地源熱泵+太陽能+蓄能系統(tǒng)工程應(yīng)用

李仁平，陳艷哲

(河北惠眾能源環(huán)境工程有限公司，石家莊市050000)

地?zé)崮堋⑻柲茏鳛榭稍偕茉?，在建筑中的?yīng)用越來越受到人們的重視，但應(yīng)用的范圍僅限于太陽能提供生活熱水，或單獨利用地源熱泵系統(tǒng)提供采暖、空調(diào)。該文介結(jié)合項目實例，把3 種技術(shù)2 種能源聯(lián)合使用，充分利用以上能源自身的優(yōu)勢結(jié)合使用，避免能源自身存在的局限性，互相彌補自身的不足，提高資源利用率，并對建筑采暖與制冷采用多元化一體綠色清潔能源合理使用及分析。

1 項目基本情況

本工程為石家莊市科技合作與創(chuàng)新平臺中心地源熱泵與太陽能及蓄能系統(tǒng)空調(diào)項目，位于石家莊市南二環(huán)東路88 號?？偨ㄖ娣e約為6210m2，其中:辦公中試樓(共5 層，局部6 層)建筑面積為2970m2;展廳樓(局部2 層)建筑面積為780m2;智能化溫室實驗中心(3 座)建筑面積為943m2;中試車間建筑面積為1100m2，其它附屬用房建筑面積為417m2。采用太陽能與地源熱泵系統(tǒng)并結(jié)合蓄能技術(shù)為單位建筑進行供暖制冷及生活熱水。

2 太陽能－地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用

太陽能－地源熱泵技術(shù)適宜供全年生活熱水、冬季供暖、夏季制冷的全年綜合利用能源。利用太陽能可以為地源熱泵土壤源側(cè)補充能量，提高機組能效比。把白天太陽能多余的熱量通過蓄水箱儲存起來，作為夜間建筑屋內(nèi)系統(tǒng)保溫使用，還可以作為大棚蔬菜夜間保溫及灌溉用溫水。太陽能換熱器為生活熱水箱提供生活用熱水。

3 方案運行思路設(shè)計

根據(jù)甲方的需求分為展廳、車間、大棚和辦公樓兩個系統(tǒng)分別進行供暖(制冷)，地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)建筑的能源提供，同時辦公樓地源熱泵機組兼有蓄能(或太陽能蓄能)的要求。衛(wèi)生熱水及蔬菜大棚的升溫由太陽能系統(tǒng)滿足，當(dāng)太陽能不能滿足此部分要求時，地源熱泵作為大棚蔬菜的供暖備用熱源，太陽能換熱器為洗浴衛(wèi)生熱水的備用熱源。機房設(shè)備的運行及功能的轉(zhuǎn)換通過自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)，地源熱泵、太陽能、蓄能系統(tǒng)按照建筑末端的需求自動切換，實現(xiàn)全自動無人控制。

(1)太陽能－地源熱泵－水蓄能系統(tǒng)采暖季運行原則是:白天運行時，由地源熱泵及辦公樓系統(tǒng)地源熱泵機組晚上蓄積的熱承擔(dān)建筑末端的供暖負荷，太陽能為采暖輔助熱源。晚上由太陽能蓄積的熱量為大棚蔬菜進行升溫供暖，辦公樓系統(tǒng)的地源熱泵機組晚上進行蓄冷蓄熱，太陽能不承擔(dān)大棚蔬菜熱負荷時，地源熱泵也可以為大棚蔬菜提供供暖需要，洗浴的熱水負荷由輔助電加熱供給。

(2)太陽能－地源熱泵－水蓄能系統(tǒng)空調(diào)季運行原則是:地源熱泵及辦公樓系統(tǒng)地源熱泵機組晚上蓄積的冷量承擔(dān)建筑末端全部冷負荷，太陽能系統(tǒng)承擔(dān)全部洗浴熱水負荷，不能滿足洗浴要求時由輔助電加熱提供。

(3)太陽能和地埋管側(cè)串聯(lián)，當(dāng)太陽能不能滿足供暖要求水溫低時，可以用來提高地源熱泵熱源溫度(蒸發(fā)側(cè))，從而提高熱泵制熱COP，節(jié)約運行費用。

(4)白天辦公樓機組為辦公樓末端供冷供熱，晚上開啟機組的蓄能工況，進行蓄能，白天根據(jù)負荷情況開啟地源熱泵機組與蓄能設(shè)備聯(lián)合供冷供熱。

4 供暖制冷的系統(tǒng)配置

本項目辦公、實驗樓系統(tǒng)選擇上海富田地源熱泵機組一臺見表1、表2;展廳、智能化溫室系統(tǒng)選擇南京天加，見表3、表4。

表1 辦公樓系統(tǒng)主機設(shè)備選型

表2 辦公樓系統(tǒng)水泵設(shè)備選型

表3 展廳等系統(tǒng)主機設(shè)備選型

表4 展廳系統(tǒng)水泵設(shè)備選型

4.1 土壤換熱器系統(tǒng)

