長春地區(qū)太陽能——地源熱泵應(yīng)用探討

閆博佼

（長春科技學(xué)院，長春 130600）

1 太陽能——地源熱泵集成應(yīng)用技術(shù)

地源熱泵是一種利用淺層地?zé)豳Y源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)設(shè)備。太陽能——地源熱泵，即采用太陽能和地源熱泵集成應(yīng)用的方式，以達(dá)到供熱、供冷的目的。

2 太陽能——地源熱泵集成應(yīng)用的必要性

2.1 太陽能的特點

2.1.1 太陽能的優(yōu)勢

太陽每年輻射到地球表面的能量巨大，約為50×1018 kJ，相當(dāng)于目前全世界年能量消費的1.3萬倍［1］。對太陽能的利用不會對地球的熱平衡產(chǎn)生影響，也不會造成環(huán)境污染。太陽能以其取之不盡、安全、無須運輸、環(huán)保等特點受到人們的重視［2］。我國北方地區(qū)，年日照時間一般在2000h以上，甚至高達(dá)2800～3300h，屬于太陽能利用較有利的地域。長春地區(qū)為我國太陽能資源的三類地區(qū)，即為中等類型地區(qū)，年太陽輻射總量為5000～5850MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量3.8～4.5 kWh/m2。太陽能技術(shù)在長春有很好的發(fā)展前景，在建筑中的應(yīng)用是現(xiàn)階段太陽能應(yīng)用中最具有發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。

2.1.2 太陽能的局限性

太陽能也存在一些劣勢。雖然太陽輻射到地球表面的能量很大，但是其能流密度很低。太陽能因受晝夜、季節(jié)、緯度和海拔高度等自然條件的限制和陰雨天氣等隨機(jī)因素的影響，存在較大的間歇性及不穩(wěn)定性。要利用太陽輻射能，不僅需要較大的集熱面積，還需要有蓄熱裝置，這就使得設(shè)備的初投資增加，限制了其推廣應(yīng)用。

2.2 地源熱泵的特點

2.2.1 地源熱泵的優(yōu)點

“熱泵”是一種能從自然界中獲取低品位能，經(jīng)過電力做功，提供可被人們所用的高品位能的裝置。“地源熱泵”是熱泵技術(shù)應(yīng)用的一個分支，它是一種以大地或水為冷熱源對建筑物進(jìn)行冬季供暖、夏季供冷的工程應(yīng)用技術(shù)。雖然熱泵的運行以消耗電能為代價，但是其耗電量很低。據(jù)統(tǒng)計，地源熱泵機(jī)組的電力消耗，與空氣源熱泵相比可以減少40%以上；與電供暖相比可以減少70%以上。它的制熱系統(tǒng)卻比燃煤鍋爐的效率高近50%，比燃?xì)忮仩t的效率高出了75%。這項技術(shù)冬天不用鍋爐房，夏季不用冷卻塔，無須燃料，也不產(chǎn)生任何廢棄物，真正達(dá)到了零污染。

長春地區(qū)水資源貧乏，是全國50個嚴(yán)重缺水的城市之一。據(jù)近期長春市地下水動態(tài)監(jiān)測資料表明，由于過量開采地下水，使部分地段的淺部含水層水量枯竭，破壞了水資源平衡條件，出現(xiàn)了水量削減。但是對于廣泛存在的土壤熱源的利用值得人們更深一步的探索和研究。土壤的溫度全年波動小，根據(jù)測定，地下10m深處的土壤溫度相當(dāng)于該地區(qū)全年平均氣溫，多數(shù)情況下比氣溫高1℃～2℃，并且不受季節(jié)的影響。根據(jù)土壤的這些特性，使得地源熱泵的制熱性能系數(shù)較高，約為2.2～3.2。這為地源熱泵的穩(wěn)定運行提供了良好的條件。

2.2.2 地源熱泵的局限性

對于主要應(yīng)用土壤為熱源的地源熱泵來說，土壤的導(dǎo)熱系數(shù)較小，因此工質(zhì)與土壤之間的換熱強度小。特別在隸屬嚴(yán)寒地區(qū)的長春市，若要滿足冬季供暖需求，則需要較大的換熱面積，這將受到實際場地面積的限制，將增加工程初投資。嚴(yán)寒地區(qū)冬季熱負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夏季冷負(fù)荷，這就使熱泵從土壤中取熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在夏季的蓄熱，長期運行，會使土壤的溫度場得不到有效恢復(fù)，從而對該類地區(qū)冬季供暖造成很大影響。

2.3 太陽能——地源熱泵集成應(yīng)用的必要性

太陽能和地源熱泵的利用分別存在各自的局限性，便決定了兩者集成應(yīng)用的必要性。它集成應(yīng)用，既可以克服太陽能受天氣、季節(jié)及晝夜變化等客觀因素的影響，又可以彌補在嚴(yán)寒地區(qū)熱泵長期運行造成的土壤溫度不平衡的問題，還可以減小地埋管換熱器的埋地深度及占地面積。

3 太陽能——地源熱泵的原理及特點

3.1 太陽能——地源熱泵的原理

太陽能熱泵把熱泵技術(shù)和太陽能熱利用技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，可同時提高太陽能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能。集熱器吸收的熱量作為熱泵的低溫?zé)嵩?，在陰雨天，直膨式太陽能熱泵轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝庠礋岜?，非直膨式太陽能熱泵作為加熱系統(tǒng)的輔助熱源。因此，它可全天候工作，提供熱水或熱量。

3.2 工程實例

2007年12 月，太陽能——地源熱泵集成應(yīng)用的示范工程在哈爾濱市松北區(qū)建成，3層，上有閣樓，占地面積約165m2，供暖面積約500m2，其末端裝置采用地板輻射采暖、供冷。冬季采用太陽能——地源熱泵為熱源供暖，夏季利用土壤冷源直接供冷。太陽能集熱器設(shè)置于屋頂（南向布置與水平面夾角為60°），地埋管換熱系統(tǒng)共設(shè)12根DN32的U形管，埋深50m，間距不大于5m。該系統(tǒng)供暖性能系數(shù)達(dá)到8以上，熱泵性能系數(shù)達(dá)到4以上，將太陽能和地源熱泵集成應(yīng)用的節(jié)能效果顯著。它為長春地區(qū)太陽能——地源熱泵集成應(yīng)用提供了理論及實際意義上的支持。

4 太陽能——地源熱泵集成應(yīng)用技術(shù)的尚存問題

其在理論上是具備可行性的，但是在實際工程中的運行情況還有待于實踐的驗證。尤其是對地下土壤溫度場的研究，目前基本停留在計算機(jī)模擬的方式上，準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)還需要實際工程長期運行來測得。太陽能與地源熱泵提供冷（熱）負(fù)荷的比例，也需要經(jīng)過實際工程的實驗來指導(dǎo)。

5 結(jié)語

太陽能——地源熱泵集成應(yīng)用技術(shù)，恰將太陽能和地源熱泵有機(jī)的結(jié)合在一起，充分利用可再生能源，是一種高效、節(jié)能、低碳的新技術(shù)。但是，它的推廣與發(fā)展尚需不斷的實驗與探究。

［1］ 韓志萍，霍文蘭.21世紀(jì)的新能源及其開發(fā)和利用［J］.榆林高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2003，（13）：37-39.

［2］ 劉業(yè)鳳，伍德虎.太陽能輔助熱泵和熱水器系統(tǒng)的設(shè)計與分析［J］.太陽能，2008，（01）：22-24.