太阳能—地源热泵联合供暖系统的经济性评价

太阳能—地源热泵联合供暖系统的经济性评价

 

李强、高理福、万溧

西南科技大学土木工程与建筑学院,四川绵阳 621000

摘要：由于单独运行太阳能和地源热泵系统时，各自存在缺陷。因此提出太阳能与地源热泵系统联合供暖的运行方式。建立太阳能集热器和地源热泵机组的数学模型，并以呼和浩特地区某工程为例，通过测试得到室外温度、逐时热负荷、太阳能辐射强度和地源热泵机组进出水温度。采用静态分析法计算联合供暖系统的经济性。结果表明，联合供暖系统在初投资上比单独使用地源热泵系统高，但运行6年后能收回初投资。同时在热负荷大于冷负荷地区，联合供暖系统更具有可行性和环保性。

关键词：联合供暖；地源热泵；经济性；环保性

随着全球工业迅速崛起，经济发展十分迅速，城市化进程日益加快使得能源消耗增涨迅速，在许多国家，能源危机日益凸显。目前应用较多的矿物能源是石油、天然气和煤炭，核裂变能也在逐渐开发研究中。矿物能源推动了世界经济的发展，但其带来的环境问题却越发严重，节能减排已经是所有人都将重视的一个话题。

地源热泵系统是利用浅层地能进行供热和制冷的一种新型能源利用技术^[1-2]。该系统利用地下土壤或地下水体中蕴藏的巨大蓄热或蓄冷能力，冬季：地源热泵系统将室内冷量转移至地下，同时将热量送至室内；夏季：再把室内热量转移至地下，同时再把冷量送至室内。一个年度形成一个冷热循环，实现绿色建筑的功能。

地源热泵系统具有高效节能，无环境污染，维护费用低，使用寿命长等优点；但在北方地区，如果长期使用地源热泵系统会使地下温度场得不到有效的恢复，造成地下土壤热不平衡的问题。

太阳能供热系统指利用太阳能集热器，收集太阳辐射能实现平时供热水或冬季供暖的系统。它具有节能环保，使用安全，不占空间等优点；但太阳能同时具有分散性，不稳定性和效率低等缺点。

本文将太阳能系统和地源热泵系统的优势结合起来，通过太阳能—地源热泵联合供暖的运行模式，就经济性上联合供暖系统的初投资比单独使用地源热泵系统高3000元，但运行约6年后能收回初投资，并且在环保性上联合供暖系统缓解了地下土壤热不平衡的问题，更大可能的利用了可再生能源。

1、 联合供暖系统的工作原理

太阳能—地源热泵联合供暖系统指太阳能集热器部分与地源热泵地埋管部分同时工作，共同承担室内所需的热负荷。夏季：V1阀门处于关闭状态，V2阀门处于开启状态，此时地源热泵系统利用地下土壤的冷源负责室内制冷，而太阳能供热系统利用太阳能提供生活热水；冬季：V1阀门处于开启状态，V2阀门处于关闭状态，地源热泵系统与太阳能供热系统联合运行，共同承担室内的热负荷，此时太阳能供热系统作为地源热泵系统的辅助热源。

2、 建立数学模型

2.1 地源热泵机组数学模型

地源热泵机组的平均性能系数：

                                                          （1）

式中：——地源热泵井水侧入口温度（即蒸发器入口温度），；——用户侧流体出口温度（即冷凝器出口温度），。

地源热泵机组消耗的电能：

                                                                 （2）

式中：——地源热泵机组消耗的电能，W；——地源热泵机组放热量（室内热负荷），W；——地源热泵机组瞬时效率。

地源热泵机组从地下土壤吸收的热量：

                                                             （3）

                                                     （4）

式中：——地源热泵机组从土壤吸收的热量，；——水的比热容，；——水的密度，；——循环水的体积，；——地源热泵井水侧出口温度（即蒸发器出口温度），。

由公式（3）、（4）可得：

                                             （5）

2.2 太阳能集热器数学模型

对于热管式真空太阳能集热器，其瞬时效率：

                                                                （6）

式中：——太阳能集热器瞬时效率；——太阳能集热器吸收的热量，；——太阳能集热器面积，；——太阳能辐射强度，。

                              令                            （7）

则瞬时效率函数关系式为：

                                                              （8）

式中：——太阳能集热器入口温度，；——周围环境温度，；、为太阳能集热器系数，与集热器结构尺寸有关。

由公式（6）、（7）、（8）可得太阳能集热器出口温度：

                                                       （9）

式中：——太阳能集热器出口温度，；——真空管内液体质量流量，；——真空管内液体比热容，。

3、 案例分析

本文以呼和浩特地区某层高为3.0m，建筑面积为207的工程为例。在最冷月即1月份中选择典型2天连续测得，室外逐时平均温度为-19.5，室外逐时平均热负荷为12.5kw，其中最大热负荷为14.8kw，日照时间内的南向平均辐射强度为374.1。呼和浩特地区冬季室内供暖设计温度为20。如图1，图2。



