浅析太阳能热泵与地源热泵技术联合利用

浅析太阳能热泵与地源热泵技术联合利用

查光宏1杨蓉2

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1.绿地集团西安置业有限公司；2.机械工业勘察设计研究院有限公司

摘要：近些年，在人们生活水平提高下，对能源的需求量不断增加，其中，太阳能和地热能作为重要的清洁能源，可以为人类提供重要的能源来源，如何开发利用太阳能和地热能是人类面临的重要问题。本文首先介绍了热泵技术的工作原理，然后阐述了太阳能热泵和地源热泵相关技术，最后结合某具体案例详细阐述了太阳能热泵与地源热泵技术联合利用情况。以期本文的写作能够促进太阳能和地热能的开发利用，使之更好地为人类服务。

关键词：太阳能；地热能；热泵技术；联合利用

引言

能源供应的日趋紧张与节能环保观念的日益增强，引发人们去探索新能源的开发与利用。人类对于再生性能源的需求因化石燃料日渐耗尽而增加。太阳能和地热能的利用是个源源不绝的绝佳能源替代方案。太阳能是地球上能源的最主要的来源，它是无公害的洁净能源，也是21世纪以后人类可期待的最有希望的能源。太阳能是真正意义上的环保、可再生能源，加之能源丰富、分布相对均衡，不需要运输，不产生排放废物。地热能属于《可再生能源法》规定的被鼓励开发利用的可再生能源之一，在我国能源发展战略中居重要地位。地热能又分为浅层低温（＜25℃）地热能与深层（≥25℃）地热能。浅层地热能是指蕴藏在地表以下一定深度（一般为200m）范围内的岩土体、地下水和地表水中，具有开发利用价值的热能，又称之为浅层地温能。其实质是太阳辐射地表与地球内部产生的热向地表传递在地壳表层叠加后产生的一种热能资源。太阳能－地源热泵技术是利用少量高品位的电能将太阳能集热器收集的低品位热能与浅层地温能提升加以利用的一种“绿色”技术。

1太阳能热泵技术

太阳能作为一种潜力极大的可再生清洁能源，每天达到地球表面的太阳辐射能高达5.57×1018MJ。太阳能利用技术与热泵技术之间的结合形式十分多样，可以根据实际情况选择不同模式和系统。其中最典型的应用形式为太阳能辅助热泵，太阳能热泵通常是指利用太阳能作为蒸发器热源的热泵系统，与太阳光电或热能发电驱动的热泵机组有着本质区别。国外太阳能热泵技术的发展起步较早，美国Sporn与Ambrose在1955年通过实验首次提出了直膨式太阳能热泵概念。1979年RitterHP等学者对直膨式太阳能热泵在饱和稳定工作情况下的性能进行了初步的理论探索。为了提升直膨式太阳能热泵热力性能，则需要改善非设计工况下太阳能集热/蒸发器面积与压缩机容量之间的匹配问题，力求保证热泵蒸发温度能够始终处于合适的温度范围内。由于集热/蒸发器的集热效率较高，为了获得更高的集热器效率与热泵工作性能，Neal等学者指出集热/蒸发温度需要保持在超出环境5～10℃的范围内。

处于蒸发器中的工质将热量汲取后形成的低温低压过热蒸汽，在压缩机处理后转变为高温高压气体。高温高压气体再经过冷凝器成为高压中温液体，将工质汽化热释放出来，冷凝水则转换为热水。液态工质在经过膨胀阀处理后则转变为低温低压气液混合物质，并在蒸发器中汲取低温热源中的热量，进而形成过热蒸汽，至此完成周期循环。

2太阳能热泵和地源热泵技术

2.1太阳能热泵

太阳能的热流密度相对较低，并且非常容易受到周围环境因素的影响，特别是在部分气候比较寒冷的区域，如果只是通过太阳能来加热生活热水或者针对建筑物进行供暖，则远远不能满足需求。针对这一现实问题，可以将太阳能与热泵技术进行结合可以显著提升太阳能的利用效率，即太阳能热泵系统。首先通过太阳能集热板对太阳能进行收集，并将其存储在蓄热器，比如保温水箱中，热泵作为整个过程的辅助系统，如果收集得到的太阳能无法保障正常供应时，则启动热泵技术来辅助供热。不管在什么情况下，如果当保温水箱温度和太阳能集热器出水问题差不多时，就应该关闭太阳能水泵以节约电能，如果保温水箱热泵机组工作将保温水箱的温度提升到一定程度时，热泵机组停止工作。通过热泵技术的应用可以更好地结合太阳能为人类服务，且消耗低，成本低。