土壤換熱器采用地下埋管(即埋置地下熱交換器)的方式來實現(xiàn)，埋管方式多種多樣。目前普遍采用的有垂直埋管和水平埋管兩種基本的配置形式。

表5 土壤換熱器系統(tǒng)配置

地下熱交換器型式和結(jié)構(gòu)的選取應(yīng)根據(jù)實際工程以及給定的建筑場地條件來確定。水平埋管占地面積較垂直埋管大，效率較垂直埋管低。本項目采用的是垂直埋管(見表5)。土壤換熱器系統(tǒng)采用雙U 管換熱器，根據(jù)建筑物冬季的設(shè)計負荷與配置的熱泵機組參數(shù)。整個土壤換熱器系統(tǒng)按同程方式連接，確保各換熱孔內(nèi)循環(huán)液的流量、流速一致，為系統(tǒng)的安全運行提供可靠的保障。冷熱源側(cè)地埋管的計算:地埋管采用雙U 型垂直埋管，按照井深100m，經(jīng)土壤熱物性試驗冬季盤管每米的換熱量為40W，夏季盤管每米的換熱量為60W。

4.2 太陽能供熱系統(tǒng)

太陽能是一種取之不盡用之不竭的綠色能源，在具備條件的前提下，應(yīng)優(yōu)先利用太陽能這一免費能源，這樣可以降低整個系統(tǒng)的運行費用，而且我國正在大力促進發(fā)展太陽能資源的利用，也陸續(xù)出臺了一系列相關(guān)的政策法規(guī)扶植太陽能產(chǎn)業(yè)。

整個項目中的建筑的供暖采用太陽能+地源熱泵+水蓄能系統(tǒng)形式，地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)建筑的供熱，太陽能為輔助熱源為建筑供暖，夏天以地源熱泵系統(tǒng)形式制冷。

太陽能－地源熱泵系統(tǒng)采暖季運行原則是:白天運行時，太陽能系統(tǒng)與地源熱泵按并聯(lián)方式運行，由地源熱泵承擔(dān)大部分供暖負荷，太陽能為采暖輔助熱源。晚上由太陽能蓄積的熱量為智能化溫室中心進行升溫供暖，太陽能不承擔(dān)智能化溫室中心熱負荷時，地源熱泵可以為智能化溫室中心提供供暖需要，洗浴的熱水負荷由輔助電加熱供給。此時太陽能可以和地埋管側(cè)串聯(lián)，用來提高熱源溫度(蒸發(fā)側(cè))，從而提高熱泵制熱COP，節(jié)約運行費用。

太陽能－地源熱泵系統(tǒng)空調(diào)季運行原則是:地源熱泵承擔(dān)全部冷負荷，太陽能系統(tǒng)承擔(dān)全部洗浴熱水負荷，不能滿足洗浴要求時由輔助電加熱提供。

本項目太陽能集熱裝置可以放置在實驗樓屋面甲方要求的位置。經(jīng)計算，可有效設(shè)置60m2(約30 塊)太陽能集熱板，將產(chǎn)生75KW 熱負荷(50℃熱水2T/h)。

4.3 太陽能熱水系統(tǒng)

洗浴及廚房的衛(wèi)生熱水全年由太陽能提供，不能滿足的負荷由電輔助加熱器提供。

4.4 蓄能系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，我們把蓄能池放置在了機房下面，為保證水溫的均勻平衡，蓄能池內(nèi)采用布能器布水，蓄能池尺寸為5800mm ×3000mm ×3000mm，有效容積約為50m3，水溫從15℃升高到55℃，蓄熱量8.4GJ。晚上利用地源熱泵主機蓄熱蓄冷，白天釋放蓄能池的能量，可以調(diào)節(jié)建筑末端最大負荷，蓄能池可提供最大熱(冷)負荷量為232KW，與主機并聯(lián)向末端供熱供冷減小了機組的最大荷載，降低了機組的裝機容量，則附屬運轉(zhuǎn)設(shè)備和電力設(shè)施的容量或功率均相應(yīng)減小，從而減少了設(shè)備投資費用，可大幅度節(jié)省電費開支，還可以為智能化溫室系統(tǒng)提供溫水。

5 環(huán)境效益分析

土壤源溫度適宜，與大氣氣溫相比，具有冬暖夏涼的熱能特征，是良好的低位可再生清潔能源，作為熱泵冷熱源為建筑物供暖空調(diào)是緩解能源消耗與環(huán)境污染的有效途徑之一，具有巨大的社會與環(huán)境效益。

與傳統(tǒng)供熱方式相比，該項目每年相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤79t，減少CO2等碳氧化物排放量188 余t，減少NOx排放量0.7t，減少SO2等硫氧化物排放量1.32t，減少煙塵排放0.87t。極大減少了該地區(qū)的空氣污染。

與燃煤、燃氣、然油等鍋爐房系統(tǒng)相比，采用土壤源熱泵系統(tǒng)減小了機房占地面積，不需要存煤場的占地空間，在寸土寸金的現(xiàn)在減少占地面積就為業(yè)主爭取了更大的經(jīng)濟效益，而且減少了存煤場及煤在運輸搬運過程中的粉塵污染。

6 結(jié)束語

太陽能、地?zé)崮茏鳛榭稍偕茉矗诮ㄖI(lǐng)域的能源利用中發(fā)揮著越來越重要的作用，它們的應(yīng)用是解決我國能源和環(huán)境問題的重要措施之一。本文闡述了地源熱泵、太陽能與蓄能系統(tǒng)技術(shù)互相結(jié)合利用，為建筑物供暖、制冷、供生活熱水及大棚作物灌溉用溫水。為可再生能源在建筑供暖應(yīng)用中的結(jié)合使用做了示范，該項目不僅在石家莊在全國及建筑供暖行業(yè)也是一個標(biāo)志性示范項目，為可再生能源在建筑領(lǐng)域的合理結(jié)合使用提供了重要的示范依據(jù)，提出了能源合理利用的建議。