太阳能-地源热泵采暖系统在寒冷地区办公建筑中的应用

王海燕

（河北工程大学建筑学院，河北 邯郸 056038）

太阳能-地源热泵采暖系统在寒冷地区办公建筑中的应用

王海燕

（河北工程大学建筑学院，河北 邯郸 056038）

在当今世界能源紧缺、生态环境日益恶化的情况下，人们越来越重视新型可再生能源的开发与利用，太阳能和地热能作为高效、清洁、环保的可再生能源被广泛应用于建筑领域。文章阐述了寒冷地区太阳能资源的利用条件，在分析太阳能和地热能各自优缺点的基础上，指出了太阳能-地源热泵复合采暖系统在供暖稳定性等方面的优势，探讨了太阳能-地源热泵复合采暖技术作为一种新型建筑节能技术，在寒冷地区办公建筑中的应用问题。

太阳能；地源热泵；复合采暖系统；办公建筑；建筑节能

随着国民经济的不断发展，能源需求量日益增加，大量使用常规能源势必会对环境产生不良影响，同时导致能源匮乏。新型可再生能源的开发利用，可以降低常规能源的消耗，使常规能源更加合理有效地利用，同时可以改善由于常规能源消耗而导致的环境问题，是实现可持续发展的必由之路。

建筑能耗占社会总能耗的30%左右，其中供热采暖能耗占了相当的比例，利用可再生能源来满足建筑物供热采暖的能耗要求具有巨大的节能效益，同时可以有效减少CO2和SO2的排放，有利于缓解气候变暖和改善地区环境。太阳能和地热能作为可再生能源，在建筑领域的能源利用方面发挥着越来越重要的作用。

1 寒冷地区太阳能资源的利用条件

根据国家标准《民用建筑热工设计规范》，我国的建筑热工设计分区分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区，如图1所示。按照我国热工设计分区及设计要求，最冷月平均温度在0～10℃且日平均温度≤5℃天数在90～ 145天的地区都属于寒冷地区的范围，其中山西南部、河南大部分及安徽、山东、陕西、江苏部分地区属太阳能资源三类地区，山西北部、河北北部、北京、天津、山东西北部、陕北、甘肃东部及甘肃南部属太阳能资源二类地区，新疆南部及西藏大部分地区属太阳能资源一类地区，这些地区太阳能资源较为丰富，全年日照时数在2 200h以上，具有很大的开发潜力，有利于推广太阳能资源利用。

图1 我国的建筑热工设计分区[1]

2 采暖系统的热源分析

寒冷地区办公建筑采暖系统中应用最为广泛的热源主要是供热锅炉和热电厂，然而这两种热源在供暖过程中消耗的均为不可再生能源，势必加剧能源供应的紧张局势，同时对环境造成不利影响。因此，推广以太阳能、地热能等可再生能源为热源的采暖系统对促进寒冷地区办公建筑的节能减排具有十分重要的意义。

2.1 太阳能作为采暖系统热源的优缺点

太阳能采暖技术是可再生能源利用的主要应用方向之一。太阳能具有高效、清洁、环保、永不枯竭等优点，但由于受纬度、海拔高度、季节、昼夜等自然条件和阴雨天气等随机因素的影响，太阳能具有一定的间歇性和不稳定性。因此，单一的太阳能采暖装置很难满足寒冷地区办公建筑的供暖需求，配置高效、环保的辅助热源十分必要。

2.2 地源热泵作为采暖系统热源的优缺点

地源热泵采暖技术是利用地热能进行供暖，具有高效节能、绿色环保、运行稳定等优势，然而由于地源热泵长期连续取热或蓄热，将会使地下温度场遭到破坏，长期得不到有效恢复，造成土壤温度不断降低或升高，从而降低了热泵机组的COP值，使热泵的运行情况不稳定。因此，利用地源热泵采暖技术对建筑物进行采暖往往也需要辅助热源进行配合。

2.3 太阳能-地源热泵复合采暖系统的优势

鉴于前面两种技术的优势和局限性，将二者结合起来使用，即形成太阳能-地源热泵复合采暖系统。该系统的工作原理：冬季通过太阳能集热器收集太阳辐射热量，利用热泵机组从地源吸收热量，将两种能源结合起来，提高建筑物供暖需要的温度；夏季将太阳能集热器收集的太阳辐射热量和热泵机组从室内吸收的热量一起释放到地源中贮存起来，这样既可以实现夏季建筑物的空调制冷，又可以实现地源的能量平衡，为冬季取暖提供能源保障。太阳能-地源热泵复合采暖系统可以在集热器介质温度为10～20℃时为建筑物采暖，较普通太阳能采暖系统需要的集热系统介质温度低20～30℃，大大降低了集热器介质的工作温度，提高了集热器的效率。在承担相同热负荷的情况下，太阳能-地源热泵复合采暖系统较普通单一太阳能集热系统所需的集热面积小很多。太阳能-地源热泵复合采暖系统的应用，将会更大限度地发挥太阳能和地热能各自的优越性，同时可以使二者互相弥补不足之处，提高两种可再生能源的利用率，达到稳定供暖的目的。

3 寒冷地区办公建筑中太阳能-地源热泵复合采暖系统的应用

太阳能与热泵相结合的技术是新能源利用技术发展的重要组成部分。太阳能-地源热泵复合采暖系统综合利用了太阳能和地热能两种可再生能源，既克服了太阳能在阴雨天或夜间无法为建筑物供暖的缺点，也解决了地源热泵系统的地下温度场热量不平衡问题。两种系统的优化组合，提高能源的有效利用，与传统的供热采暖系统相比，可实现节能约20%-50%，可以达到良好的节能环保及降低运行费用效果。因此太阳能-地源热泵复合采暖系统是寒冷地区办公建筑较为理想的采暖方案之一。

山东德州某三层办公楼，建筑面积为6 000m2，建筑所需热负荷为360KW。该办公楼采用的是太阳能-地源热泵系统复合供暖系统。该供暖系统在室外温度较高、采暖负荷较小的情况下，此时经过太阳能加热过的供水温度较高，当太阳能系统供水温度在50℃以上时，利用太阳能系统直接供暖；当太阳能供水温度低于48℃时而高于40℃时，采用太阳能系统和地源热泵系统串联运行，将太阳能系统加热后的水经过地源热泵再次加热，使其达到50℃以上后再供给末端。如若太阳能供水温度低于40℃而高于20℃，则直接将太阳能系统与地源热泵系统的地下换热器相接，加热土壤，同时提高热泵机组蒸发器侧进水温度，以提高热泵机组效率。当太阳能供水温度低于20℃时，则将太阳能系统直接接入热泵机组蒸发器侧。该供暖系统由于有太阳能作为辅助热源，使得地源热泵机组的COP值较高，提高了可再生能源的利用效率。该项供暖工程于2008年10月开始供暖，供暖系统运行稳定，供暖效果良好。

4 结束语

太阳能-地源热泵复合采暖系统作为一种节能、环保的供暖方式，它的应用有利于我国能源的有效利用和可持续发展。目前国内太阳能-地源热泵复合采暖系统还未广泛应用到实际工程项目中，但现有的太阳能-地源热泵复合采暖系统的工程实践证明该系统运行稳定，采暖效果良好。而且克服了太阳能采暖系统和地源热泵采暖系统各自的局限性，因此太阳能-地源热泵复

TK511

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1003-5168(2014)03-0170-02