太陽能—地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)的經濟性評價

文/李強、高理福、萬溧　西南科技大學土木工程與建筑學院　四川綿陽　621000

太陽能—地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)的經濟性評價

文/李強、高理福、萬溧西南科技大學土木工程與建筑學院四川綿陽621000

由于單獨運行太陽能和地源熱泵系統(tǒng)時，各自存在缺陷。因此提出太陽能與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供暖的運行方式。建立太陽能集熱器和地源熱泵機組的數(shù)學模型，并以呼和浩特地區(qū)某工程為例，通過測試得到室外溫度、逐時熱負荷、太陽能輻射強度和地源熱泵機組進出水溫度。采用靜態(tài)分析法計算聯(lián)合供暖系統(tǒng)的經濟性。結果表明，聯(lián)合供暖系統(tǒng)在初投資上比單獨使用地源熱泵系統(tǒng)高，但運行6年后能收回初投資。同時在熱負荷大于冷負荷地區(qū)，聯(lián)合供暖系統(tǒng)更具有可行性和環(huán)保性。

聯(lián)合供暖；地源熱泵；經濟性；環(huán)保性

隨著全球工業(yè)迅速崛起，經濟發(fā)展十分迅速，城市化進程日益加快使得能源消耗增漲迅速，在許多國家，能源危機日益凸顯。目前應用較多的礦物能源是石油、天然氣和煤炭，核裂變能也在逐漸開發(fā)研究中。礦物能源推動了世界經濟的發(fā)展，但其帶來的環(huán)境問題卻越發(fā)嚴重，節(jié)能減排已經是所有人都將重視的一個話題。

地源熱泵系統(tǒng)是利用淺層地能進行供熱和制冷的一種新型能源利用技術［1-2］。該系統(tǒng)利用地下土壤或地下水體中蘊藏的巨大蓄熱或蓄冷能力，冬季：地源熱泵系統(tǒng)將室內冷量轉移至地下，同時將熱量送至室內；夏季：再把室內熱量轉移至地下，同時再把冷量送至室內。一個年度形成一個冷熱循環(huán)，實現(xiàn)綠色建筑的功能。

地源熱泵系統(tǒng)具有高效節(jié)能，無環(huán)境污染，維護費用低，使用壽命長等優(yōu)點；但在北方地區(qū)，如果長期使用地源熱泵系統(tǒng)會使地下溫度場得不到有效的恢復，造成地下土壤熱不平衡的問題。

太陽能供熱系統(tǒng)指利用太陽能集熱器，收集太陽輻射能實現(xiàn)平時供熱水或冬季供暖的系統(tǒng)。它具有節(jié)能環(huán)保，使用安全，不占空間等優(yōu)點；但太陽能同時具有分散性，不穩(wěn)定性和效率低等缺點。

本文將太陽能系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢結合起來，通過太陽能—地源熱泵聯(lián)合供暖的運行模式，就經濟性上聯(lián)合供暖系統(tǒng)的初投資比單獨使用地源熱泵系統(tǒng)高3000元，但運行約6年后能收回初投資，并且在環(huán)保性上聯(lián)合供暖系統(tǒng)緩解了地下土壤熱不平衡的問題，更大可能的利用了可再生能源。

1、 聯(lián)合供暖系統(tǒng)的工作原理

太陽能—地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)指太陽能集熱器部分與地源熱泵地埋管部分同時工作，共同承擔室內所需的熱負荷。夏季：V1閥門處于關閉狀態(tài)，V2閥門處于開啟狀態(tài)，此時地源熱泵系統(tǒng)利用地下土壤的冷源負責室內制冷，而太陽能供熱系統(tǒng)利用太陽能提供生活熱水；冬季：V1閥門處于開啟狀態(tài)，V2閥門處于關閉狀態(tài)，地源熱泵系統(tǒng)與太陽能供熱系統(tǒng)聯(lián)合運行，共同承擔室內的熱負荷，此時太陽能供熱系統(tǒng)作為地源熱泵系統(tǒng)的輔助熱源。

2、 建立數(shù)學模型

2.1地源熱泵機組數(shù)學模型

地源熱泵機組的平均性能系數(shù)：

式中：T1——地源熱泵井水側入口溫度（即蒸發(fā)器入口溫度），℃T2——用戶側流體出口溫度（即冷凝器出口溫度），℃

地源熱泵機組消耗的電能：

式中：W——地源熱泵機組消耗的電能，W ；Q1——地源熱泵機組放熱量（室內熱負荷），W；η1——地源熱泵機組瞬時效率。

地源熱泵機組從地下土壤吸收的熱量：（3）Q2=Q1-W

式中：Q2——地源熱泵機組從土壤吸收的熱量，J；——水的比熱容，J/（kg·℃）；ρ——水的密度，kg/m3；V——循環(huán)水的體積，m3；T3——地源熱泵井水側出口溫度（即蒸發(fā)器出口溫度），℃。

