浅谈带辅助热源的地源热泵设计
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【摘 要】地源热泵在我们生活工作中起到了较为明显的的节能作用。但是其高投资也是制约其发展的因素。因此，研究带辅助热源的地源热泵设计具有重要的意义。本文从带辅助热源地源热泵必要性以及可行性出发，对于可行的带辅助热源的地源热泵设计给出了分析与探讨，并结合太阳能这一具体辅助热源给做了具体的分析，旨在对辅助热源地源热泵设计的研究起到一定的指导作用。
【关键词】带辅助热源；地源热泵；太阳能
1、引言
能源的紧缺使得我们意识到应该把眼光转向新的方向。我国地热资源非常丰富，目前，在地源热泵方面的服务也取得了巨大的进展，尤其针对北方地区。这种地源热泵供暖的方式相较于我们以往的空调系统，其费用能够节省25%到50%，此外，地源热泵供暖更加稳定，所以未来这一方式会得到更大的普及。但是地源热泵首期投资非常大，这往往制约折我们的发展，针对这一情况，我们可以选择在设计系统时搭配一种投资少的辅助热源，下文将探讨带辅助热源地源热泵设计节能以及降低成本的效果，并以太阳能为例分析其在地源热泵中设计的具体效果。
2、以太阳能作为辅助热源分析地源热泵的设计
辅热源有很多，每一种辅助热源对应的设计又有很多不同，但是，无论具体设计怎么变，我们对于工作开展的思路是不变的，即我们首先要分析这种辅助能源的可行性与必要性，然后再根据具体情况作出具体的设计。基于这种思路，下文将选取太阳能作为例子分析辅助热源的重要性。
我国处于地球的北半球，每年日照时间超过2000h，太阳能非常巨大，在一年内的太阳能相当于130万亿吨的煤燃烧所发出的能量，总体而言，我们可以认为太阳能是取之不尽的。加之目前全球范围内的能源紧缺严重，因此对太阳能的开发已经刻不容缓。
而将太阳能作为辅助热源与地源热相配合这一方式首先大幅度减少了污染，其次它也提供了很好的节约了能源、提升了效率，所以这里我们将以太阳能为例作为辅助热源，浅谈一下地源热泵的设计。我相信，通过对于这一设计的分析，对于我们的认识会有很大的指导作用。下图为部分月平均供暖负荷与太阳能负荷的对比。
我国每年接受的太阳能辐射量如果核算成煤的话差不多需要24000亿吨的煤，此外，我国整体太阳能分布比较平均。量足且均匀的特点就在大方向上确保了太阳能作为辅助热源的可行性。不过，我国在太阳能利用中也存在着缺点：能流密度低以及易受到各种因素的影响。针对这些问题，我相信随着科技的不断发展，我们对于太阳能技术的利用也会不断的成熟，最终会做到将其合理的利用于供暖之中。
2.2 太阳能作为辅助热源的必要性
举例来说：在我国的北方，由于冬季热负荷很大，如果系统以热负荷为目的的话，这个时候完全使用地源热泵供暖就会导致成本非常高，而产生的效率却比较低下，长期运行这种系统的话还会导致大地温度的下降。除了以上问题以外，由于这种系统COP值较低，所以会有很多设计的要求无法实现。
相反的，当我们使用太阳能作为辅助热源的时候，可以使热泵系统按夏季工况设计，这就使得太阳能集热器可以承担一部分热负担，可以在很大程度上降低地源部分的投资。
2.3 太阳能辅助热源的地源热泵设计
在我们的具体工作中，以太阳能当做辅助热源的地源热泵系统有三种方式：串联系统、并联系统以及混合联系统。太阳能辅助热源的地源热泵设计流程图如下：
（1）并联式系统是把太阳能供热系统和地源热泵系统交替进行供热，在太阳能集热器收集的热量过多的时候可以把这些多余的热量转移到地下进行储存，通过这一方式提高了地热恢复的速度。另一方面，在阴天或者夜间等太阳能不能够满足供暖需求的时候可以使用地热进行供热。
