太阳能辅助地源热泵联合供暖系统在国内的发展

 随着全球性能源危机的加剧和环境的恶化,节能和环保已经成为世界各国发展的主题, 可再生能源的开发利用与节能减排受到了广泛的重视。

 

  太阳能—地源热泵联合供暖(制冷)系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统。

 

  太阳能与地源热泵联合供暖可以互相取长补短,发挥各自的优势, 弥补单一热源热泵的不足, 提高热泵系统的COP值[ 1] 。一方面由于土壤具有蓄能、稳定性及延迟性的特点, 可以作为太阳能的蓄热装置, 储存热量以供太阳能不足时使用。另一方面, 由于太阳能的辅助供热作用, 使得地热换热器可以间歇运行, 土壤温度场能够得到及时恢复,热泵的蒸发温度及冷凝温度波动不大, 从而保证热泵的稳定运行。

 

  开展多种能源的联合使用, 进行优势互补, 是能源利用方式的发展趋势, 利用太阳能—地源热泵联合供暖(制冷)系统是节能减排的有效手段。

 

  地源热泵技术最早出现于1912 年, 最近10年在欧美工业发达国家取得了迅速的发展。但对于地下换热器性能的研究真正开始于1946年, 美国进行了12 个地下盘管的研究项目, 1953 年美国电力协会的结论认为, 这些实验还是没有提供可供使用的设计方案。20世纪50 年代初, 英国的Sumnert和VonCube安装了用于住宅供暖的地源热泵系统。1950年以后, 国外对地源热泵系统进行了大量的试验研究和数值分析, 提出了许多地源热泵的基础理论, 为地源热泵及太阳能集热器联合或交替使用的联合供暖系统的发展提供了良好的基础。把太阳能集热器和埋入土壤中的换热器相结合以把太阳热能储存在土壤中的设想是由美国的Penrod于1965年首次提出的, 1969年Penrod又给出了系统的设计过程, 包括太阳能集热器与埋管换热器的设计方法。随后, 用于计算系统联合运行时太阳能集热器与埋管换热器的结构参数的复杂理论也应运而生。1978 ～ 1981年, 美国布鲁克海文国家实验室(BrookhavenNationalLaboratory)对带圆柱型地下储能罐的串联太阳能热泵系统进行了试验与模拟研究, 研究结果表明:在冬季采暖运行工况下, 地下储能罐可以使太阳能热泵工作性能更稳定, 而且可以减小辅助热源装置的容量。2003年, 美国的AndrewDChiasson与CenkYavuzturk用TRNSYS作为平台,

 

  对带有太阳能集热器的地源热泵系统进行了模拟研究, 采用了包括芝加哥、盐湖城和丹佛在内的具有不同气候特点的6个美国城市的气候参数进行了为期20 a的模拟, 证明了联合系统的节能效果[ 2] 。同年, 土耳其的OnderOzgener和ArifHepbasli对配备了50mU型埋管换热器的联合系统进行了实验研究和经济技术分析[ 3] 。土耳其的M· Inalli应用复数有限傅立叶变换CFFT(ComplexFiniteFourierTransform)和有限差分方法, 模拟分析了带地下圆柱形储能罐的太阳能供热系统的地下温度场分布, 并就集热器面积、储能容器容积及其埋设深度等因素, 对地下温度场分布的影响进行了比较分析[ 4] 。

 

  我国利用低温地能的研究起步于20世纪50

 

  年代, 自80 年代以后, 利用低温地能的热泵技术才日益受到重视。采用地下耦合热泵系统的上海闵行经济技术开发区办公楼, 开创了中国应用地源热泵技术的先河。到1999年底, 全国大约有开式地源热泵系统100套, 但至今采用闭式循环系统运行的工程实例并不多, 仅在重庆大学、山东建工学院和河北建筑科技大学、吉林大学等建有封闭循环系统的示范工程。2001年, 哈尔滨工业大学在Kelvin线源理论的基础上, 对地源热泵间歇运行时土壤温度变化情况进行了模拟分析, 从而确定了哈尔滨地区太阳能和地源热泵联合供暖系统最佳的运行时间分配比例[ 5] 。2003年, 哈尔滨工业大学又针对北方寒冷地区地源热泵长期运行出现的问题, 对太阳能深层土壤蓄热进行了实验研究, 验证了跨季度利用太阳能的可行性[ 6] 。

 

  2005年, 东南大学对太阳能—土壤源热泵系统的交替运行性能进行了数值模拟, 确定了青岛地区联合供暖系统的运行时间分配比例[ 7] 。

 

  纵观国内外研究现状, 地源热泵及太阳能集热器联合供暖技术在中国目前还只处在初步开发阶段, 没有形成整套完整的理论。同时, 结合实际工程的研究还不够, 没有充足的基础数据, 不能为其应用及推广提供坚实的理论依据。但是已有的研究已经证明, 联合供暖系统对于以冬季采暖为主的寒冷地区具有明显的节能与环保效果。