热网与太阳能地源热泵系统运行的初步分析

赵 攀 何志强

(东北林业大学,黑龙江 哈尔滨 150036)

随着我国“十三五”战略的不断推进，如何尽可能大程度地利用现有能源，使之发挥最大效用，同时又给环境带来尽可能小的影响，目前已成为各个能源领域专家重点研究的课题。城市的快速建设，高层建筑的不断出现，建筑的热负荷不断增大，使得单一热源系统供热形式因其往往不能满足当今时代对能源最大利用的需要而有被各种复合式能源供热系统替代的迹象。各种多热源复合式联合供热系统开始相继出现，本文基于在大学期间所做的国家级创新项目，就热网与太阳能—地源热泵系统联合供热形式展开初步的分析。

1 电锅炉蓄热与太阳能联合供热的不足

之前为适应国家“煤改电”政策的实施，考虑改用煤为用电来调整能源结构以及转变能源使用方式，采用蓄热电锅炉与太阳能联合供热，但是随着项目研究的不断进行，许多问题也浮现出来。根据实际模拟和专家经验，发现相变式蓄热电锅炉存在一定的不合理性。2017年10月在山西太原举行的第七届建筑环境与能源应用技术交流大会上，讨论分析了关于电热经济性的问题。以华北地区较好的农宅为例，冬季最大热负荷为60 W/m2,冬季总的供热量为80 kWh/m2。如果直接采用电采暖，则整个冬季耗电量为80 kWh/m2。如果采用燃气壁挂炉，则整个冬季用气8 Nm3/m2。如果采用空气源热泵加热风，则整个冬季用电30 kWh/m2。如果电价0.5元/kWh,气价2.5元/Nm3,则直接电采暖的成本为40元/m2,燃气壁挂炉的成本为20元/m2，空气源热泵热风机的成本为15元/m2。这样一计算，热泵的投资在90元/m2,即使直接电采暖无初装成本，热泵也可以四年内回收其初装成本。相比来看，采用热泵比采用电锅炉还是要相对经济。然而还有一个问题，空气源热泵与地源热泵相比，理论技术没有地源热泵成熟，综合考虑，还是采用地源热泵。

2 从地源热泵系统到太阳能—地源热泵系统

地源热泵是一种高效节能的新型能源利用设备，因其具有可再生性，高效节能并且运行成本又低等多种特点而展示出巨大的发展潜力。地源热泵概念一经提出，就得到了人们广大的认可和赞赏。在早期，人们开始初步接触地源热泵，利用地源热泵从浅层土壤提取热量，实现了从低位能源提取热量的过程，并且不污染环境，在当时被认为是最有发展空间的空气调节技术[1]，但是随着人们对地源热泵的大量后续研究发现，地源热泵其实也存在着一个很大的缺陷，我们利用地源热泵长期从土壤里提取热量，使得土壤温度得不到及时有效的恢复，打破了土壤原有的热平衡，长此以往，不仅会对土壤有很大的危害，而且也会导致热泵蒸发器温度有很大的波动，从而使得热泵的运行效率大大降低。基于此种缺陷，人们花了很多精力来研究地源热泵运行时如何向土壤补充热量。随着研究不断的开展进行，后来又有人提出了一种新型的供热系统——太阳能—地源热泵系统。

3 太阳能—地源热泵系统的提出

太阳能和地源热泵都是很好的可再生能源利用形式，但是它们都有各自的优缺点。太阳能集热器可以将太阳能转化为水的热能将其放置在储水箱中以实现蓄热，并且投资较小，使用年限较长，但是其受天气季节影响较大，系统并不稳定。后来结合它们各自的优缺点，Peneriod在1955年率先提出太阳能—地源热泵的概念，其主要思想是结合太阳能集热器和土壤换热器于一体应用在热泵系统中，首先太阳能通过集热器把热量储存在土壤中，然后地源热泵再从土壤中取热[2]。这样一来，有效地缓解了热不平衡的问题。后来，在此基础上，各种研究也开始不断进行。国内的一些著名高校天津大学，哈尔滨工业大学，东南大学，河北工业大学等也陆续的进行了一些研究[3-5]获得了相应的成果，使得太阳能—地源热泵系统得到了进一步的发展。

4 热网与太阳能—地源热泵联合供热系统的构建

虽然太阳能—地源热泵能解决土壤源补热问题，但是太阳能毕竟还是一种不稳定的清洁能源，在阴雨天气及晚上，太阳能就不能通过集热器来给土壤源蓄热。假如连续遇上多雨，多云的天气，这种供热方式势必满足不了用户所需热量的需求。因此后来又有人提出了一种热网和太阳能—地源热泵复合式多能源供热系统。在供暖季节，每一阶段建筑的热负荷有很大的差异，它随着室外温度的变化而不断变化，但是总体呈现的大致规律是在供暖的前期和末期热负荷较小，中期热负荷达到最大。因此，有人就构想出一种以热网为主要供热形式，太阳能—地源热泵系统为辅助供热形式来进行供热，热网是目前我国城市集中供热的最稳定，最成熟系统。热网与太阳能—地源热泵联合供热系统即以热网为主要供热形式，太阳能—地源热泵系统为辅助，承担热负荷的一部分，来缓解热网的运行压力。在供暖的初末期热负荷较小时可以完全只利用相较于热网更廉价节能简单的太阳能—地源热泵系统来进行供热。这样一来，一方面我们达到建筑供热控制温度的目的，另一方面，我们又采用清洁的可再生资源，减少了热网运行所需要的化石能源的消耗，以及使用化石能源过程中所产生的对环境的污染。

5 热网与太阳能—地源热泵联合供热系统的工作过程

该系统主要由太阳能集热器,地下土壤蓄热槽，土壤换热器，热泵机组，热网组成。其基本运行过程为：在非供暖季节，太阳能集热器将收集起来的太阳能给蓄水箱里的水加热，之后再通过地埋管换热机组，将水箱里水的热能储存在土壤里，此过程中，如果地埋管的进口温度小于其出口温度，则该过程为吸热过程，反之，为放热过程。其循环过程为：地埋管出口的循环介质进入热泵机组蒸发器，放出热量后，温度低的循环介质又回到水箱。在供暖初末期，可以采用此种形式供热，如果热泵冷凝器出口满足不了用户的供热需求，则将太阳能—地源热泵，热网同时运行，使用热网进行二次加热使之满足要求。这种复合式能源供热系统的最大好处就在于一方面最大限度的减少了化石燃料的消耗，充分地利用了太阳能，降低了环境污染。另一方面可以达到为热网“削峰”的作用，减少了热网的负荷。值得说明的是太阳能集热器的面积不能随意增加，应根据各个地区气候特点的不同，经过进一步的研究确定其最佳集热器面积大小。

6 结语

本文通过对蓄热电锅炉—太阳能复合供热到对热网与太阳能—地源热泵系统的转变过程的阐述，初步分析了后者相比前者更加节能经济，可以作为一种新的多热源复合式供热系统来进行研究。但是本文还只是停留在理论分析的层面上，并没有做出进一步深的研究。关于系统中地源热泵多机组运行策略的优化以及全生命周期的研究和长周期工况稳定运行问题还需要通过TRNSYS软件的仿真模拟来实现。至于该系统最后究竟能否被推广应用，还需要广大研究学者做出进一步的研究。