一般来说这种系统使用主要是在地下水温度不低于15度的地方，地热主要起到供热作用，而太阳能起辅助作用。在地热的存储中，我们的原则是夏热冬用、冬冷夏用。
（2）串联式系统
串联式系统中，太阳能集热器所收集的热量不像并联式系统一样存储于地下，而是将其存储于蓄热的水箱中，然后水箱中的热水经过换热的方法提升进到蒸发器入口介质的温度，最终保证系统的COP值。在这种系统中，冬天由于太阳能较弱，我们可以使用集热器所串接的蒸发器作为辅助热源。
（3）混联式系统
在这种系统中，太阳能集热器与地源热泵连接方式有很多种，举例来说：地源热泵可以有两个蒸发器，这样一个可以用于连接太阳能集热器，而另一个把空气源作为热源，这种方式可以有效地提升整个系统的COP值。在蓄水箱温度不低于25度的时候，可以不间断的为建筑供暖，进而保证了电能的节约。
2.4 太阳能辅助热源的地源热泵设计中的优势与不足
2.4.1 太阳能辅助热源的地源热泵设计中的优势
在其优点上主要是：目前使用这种系统供应热水及空调可以在最大程度上节约电能，而且效率非常高，这可以帮助我们在最短的时间内收回成本；
由于这种联合使用的系统相对于单独地源热泵更加的灵活，这就提高了整体设备的利用率；
此外，由于太阳能利用中本身存在的缺点而不能被广泛利用，通过这种配合的方式可以解决太阳能在利用时不稳定、不规律的缺点。
2.4.2 太阳能辅助热源的地源热泵设计中的不足
针对其不足之处，主要原因是由于太阳能的利用涉及到很多行业，所以不可能缺少开发商、建筑设计院以及研究院的支持，否则将寸步难行，而现在这种合作还暂时还不是很多。
太阳能的应用过程中主要的问题是：（1）关于太阳能辅助热源的地源热泵设计研究的理论尚不是很成熟，不能够很好的确保其可靠性以及它们之间最合适的耦合方式；
（2）太阳能利用中存在固有缺陷即：太阳能源密度与土壤热流率低，这就需要集热器的面积更大，因此受到环境制约较为严重。这一问题还不能够完全的解决；
（3）对这种系统研究的理论体系不完整，缺乏应用的基础数据，所以在具体的应用中我们就不能够提供充分的数据作为依据。
3、由太阳辅助热源分析普通辅助热源的设计
虽然文章从太阳能这一辅助热源作为切入点，但是从对于太阳能辅助热源与地源热泵设计的分析对于我们了解其他辅助热源有着很好的指导作用。从上文中我们可以看出。单纯的地源热泵设计是很难满足我们需求的，而配合使用辅助热源以后无论在供热的稳定性上，还是能源的消耗上，抑或成本的节约上都会起到立竿见影的效果。
下面将引用一组数据来分析辅助热源的使用会带来怎样的效果：“对于地源热泵配合燃气锅炉供热方式，热泵承担的设计负荷比有40%上升到60%的时候，热泵供热量由71.3%增大到了91.7%，锅炉的运行时间有62.5%减少到了33.5%，而当热泵承担的设计负荷由60%上升到100%的时候，其耗煤量仅仅降低了5.22%”。由这一段话，我们可以清晰的看出辅助热源与地源热泵的联合使用将会给我们传统的供暖方式带来很大的改善。
4、结语
从文章中我们可以看到，通过选取辅助热源能够有效地降低地源热泵设计的成本、减少能耗并保持良好的取暖效果。而我们通过对于太阳能这一具体辅助热源将会对带辅助热源的地源热泵设计产生更深刻的理解。不过带辅助热源的地源热泵设计目前还处于一个未成熟的阶段，有许多新的技术值得我们去学习，同时也有许多问题等待我们去解决。因此，我们要扎实自身技术，多学习、多思考，只有这样我们对带辅助热源的地源热泵设计水平才能更上一层楼。
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