太陽能輔助供暖的地源熱泵經(jīng)濟(jì)性分析

1、RENEWABLEENERGYNo12003(107IssueinAl1)太陽能輔助供暖的地源熱泵經(jīng)濟(jì)性分析曲云霞，方肇洪，張林華，李安桂(1山東建筑工程學(xué)院，山東濟(jì)南250014；2西安建筑科技大學(xué)，陜西西安710055)摘要：在冬季土壤溫度較低，而且以熱負(fù)荷為主的北方地區(qū)，若完全采用地源熱泵來供暖，則地?zé)釗Q熱器和機(jī)組的初投資均比較高，連續(xù)運(yùn)行的效率也較低，因此，可利用太陽能集熱器作為輔助能源。白天完全依靠地源熱泵供暖，夜間利用太陽能

2、集熱器蓄存的熱量，使地?zé)釗Q熱器與太陽能集熱器串聯(lián)運(yùn)行。通過分析比較，該方案比完全用地源熱泵供暖更經(jīng)濟(jì)。關(guān)鍵詞：太陽能集熱器；地源熱泵；供暖；輔助熱源中圖分類號(hào)：TU83文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671—5292(2003)01—0008—03，■1■●l●●■l’1■●●_l。neeconomlCanalysisol~rounO—couDlenneatDumpDyUSIngthesolarenergyasanassistedsource

3、QUYun—xia一，F(xiàn)ANGZhao—hong，ZHANGLin—hua，LIAn—gui(1ShandongInstituteofArchitectureandEngineering，Jinan250014，China；2XianUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055，China)Abstract：Inthenohem，thetemperatureofsoilisveryl

4、owandtheheatingloadisdominantIfthepeakloadofheatingwassuppliedbygroundexchanger，theground—coupledheatpumpheatingeficiencyislowThereforethesolarenergycanbeutilizedasassistedSOUrceInday，theheatissuppliedbygroundexchanger，a

5、ndbygroundexchangerandsolarcollectorinnightTheresultsshowthattheprogramismoreeconomica1Keywords：solarcollector；ground——coupledheatpump；heating；assistedsource1前言在我國(guó)的北方地區(qū)，土壤的溫度比較低，而且冬季熱負(fù)荷較大。作為地源熱泵系統(tǒng)，為了滿足冬季熱負(fù)荷的需要，勢(shì)必要加大地?zé)釗Q熱器

6、的配置，將造成了系統(tǒng)初投資的增加。此外當(dāng)熱泵機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)致土壤溫度降低，機(jī)組的效率下降。為了提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，可考慮采用輔助熱源。太陽能是一種潔凈的可再生能源，有著礦物能源不可比擬的優(yōu)越性，是地源熱泵系統(tǒng)理想的輔助熱源。利用太陽能輔助加熱的地源熱泵系統(tǒng)原理見圖1。太陽能集圖1利用太陽能輔助加熱的地源熱泵系統(tǒng)圖2地源熱泵機(jī)組供熱及輔助熱源對(duì)采用地下埋管的地源熱泵系統(tǒng)，它的埋管方式有多種，本文以垂直單一U型埋管的地?zé)釗Q收稿日期：

7、2002—09—23基金項(xiàng)目：山東省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(O11150105)作者簡(jiǎn)介：曲云霞(1965一)，女，在讀博士，副教授，從事地源熱泵與空調(diào)節(jié)能的研究工作?！馣EEWABLEEEKGYNo12003107IssueinAUJ假定集熱器內(nèi)水的平均溫度為20％，大氣的平均溫度為0℃，Et平均輻射量，為8800kJ／(md)，北方地區(qū)冬季的平均Et照時(shí)間為8h，計(jì)算時(shí)將累積輻照時(shí)間At取為8h，根據(jù)(1)式求出單根集熱管每日的集熱量為4

8、18kJ，則每平方米集熱面積每日的集熱量為6742kJ。4太陽能集熱器作為輔助熱源的經(jīng)濟(jì)性分析圖1所示的熱泵供暖系統(tǒng)可以采用2種方式進(jìn)行供暖，第1種方式為地?zé)釗Q熱器單獨(dú)運(yùn)行；第2種方式為地?zé)釗Q熱器和太陽能集熱器串聯(lián)運(yùn)行，即在白天建筑物熱負(fù)荷較小時(shí)，熱泵機(jī)組可以通過地?zé)釗Q熱器吸取熱量進(jìn)行供暖；夜間熱負(fù)荷增大，熱泵機(jī)組出口水溫降低，當(dāng)熱泵機(jī)組出口水溫低于設(shè)定值時(shí)，地?zé)釗Q熱器與太陽能集熱器串聯(lián)運(yùn)行，這樣可以減小地?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。這種方案雖