由公式（3）、（4）可得：（5）

2.2太陽能集熱器數(shù)學模型

對于熱管式真空太陽能集熱器，其瞬時效率：

式中：η2——太陽能集熱器瞬時效率；Q3——太陽能集熱器吸收的熱量，J ；Ac——太陽能集熱器面積，m2；Ic——太陽能輻射強度，w/sr 。

則瞬時效率函數(shù)關系式為：

式中：T5——太陽能集熱器入口溫度，℃ ；T6——周圍環(huán)境溫度，；℃、 A、B為太陽能集熱器系數(shù)，與集熱器結構尺寸有關。

由公式（6）、（7）、（8）可得太陽能集熱器出口溫度：

式中：T7——太陽能集熱器出口溫度，℃ ；m3——真空管內液體質量流量，kg/h ；c3——真空管內液體比熱容，J/（kg·℃）。

3、 案例分析

本文以呼和浩特地區(qū)某層高為3.0m，建筑面積為207 的工程為例。在最冷月即1月份中選擇典型2天連續(xù)測得，室外逐時平均溫度為-19.5，室外逐時平均熱負荷為12.5kw，其中最大熱負荷為14.8kw，日照時間內的南向平均輻射強度為374.1 。呼和浩特地區(qū)冬季室內供暖設計溫度為20 。如圖1，圖2。

地源熱泵機組在冬季運行時，蒸發(fā)器進水平均溫度為13 ，蒸發(fā)器出水平均溫度為8.3 ；冷凝器進水平均溫度為45.2 ，冷凝器出水平均溫度為48 。其中蒸發(fā)器進出水平均溫差為4.7 ，冷凝器進出水平均溫差為2.8，地源熱泵機組運行比較穩(wěn)定，蒸發(fā)器與冷凝器進出水溫度變化較平穩(wěn)。如圖3。

4、 經濟性分析

呼和浩特地區(qū)冬季供暖天數(shù)為150天左右，在相同的供暖管網與末端裝置的情況下，對太陽能—地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)與單獨使用地源熱泵系統(tǒng)，進行經濟性分析與比較。

4.1初投資

太陽能—地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)與單獨使用地源熱泵系統(tǒng)在同時不考慮：地源熱泵打井費用，埋管費用，設備室和控制室費用等的情況下，聯(lián)合供暖系統(tǒng)比單獨使用地源熱泵系統(tǒng)增加的初投資為太陽能集熱器部分的費用。

N=n·s=600×5=3000

式中：N為聯(lián)合供暖系統(tǒng)增加的初投資，元；n為單位面積集熱器價格，按600元/m2；s為太陽能集熱器面積，5m2。

4.2運行費用

計算兩種供熱系統(tǒng)的運行費用時，同時不考慮工作人員的管理費用和設備的維護維修費用。

（1）太陽能—地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)：

太陽能部分：制熱量2.4kw，每小時耗電量571w，每天日照小時數(shù)取6小時，電費取民用電價格為0.5 /kwh ，則太陽能部分每天電費為：

地源熱泵部分：制熱量12.4kw，每小時耗電量2952w，每天運行24小時，電費取民用電價格為0.5/kwh，則地源熱泵部分每天電費為：

太陽能—地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)平均年運行費用：

（2）單獨使用地源熱泵供暖系統(tǒng)：

地源熱泵部分：制熱量14.8kw，每小時耗電量3364w，每天運行24小時，電費取民用電價格為0.5/kwh，則地源熱泵系統(tǒng)每天電費為：單獨使用地源熱泵供暖系統(tǒng)平均年運行費用：N″=N3·D=6060元

4.3兩種供熱模式的經濟性比較。見表1

表1　經濟性比較

由表1可知，太陽能—地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)在初投資上比單獨使用地源熱泵供暖系統(tǒng)高3000元，但是聯(lián)合供暖系統(tǒng)的年運行費用比單獨使用地源熱泵系統(tǒng)低489元，運行約6年就能收回初投資。且地源熱泵系統(tǒng)的壽命一般為20年，因此在經濟性上，使用太陽能—地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)比單獨使用地源熱泵供暖系統(tǒng)更經濟。

5、 結論

（1）在太陽能充且熱負荷大于冷負荷地區(qū)，使用太陽能—地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)比單獨使用地源熱泵供暖系統(tǒng)運行費用更低，節(jié)約電費，且運行約6年就能收回初投資。

（2）熱負荷大于冷負荷地區(qū)，使用聯(lián)合供暖系統(tǒng)相對單獨使用地源熱泵供暖系統(tǒng)而言，能使地下溫度場得到有效的恢復，緩解地下土壤熱不平衡的問題。

（3）太陽能集熱器面積與機組熱效率成正比，與集熱器效率成反比，且會增大初投資，因合理選擇太陽能集熱器面積。

［1］鄭云.淺談地埋管地源熱泵技術［J］.四川建筑科學研究，2008，34（05）：225-227.

［2］余鑫，王如竹，翟曉強.豎直埋管地源熱泵系統(tǒng)研究進展［J］.暖通空調，2010，4（02）：1-7.

［3］程宗科，柯軍，劉秋新.地源熱泵地埋管換熱設計計算［J］.制冷與空調，2008，22（02）：58-62.

［4］李敏.地埋管地源熱泵系統(tǒng)的區(qū)域適應性研究［D］.南京：南京理工大學，2010.

［5］范蕊，馬最良.地埋管換熱器傳熱模型的回顧與改進［J］.暖通空調，2006，36（04）： 25-29.

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