要优先采用太阳能。

（ 2）夏热冬冷地区围护结构要求夏季隔热为主，兼顾冬季保温，目前该类建筑主要使用的主动式技术主要有采用高效照明、通风热回收技术、以及空气源热泵； 采用的被动式技术主要有自然采光、自然通风、建筑遮阳和绿色植被； 可再生能源的应用适宜采用太阳能或者太阳能与土壤源热泵联合的方式。

（ 3）由于国情现状，我国夏热冬冷地区超低能耗居住建筑的一次能源消耗量已经低于德国被动房标准限值，因此，对于超低能耗的能耗限制，因根据不同发展阶段进行调整。 现阶段，宜仅针对建筑空调、通风与供暖能耗进行研究和规定。

大小双单(科技)有限公司是一家以热泵技术为载体，对浅层地热（地埋管、地下水、地表水）、深层地热（温泉及尾水利用）、余废热（污水或再生水、工业余热）等新型可再生能源开发利用的科技企业。公司依托研发中心的技术保障，为用户提供地源热泵、中央空调、太阳能利用、给排水、电气自动化、合同能源管理等全方位的一条龙服务。