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221太阳能系统与地源热泵系统联合运行方式的探讨全文

太阳能系统与地源热泵系统 联合运行方式的探讨 中国建筑科学研究院空调所 冯晓梅 张昕宇 邹瑜 郑瑞澄 摘要:随着我国能源的紧缺和《可再生能源法》的颁布和实施,太阳能、地热能作为可再生能源,在建筑中的应用越来越受到人们的重视,但应用的范围仅限于太阳能提供生活热水,或单独利用地源热泵系统提供采暖、空调,而两者联合运行的实际工程很少,联合运行模式不合理。本文针对北京市某示范工程中应用的太阳能-地源热泵技术进行阐述,分析了太阳能系统与地源热泵系统联合运行的技术可行性及如何充分的利用太阳能提高地源热泵系统的效率,强调了可再生能源综合利用的必要性。 关键词:可再生能源 太阳能 地源热泵 综合利用 1 引言 能源和环境是影响国民经济可持续发展的关键因素,能源供应形势直接关系到国家的安全和社会稳定。我国人口众多,人均资源占有量低于世界平均水平,与经济发展和人民生活消费的需求相比,能源供应的缺口很大,而且能源消费结构不合理,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,目前的CO2排放量居世界第二位我国是京都议定书的签约国,目前的这种能源消费方式,已受到国际社会的高度关注,加大了我们保护环境和改变经济增长模式的压力。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。 由于能源问题对国家安全和经济发展所起的重要作用,中央提出了建设节能省地型住宅的政策方针,因此,可再生能源建筑应用是建筑业技术进步和行业发展的需要。2006年1月《可再生能源法》正式实施。 地源热泵是可再生能源应用的主要应用方向之一,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日益广泛的应用。可再生能源应用的主要应用方向之一北京属于太阳能资源较丰富太阳能年辐射总量在5600/m2~6000 MJ/m2,年日照时数在2600小时3000小时太阳能工程概况图1 太阳能系统与地源热泵系统并联供热方式 串联方式示意图如图2所示: 并联运行模式与串联运行模式相比,存在以下弊端: 当太阳能系统与地源热泵系统同时运行时,系统的循环水量为两者之和,太阳能系统能否直接供热,直接影响系统的循环水量,进而影响热泵机组的可靠性。 在并联运行模式下,当Tg温度低于50℃时,太阳能不能被直接利用,只能去加热土壤,提高热泵机组蒸发器侧的温度。而在串联模式下,当Tg温度低于50℃,而高于40℃时,可以与地源热泵机组串联运行,充分提高地源热泵机组的COP值。 基于串联运行模式的优点,本示范工程采用串联运行模式。其运行策略为:在供暖初始时,由于采用了季节性蓄热的技术,同时,在室外温度较高的情况下,采暖负荷较小,此时,经过太阳能加热后的供水温度Tg较高,若温度高于50℃,则利用太阳能直接采暖;若供水温度低于48℃,并且高于40℃,则太阳能采暖系统与地源热泵系统串联运行,即经过太阳能加热后的水再经过地源热泵系统提升(达到50℃)后,供给末端。若供水温度低于40℃,并且高于20℃,则太阳能系统接入地源热泵系统的地下换热器,加热土壤的温度,同时提高热泵机组蒸发器侧的进水温度,以提高热泵机组的效率。若供水温度低于20℃,则太阳能系统直接接入热泵机组的蒸发器侧。 图2 太阳能系统与地源热泵系统串联供热方式 冷凝器侧进、出水温度(45/50℃)一定的情况下,不同的蒸发器进水温度对机组COP值的影响,如图3所示。 图3 蒸发器水温度对机组COP值的影响图 冬季,在无太阳能作为辅助热源的情况下,地源热泵系统长期运行后,地源热泵机组蒸发器侧的温度在0℃左右,机组的COP值仅为2.5;而在有太阳能作为辅助热源的情况下,地源热泵机组蒸发器侧的温度可以在20℃以上,机组的COP值在4.5以上。由上可以看出,太阳能系统和地源热泵系统联合运行后,能极大地提高系统对可再生能源的利用率。 蒸发器侧进、出水温度(5/0℃)一定的情况下,不同的冷凝器出水温度对机组COP值的影响,如图4所示 图4 冷凝器出水温度对机组COP值的影响图 由上图可以看出,当冷凝器侧出水温度为40℃,机组的COP值为4.1,当冷凝器侧出水温度为60℃,机组的COP值为2.6。若太阳能-地源热泵系统与水温要求较低的末端系统(如地板辐射采暖系统)配套使用,将能极大地提高系统对可再生能源的利用率。 4.2 太阳能系统与地源热泵系统联合制冷 南区夏季采用地源热泵系统与太阳能-溴化锂制冷系统为办公区域提供冷量。在过渡季,仅采用太阳能-溴化锂制冷系统为办公区域提供冷量。 采用太阳能-溴化锂制冷系统时,需采用热管真空管太阳集热器。本项目采用了250m2集热器,设置在平屋顶上。太阳能-溴化锂制冷技术的示意图如图3所示。其运行的原理如图5所示: 图5 太阳能-溴化锂制冷系统原理图 在制冷工况下,地源热泵系统与太阳能-溴化锂制冷系

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