9、然減少了地?zé)釗Q熱器的投資，卻增加了太陽能集熱器，因此該方案是否經(jīng)濟(jì)須做進(jìn)一步地分析評(píng)價(jià)。以濟(jì)南地區(qū)建筑面積為100m的住宅建筑為例，對(duì)2個(gè)方案進(jìn)行比較。第一方案為完全利用地源熱泵供暖。假定該建筑物的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為6kW，地源熱泵機(jī)組的制熱性能系數(shù)為20，則地?zé)釗Q熱器的熱負(fù)荷為3kW。假定冬季時(shí)的單位鉆孑L長(zhǎng)度吸熱量為30W／m，則所需的鉆孑L深度為100m，若每米鉆孑L的造價(jià)為100元，則地?zé)釗Q熱器的成本為10000元。第二方案為太陽能集

10、熱器和地源熱泵聯(lián)合供暖。采用該種方案時(shí)，由于機(jī)組蒸發(fā)溫度升高，機(jī)組的制熱系數(shù)有所提高，設(shè)定制熱性能系數(shù)為25，則地?zé)釗Q熱器和太陽能集熱器承擔(dān)的熱負(fù)荷為24kW。地?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)按照白天熱負(fù)荷來設(shè)計(jì)，假定白天的熱負(fù)荷為設(shè)計(jì)負(fù)荷的60％，所需地?zé)釗Q熱器鉆孑L深度為48m，所以地?zé)釗Q熱器的成本為4800元。在夜間運(yùn)行時(shí)，假定由太陽能集熱器承擔(dān)40％的負(fù)荷，夜間二者聯(lián)合運(yùn)行10h，則太陽能集熱器所需的集熱量為34560kJ，集熱面積為51m。若

11、單位面積集熱器的價(jià)格為600元，則增加的太陽能集熱器的成本為3600元，由于增加了太陽能集熱器，系統(tǒng)的管路和設(shè)備均有所增加，因此二者聯(lián)合運(yùn)行總體成本基本持平，第二方案投資稍低。但是第二方案具有下列的優(yōu)點(diǎn)：①太陽能集熱器在供冷、供熱的同時(shí)還能提供生活熱水，這也減。少了用戶的投資；②采用太陽能集熱器輔助熱源供熱時(shí)，機(jī)組的蒸發(fā)溫度提高，使得熱泵壓縮機(jī)的耗電量減少，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用；③在夏季夜間運(yùn)行時(shí)還可以作為輔助散熱設(shè)備，這減少了夏季向地下的排熱

12、量，使地溫在數(shù)年內(nèi)保持穩(wěn)定，以保證機(jī)組在高效率下運(yùn)行；④在冬季運(yùn)行時(shí)由于蒸發(fā)溫度提高，使得用戶側(cè)出水或空氣出口溫度上升，舒適性提高。綜合比較，第二方案的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于第一方案。5結(jié)論在我國(guó)北方地區(qū)，冬季土壤溫度較低，而且以熱負(fù)荷為主。若完全采用地源熱泵來供暖的話，則地?zé)釗Q熱器和機(jī)組的初投資均比較高，連續(xù)運(yùn)行的效率也較低。而在夏季運(yùn)行時(shí)，機(jī)組的容量就過大，造成浪費(fèi)。因此可利用太陽能集熱器作為輔助能源，在白天的時(shí)間，完全依靠地源熱泵供暖，夜間利

13、用太陽能集熱器蓄存的熱量，使地?zé)釗Q熱器與太陽能集熱器串聯(lián)運(yùn)行，二者聯(lián)合供暖。此種方案地?zé)釗Q熱器可按采暖熱負(fù)荷的60％設(shè)計(jì)。通過分析比較，該方案比完全用地源熱泵供暖更經(jīng)濟(jì)。參考文獻(xiàn)【1】曲云霞，張林華，方肇洪，等地源熱泵地下環(huán)路的設(shè)計(jì)方法【J】流體機(jī)械，2002，30(9)：5052【2】殷志強(qiáng)全玻璃真空管太陽集熱管【M】北京：科學(xué)出版社，1998【3】曲云霞，張林華，崔永章地源熱泵及其應(yīng)用分析【J】_可再生能源，2002(4)：7～9【

14、4】畢月紅，陳林根太陽能一土壤源熱泵的性能研究【J】太陽能學(xué)報(bào)，2000，21(2)：214～219【51李元旦，張旭，周亞素，等土壤源熱泵冬季工況啟動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究【J】暖通空調(diào)，2001，31(1)：17～20地漏翅泵地源熱泵是利用地下常溫土壤或地下水溫度相對(duì)穩(wěn)定的特性，通過深埋于建筑物周圍的管路系統(tǒng)或地下水與建筑物內(nèi)部完成熱交換的裝置。它不需要任何的人工熱源，冬季從土壤中取熱，向建筑物供暖，夏季向土壤排熱為建筑物制冷。它被稱為21