淺談太陽能—地源熱泵聯合供暖系統的經濟性評價

摘 要：由于單獨運行太陽能和地源熱泵系統時，各自存在缺陷。因此提出太陽能與地源熱泵系統聯合供暖的運行方式。建立太陽能集熱器和地源熱泵機組的數學模型，并以某地區(qū)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)分析法計算聯合供暖系統的經濟性。結果表明，聯合供暖系統在初投資上比單獨使用地源熱泵系統高，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)，聯合供暖系統更具有可行性和環(huán)保性。

關鍵詞：聯合供暖；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。該系統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)，實現綠色建筑的功能。

地源熱泵系統具有高效節(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。

太陽能供熱系統指利用太陽能集熱器，收集太陽輻射能實現平時供熱水或冬季供暖的系統。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。

本文將太陽能系統和地源熱泵系統的優(yōu)勢結合起來，通過太陽能—地源熱泵聯合供暖的運行模式，就經濟性上聯合供暖系統的初投資比單獨使用地源熱泵系統高3000元，但運行約6年后能收回初投資，并且在環(huán)保性上聯合供暖系統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。

一、聯合供暖系統的工作原理

太陽能—地源熱泵聯合供暖系統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)，此時地源熱泵系統利用地下土壤的冷源負責室內制冷，而太陽能供熱系統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)，地源熱泵系統與太陽能供熱系統聯合運行，共同承擔室內的熱負荷，此時太陽能供熱系統作為地源熱泵系統的輔助熱源。

二、建立數學模型

（一）地源熱泵機組數學模型

三、案例分析

本文以某地區(qū)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 。某地區(qū)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。

四、經濟性分析

某地區(qū)地區(qū)冬季供暖天數為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—地源熱泵聯合供暖系統與單獨使用地源熱泵系統，進行經濟性分析與比較。

（一）初投資。太陽能—地源熱泵聯合供暖系統與單獨使用地源熱泵系統在同時不考慮：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，聯合供暖系統比單獨使用地源熱泵系統增加的初投資為太陽能集熱器部分的費用。

式中：為聯合供暖系統增加的初投資，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 。

（二）運行費用。計算兩種供熱系統的運行費用時，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—地源熱泵聯合供暖系統：由下表可知，太陽能—地源熱泵聯合供暖系統在初投資上比單獨使用地源熱泵供暖系統高3000元，但是聯合供暖系統的年運行費用比單獨使用地源熱泵系統低489元，運行約6年就能收回初投資。且地源熱泵系統的壽命一般為20年，因此在經濟性上，使用太陽能—地源熱泵聯合供暖系統比單獨使用地源熱泵供暖系統更經濟。

五、結論

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

（二）熱負荷大于冷負荷地區(qū)，使用聯合供暖系統相對單獨使用地源熱泵供暖系統而言，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。

（三）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。

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