东北地区利用太阳能-污水源热泵集成供暖的可行性研究.docVIP

课题名称 太阳能-热泵集成供暖的研究 课题来源及研究的目的和意义 2.1 研究的目的和意义 建筑节能是当前世界建筑发展的一个基本趋势，也是当前建筑科学技术的一个新的增长点。[1]而在当今社会，建筑能耗伴随着建筑数量的不断增加和人们对室内环境舒适度要求的不断提高呈急剧上升趋势。据统计，我国2000年建筑用商品能源消耗已占当年全社会终端能源消耗量的27.8%[2]，北方地区甚至超过40%。在我国，建筑用能主要以煤、燃油、燃气等传统能源为主，随着国际能源形势的日趋紧张以及传统能源燃烧排放物带来的种种问题，大量传统能源的使用对我国经济和环境都造成了巨大负担。[2]由此可见，建筑能耗的持续剧增，将导致全社会能源枯竭，因此，“节能减排”与“低碳生活”不能只作为一种概念，而应有相关的技术所支撑。在这样的背景下，高效、节能、经济、环保的各项技术应运而生。 根据我国严寒地区（主要指标：最冷月平均温度≤-10℃，辅助指标：日平均温度≤5℃的天数≥145d）的实际情况，其冬季寒冷而漫长，如果不采取有效的采暖措施，人们将无法正常的生活与工作。同时，建筑是人们生活与工作的场所，据研究，现代人类大约有五分之四的时间在建筑物中度过，人们已逐渐认识到，建筑环境对人类的寿命、工作效率、产品质量起着极为重要的作用[3]。因此，为保证严寒地区冬季室内环境的舒适度，所消耗的采暖能耗是巨大的，那么其节能潜力也相应的十分可观，由此可见，该地区采暖节能对我国整个建筑领域的节能有着重大意义。 2.2 太阳能-地源热泵集成的可行性分析 本课题欲采用太阳能-地源热泵集成供暖技术解决严寒地区采暖能耗量巨大的问题。其在技术上是具有可行性的。 2.2.1 太阳能优势 20世纪70年代能源危机以来，太阳能逐步成为国内外研究的重点，最近研究表明，到2050年核能将占第一位，太阳能占第二位；21世纪末，太阳能将取代核能占第一位。太阳每年辐射到地球表面的能量巨大，约为50×1018 kJ，相当于目前全世界年能量消费的1.3万倍[4]，利用的潜力很大，而且对太阳能的利用不会对地球的热平衡产生影响，也不会造成环境污染。因此，太阳能以其取之不尽、安全、无需运输、等特点受到人们的重视。[5] 我国地域辽阔，太阳能资源丰富，我国广大北方地区年日照时间一般在2000h以上，甚至高达2800-3300h，属于太阳能利用较有利的地域。 2.2.2 地热能优势 地热能，尤其是土壤热源，是广泛存在的良好低位热源。土壤温度相对稳定，全年波动小。根据测定，地下10m深处的土壤温度相当于该地区全年平均气温，多数情况下比气温高1-2℃，并且不受季节的影响。根据土壤的这些特性，使得地源热泵的制热性能系数较高，约为2.2-3.2。[6]蒸发温度及冷凝温度基本保持恒定，从而保证了热泵的稳定运行。同时，土壤作为一个巨大的蓄能体，其冬季可蓄存冷量供夏季取用，而夏季则蓄存热量供冬季取用。 2.2.3 太阳能-地源热泵集成应用的必要性 虽然太阳能和地热能具有诸多优势，但其亦存在一些问题：对于太阳能来说，虽然到达地球表面的太阳能总量很大，但是其在地球表面的能流密度极低。据统计，北回归线附近夏季晴天中午的太阳辐射最强，约为1.1-1.2kW／㎡，冬季大约只有一半，阴天只有1／5左右[7]。同时太阳能因受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件的限制和阴雨天气等随机因素的影响，存在较大的间歇性及不稳定性。因此，要利用太阳辐射能，不仅需要较大的集热面积，而且还需要有蓄热装置，这就使得设备的初投资增加，限制了其推广应用。对于地热能来说，由于土壤的性质随着地区的不同和季节的变化而异，这将会增加地热换热器的设计难度，而且其主要影响参数之一——导热系数较小，因此工质与土壤之间的换热强度小，需要较大的换热面积，这将受到实际应用场地及施工的限制，而且将增加工程初投资。此外，在冬季热负荷较大的北方地区，热泵从土壤取热远远大于其在夏季的蓄热，长期运行将会使土壤的温度场得不到有效恢复，从而对该类地区冬季供暖造成很大影响。[8] 由于太阳能和地热能均存在着各自的劣势，故本课题拟采用太阳能-地源热泵集成供热系统，其具有明显的优点：①采用太阳能集热器作为辅助热源时，机组的蒸发温度提高，使得热泵压缩机耗电量减少，节省运行费用；②在冬季运行时，由于蒸发器温度提高，使得用户侧出水或空气出口温度上升，舒适性提高；③对于我国北方主要以热负荷为主的地区，在系统设计时，地源热泵系统可以按照夏季工况进行设计，从而减小了地下换热器的容量，减少了地源热泵地下部分的投资；④由于太阳能的辅助供热作用，可以实现系统向地下排热与取热的平衡，从而使得地下温度场保持稳定变化，机组运行工况稳定。 综上，既可以克服热泵长期运行造成地下土壤温度的降低，给土壤温度场一个恢复期，并且可以减小地埋管换热器的埋地