东北地区太阳能热泵与土壤源热泵的综合利用

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【摘要】本文简单介绍了太阳能热泵与土壤源热泵系统的原理，并对东北地区太阳能热泵与土壤源热泵综合利用进行了探讨，说明了系统的优点及注意问题，指出了两者在东北地区综合运用的具有很好经济效益和环境效益。

【关键词】太阳能热泵；土壤源热泵；综合利用

1．前言

随着中国经济发展、人民生活水平提高，人们日常生产、生活对能源的需求也日益增加。按照21世纪初的统计，中国已探明的经济可开发能源的总储量仅占世界能源总储量的10%左右，我国的经济可开发能源的剩余可开采储量仅为130年左右。我国严峻的资源现状，新能源的开发利用受到了人们越来越多的关注。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，是真正意义上的环保、可再生能源，并且能源丰富、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——土壤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绿色节能技术。

2．热泵原理

热泵实质上是一种热能提升装置，它本身消耗一部分能量，把环境介质中贮存的能量加以挖掘，提高温度进行利用。热泵运行时，通过蒸发器从低温热源吸取热量，而向用热对象提供热量，另外,热泵过程与制冷过程的原理和系统设备的组成是一样的，只是利用的目的不一样。

2.1 太阳能热泵

太阳能受外部环境因素影响较大，尤其是在严寒地区，单独使用太阳能集热设备对建筑物进行供热或生产、生活热水，很难满足使用要求。要解决这一问题,热泵技术与太阳能利用相结合无疑是一种好的选择方法。优先使用太阳能集热器为蓄热水箱蓄热，热泵作为太阳能的辅助供热系统。当太阳能集热器热水循环不能维持蓄热水箱温度时，热泵将开始工作，维持水箱温度。当蓄热水箱中温度与太阳能集热器出水口温度相差不大时，关闭热泵。

2.2 土壤源热泵

土壤源源热泵是一种利用地下浅层（地表下5~400m）地热资源，既可冬季供热又可夏季制冷的高效节能热泵系统。土壤源热泵主要有三部分组成：室外土壤换热系统、热泵机组系统和用热末端系统。地表浅层地热资源的温度全年波动范围小、相对稳定，冬季比室外环境温度高，夏季比室外环境温度低，是很好的低品位冷热源。在实际工程中，不同的土壤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．东北地区太阳能热泵与土壤源热泵综合利用

3.1 东北地区的气候特点

东北地区是我国纬度位置最高的区域，冬季寒冷，冬季日照射率约为66%—70%利用太阳能的条件比较好。全年日照时数为2200－3000h，在每平方米面积上一年接受的太阳能辐射总量为5016-5852MJ，相当于170－200kg标准煤燃烧所发出的热量。冬季采暖时间平均为168天，采暖能耗占全年能耗的比重很大。针对东北地区的这一气候特点，提出了使用太阳能——土壤源热泵综合利用的系统。太阳能热——土壤源热泵系统结构原理图如图1所示。

图1：太阳能——土壤源热泵系统结构原理图

3.2 系统方案介绍

（1）夏季制冷：在蒸发器一侧，冷媒经过阀门形成一个循环，向室内风机盘管空调系统供冷。在冷凝器一侧，地下热交换盘管把冷凝中的热量释放到土壤中。

（2）冬季供热：冷媒到集热器蓄热装置，吸收利用土壤源热能和太阳能集辐射热，冷媒温度升高，当循环到蒸发器，形成冷冻水循环；集热器蓄热装置中的水通过泵连续不断的从土壤与太阳能集热器获取热能；在冷凝器侧，热量释放到蓄热器中。

（3）供生活用热水：当太阳辐射能充足时，太阳能集热器将热水直接循环到蓄热水箱中，由太阳能集热器或冷凝器散发出来的热量对水进行预热，自来水进入蓄热水箱，经过预热，然后作为生活热水，被厨房与浴室使用。

3.3 系统特点

（1）可以提取分散而储量又十分巨大的低品位能量(太阳能与地表热)，实现对低品位能源的利用，扩大了能量的利用范围，减少了对化石能源的消耗。

（2）太阳能、地热能是清洁环的可再生能源，利用过程几乎不产生污染，具有显著的环境效益。

（3）热泵循环性能系数ζ>1，即热泵的热力学经济性比单纯消耗常规能源加热的方式都要好。通过实际工程证明，该系统节能效果显著（4）全年温度波动小、较为稳定的地热能克服了单纯利用太阳能做热源时受环境、气候等因素影响较大的缺点。

（5）可以实现三方面功能：夏季空调，冬季供暖，全年供用生活热水。

3.4 系统方案说明

严寒地区，当冬季不适合使用太阳能或者系统需要停止时，太阳集热器和管道系统需要放空存水，否则存在冻裂的危险。也可以配制一定浓度的防冻液（按当地最低气温，留适当余量来配制防冻液）作为系统工质。如果系统长时间停止运行，重启之前，需要对整个系统进行试水，因经过严冬的气温变化，太阳能管道系统难免有的地方会出现渗漏。本系统优先利用太阳能，由太阳能集热器对水预热，作为辅助热源的给水来源。根据预先设定的太阳集热器出口温度的上下限，自动起停集热器和蓄热水箱之间的循环泵。当阳光和温度适宜，集热器出口温度达到某一定值时，上水泵运转，使被加热水在连接储水罐和集热器的管道系统中不断循环将水加热；而当温度低于某一设定值时，上水泵停止运行，同时系统通过双向单流阀自动排空。地下盘管循环水系统启动、电磁阀的启闭、冷凝水泵的运行、空调(热泵)机组的起停及辅助燃气加热器的运行均采用温度控制或温差控制的方式。

4．结论

东北地区冬季采暖负荷大，现行的供暖方式以常规能源为主要热源的集中供热方式占主导地位，常规能源的大量使用，会排放大量的有害气体，使得环境日益恶化，并且常规能源属于不可再生能源，大量使用，会导致能源走向枯竭，这不符合节约环保型社会的要求。太阳能具有储量大，清洁不需要运输，土壤源具有地热丰富、环保、稳定等特点，两者结合使用，为东北地区能源的有效利用与可持续发展带来了契机。

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