2.2地源热泵

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能系统，主要分三部分：室外地能换热系统（埋地换热器）、热泵机组系统和用热末端系统。地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源。在实际工程中，不同的土壤和水资源利用的成本差异是相当大的。对于地下水的抽取使用，必须考虑到使用地的地质结构，保证用后尾水的回灌可以实现，同时考虑此过程对生态环境的影响。

3太阳能热泵与地源热泵技术联合利用太阳能容易受到气候环境的影响，当遇到雨雪天气时，太阳能必然无法满足实际需要，这个缺陷是不可避免的。地热能则基本不受其他因素的影响，其温度能够常年保持稳定，将太阳能和地热能进行结合可以实现两者的优势互补。就理论层面而言，太阳能热泵与地源热泵技术联合利用是可以实现的。

3.1太阳能热泵与地源热泵联合系统方案实例简介

（1）夏季制冷：在蒸发器一侧，通过阀门控制可以实现冷媒水的循环，冷媒水可以向室内风机盘管空调系统进行供冷。而对于冷凝器而言，冷凝过程释放的热量可以通过地下热交换盘管将其传递至土壤内。

（2）冬季供热：利用热量存储设备存储太阳能或者地热能，冷媒水循环系统与储能装置直接相连，冷媒水流过储能装置温度升高，然后利用热水进行供热。储能装置中存储有水，并通过泵持续与土壤和太阳能集热器交换热量。

（3）地板供暖：一般而言，供暖的流程与冬季供热系统的工作原理类似，特殊情况可以设置备用供暖系统。当备用供暖系统启动时，冷凝器可以将热水直接提供给室内的风机管盘，从而实现室内空气的加热。

（4）供生活用热水：太阳能集热器可以对水进行加热，然后将热水存储到缓冲蓄热器中，通过这样的方式可以利用太阳能对水进行预热。当用户需要用热水时可以对预热的水通过燃气进行进一步加热到需要的温度。

3.2系统特点

（1）太阳能和地表热量都是储存量非常大但是非常分散的低品位能量，通过太阳能热泵和地源热泵技术可以对这些能源进行充分的挖掘、采集并利用，为人类能源供应提供了更多的途径。

（2）太阳能和地热能都是清洁能源，对其储量可以用“源源不断”来形容，本系统在收集和利用这些能源时几乎不会对环境产生影响，因此其生态效益显著。

（3）系统效率相对较高。前文已述，热泵循环性能系数始终大于1，这表明该系统具有较高的能源利用效率。大量的实践经验表明，通过此系统可以达到非常好的节能减排效果。

（4）浅层地热能其温度常年保持不变，因此在使用时稳定性较好，不受季节性变化的影响。将地源热和太阳能两者进行结合，可以有效避免太阳能容易受到气候因素影响的弊端。

（5）该系统能够达到的功能主要有夏季制冷、冬季供热以及全年供用生活热水。

结语

节能与环保的理念日益深入到每位工程技术人员、甚至每位国民的心中。太阳能具有储量的无限性，经济性，清洁性；地源热泵具有循环利用性、地热源的丰富性、节能性、环保性及相对稳定性，两者结合将加大能源的更广泛、更完善的利用，对资源起到节约作用。太阳能和地源热泵技术作为一种节能、环保的空调与供热方式，为我国能源的有效利用与可持续发展带来了契机。在不远的将来，随着国民经济实力和生活水平的提高、研究和技术人员的不断努力，这项技术在中国一定有广阔的发展前景。

参考文献：

[1]赵军，刘立平，李丽新，等.R134a应用于直接膨胀式太阳能热泵系统[J].天津大学学报，2000，33（3）：302-305.

[2]王富兴，薛正昂，魏言，等.基于燃气与太阳能及地源热泵的分布式能源系统应用研究[J].电力与能源进展，2019，7（1）：1-10.