太陽能—地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性評價

【摘要】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(jīng)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。

【關鍵詞】聯(lián)合供暖；地源熱泵；經(jīng)濟性；環(huán)保性

【中圖分類號】TU832

【文獻標志碼】A

隨著全球工業(yè)迅速崛起，經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(nèi)冷量轉移至地下，同時將熱量送至室內(nèi)；夏季：再把室內(nèi)熱量轉移至地下，同時再把冷量送至室內(nèi)。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(jīng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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

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(nèi)的南向平均輻射強度為374.1 。呼和浩特地區(qū)冬季室內(nèi)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(jīng)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(wǎng)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(jīng)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。

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

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)：

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(jīng)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(jīng)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。

參考文獻：

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