 

图1  室外逐时温度

Fig.2 Outdoor hourly temperature



图2 室外逐时热负荷

Fig.3 Outdoor hourly load

地源热泵机组在冬季运行时，蒸发器进水平均温度为13，蒸发器出水平均温度为8.3；冷凝器进水平均温度为45.2，冷凝器出水平均温度为48。其中蒸发器进出水平均温差为4.7，冷凝器进出水平均温差为2.8，地源热泵机组运行比较稳定，蒸发器与冷凝器进出水温度变化较平稳。如图3。



图3  进出水温度

Fig.4 Inlet and outlet water temperature

 

4、 经济性分析

呼和浩特地区冬季供暖天数为150天左右，在相同的供暖管网与末端装置的情况下，对太阳能—地源热泵联合供暖系统与单独使用地源热泵系统，进行经济性分析与比较。

4.1 初投资

太阳能—地源热泵联合供暖系统与单独使用地源热泵系统在同时不考虑：地源热泵打井费用，埋管费用，设备室和控制室费用等的情况下，联合供暖系统比单独使用地源热泵系统增加的初投资为太阳能集热器部分的费用。



式中：为联合供暖系统增加的初投资，元；为单位面积集热器价格，按600元/;s为太阳能集热器面积，5。

4.2 运行费用

计算两种供热系统的运行费用时，同时不考虑工作人员的管理费用和设备的维护维修费用。

（1）太阳能—地源热泵联合供暖系统：

太阳能部分：制热量2.4kw，每小时耗电量571w，每天日照小时数取6小时，电费取民用电价格为0.5，则太阳能部分每天电费为：

元

地源热泵部分：制热量12.4kw，每小时耗电量2952w，每天运行24小时，电费取民用电价格为0.5，则地源热泵部分每天电费为：

元

太阳能—地源热泵联合供暖系统平均年运行费用：

元

（2）单独使用地源热泵供暖系统：

地源热泵部分：制热量14.8kw，每小时耗电量3364w，每天运行24小时，电费取民用电价格为0.5，则地源热泵系统每天电费为：

元

单独使用地源热泵供暖系统平均年运行费用：

元

4.3 两种供热模式的经济性比较。见表1

表1 经济性比较

Table1 Economic comparison

项目	联合供暖系统/（元）	单独系统/（元）
初投资	3000	0
年运行费用	5571	6060
20年后总费用	114420	121200

由表1可知，太阳能—地源热泵联合供暖系统在初投资上比单独使用地源热泵供暖系统高3000元，但是联合供暖系统的年运行费用比单独使用地源热泵系统低489元，运行约6年就能收回初投资。且地源热泵系统的寿命一般为20年，因此在经济性上，使用太阳能—地源热泵联合供暖系统比单独使用地源热泵供暖系统更经济。

5、 结论

（1）在太阳能充且热负荷大于冷负荷地区，使用太阳能—地源热泵联合供暖系统比单独使用地源热泵供暖系统运行费用更低，节约电费，且运行约6年就能收回初投资。

（2）热负荷大于冷负荷地区，使用联合供暖系统相对单独使用地源热泵供暖系统而言，能使地下温度场得到有效的恢复，缓解地下土壤热不平衡的问题。

（3）太阳能集热器面积与机组热效率成正比，与集热器效率成反比，且会增大初投资，因合理选择太阳能集热器面积。

参考文献：

[1]郑云.浅谈地埋管地源热泵技术[J].四川建筑科学研究,2008,34(05):225-227.

 [2]余鑫,王如竹,翟晓强.竖直埋管地源热泵系统研究进展[J].暖通空调,2010,4(02):1-7.

 [3]程宗科,柯军,刘秋新.地源热泵地埋管换热设计计算[J].制冷与空调,2008,22(02):58-62.

 [4]李敏.地埋管地源热泵系统的区域适应性研究[D].南京:南京理工大学,2010.

 [5]范蕊,马最良.地埋管换热器传热模型的回顾与改进[J].暖通空调,2006,36(04): 25-29.

中图分类号：TU832    文献标志码：A