徐子龍 程鵬月 任佳藝 劉 錦 趙 琦

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

隨著可再生能源供熱技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。我們現(xiàn)在急切需要提高利用可再生能源供熱的技術(shù)，也應(yīng)該進(jìn)一步使規(guī)模化應(yīng)用穩(wěn)定，這樣才能實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和能源消費(fèi)總量的控制，進(jìn)而可以持續(xù)性的利用能源。迅速發(fā)展的太陽(yáng)能與地源熱泵技術(shù)是一項(xiàng)多用途、清潔、高效節(jié)能而且可持續(xù)發(fā)展的能源利用技術(shù)，其二者組合應(yīng)用可以用于夏季空調(diào)制冷，冬季采暖和熱水供應(yīng)，用熱回收技術(shù)?？梢酝瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)制冷和制熱，在建筑能源利用中，具有廣闊的運(yùn)用前景。

1 太陽(yáng)能熱利用

太陽(yáng)能利用技術(shù)從能量轉(zhuǎn)換方式來分，有三種方式：即光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換。其中應(yīng)用最廣的是光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)。它是將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成熱能加以利用的技術(shù)。吸熱體吸收太陽(yáng)輻射后提升溫度，再通過傳熱工質(zhì)把得到的熱量轉(zhuǎn)移，再得到利用。一般情況下物體吸收的太陽(yáng)輻射范圍是從紫外區(qū)到紅外區(qū)，但是利用價(jià)值最大的一部分是近紅外光區(qū)和可見光區(qū)，其波長(zhǎng)是0.4 μm～1.9 μm。一般的太陽(yáng)能利用系統(tǒng)由兩部分組成，一種是光熱轉(zhuǎn)換，大多是各種各樣的太陽(yáng)集熱器；另一種是熱能利用，大多是各種用熱裝置，都是根據(jù)具體的使用要求而設(shè)計(jì)的。光熱利用種類繁多，可按其使用溫度的高低劃分為低溫(200 ℃以下)、中溫(200 ℃～500 ℃)和高溫(500 ℃以上)三大類。目前以200 ℃以下的低溫?zé)崂冒l(fā)展最快，應(yīng)用面最廣，取得了顯著節(jié)能和環(huán)境效益，并已不斷開發(fā)而形成一定規(guī)模產(chǎn)業(yè)。如一般生活單位利用各式太陽(yáng)能熱水器供熱采暖，游泳池利用太陽(yáng)能加溫過冬，因?yàn)橹小⒏邷貞?yīng)用的技術(shù)很復(fù)雜，高標(biāo)準(zhǔn)的材料和加工技術(shù)要求以及收益太少等情況，大多數(shù)的應(yīng)用仍處于研究階段。

太陽(yáng)能作為現(xiàn)代社會(huì)的一種清潔能源，也有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

1)取之不盡，用之不竭。每年到達(dá)整個(gè)地球表面的太陽(yáng)輻射能的總量約為6×107kWh，可持續(xù)數(shù)10億年。

2)太陽(yáng)能是可再生的且使用后不產(chǎn)生也不殘留任何污染的最潔凈能源。

3)太陽(yáng)能是遍布全球、遍地皆是的不受任何集團(tuán)或國(guó)家壟斷的自然資源。

4)太陽(yáng)能產(chǎn)品如太陽(yáng)能熱水器不像燃?xì)鉄崴骱碗姛崴髂菢哟嬖谥卸?、爆炸甚至致人傷亡的事故等隱患，它是最安全、衛(wèi)生的環(huán)保產(chǎn)品。

其局限性：

1)分散性：主要表現(xiàn)在能量密度低，即使在太陽(yáng)能資源較豐富地區(qū)，地面上接收到太陽(yáng)輻射量也小于1 kW/m2，因而若要獲得較大能量，集熱器采光面積必須要相當(dāng)大。若要獲得較高能量密度，必須要聚光。

2)間歇性：由于氣候變化，如陰天下雨時(shí)，太陽(yáng)輻射能量甚微。若要連續(xù)利用太陽(yáng)能，必需要考慮能量貯存，或利用常規(guī)能源制作輔助裝置。

3)變化性：地球晝夜及季節(jié)的變化，使太陽(yáng)能量成為一個(gè)變化的數(shù)值。若要充分利用太陽(yáng)能，尤其是高溫利用時(shí)，必需要考慮自動(dòng)跟蹤等問題。

所以在太陽(yáng)能利用過程中，為了更好地?fù)P長(zhǎng)避短，往往采取以太陽(yáng)能為主，常規(guī)能源為輔，二者相結(jié)合。如集體用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，設(shè)有定時(shí)自動(dòng)輔助電加熱裝置或定時(shí)自動(dòng)燃油(氣)熱水爐或熱泵設(shè)備，既可滿足用戶需求，又獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

確定太陽(yáng)能集熱器總面積應(yīng)符合下列規(guī)定。

直接系統(tǒng)集熱器總面積應(yīng)按下式計(jì)算[1]：

其中，Ac為直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；QH為建筑物耗熱量，W；JT為當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系钠骄仗?yáng)輻照量；f為太陽(yáng)能保證率，%；ηcd為基于總面積的集熱器平均集熱效率，%；ηL為管路及貯熱裝置熱損失率，%。

2 地?zé)嶂苯永谩卦礋岜霉?/h2>

我國(guó)地?zé)豳Y源豐富，據(jù)十年前的統(tǒng)計(jì)，已發(fā)現(xiàn)的地?zé)崧额^點(diǎn)就已達(dá)2 500余處，全年天然放熱量可達(dá)4.399×1018kJ，約合1 500億t標(biāo)煤/年。我國(guó)地?zé)豳Y源總量雖然不少，但是98%以上都是105 ℃以下的中低溫?zé)崴偷馁Y源，高溫資源甚少。量大而溫度低，這是我國(guó)地?zé)豳Y源的第一個(gè)特點(diǎn)；另一個(gè)特點(diǎn)是，這些地?zé)豳Y源大都不是在深山老林人跡罕見之處，而是離主干線公路、鐵路不遠(yuǎn)，交通比較方便，離人口稠密區(qū)不遠(yuǎn)(或就在其中)，易于開發(fā)。

地源熱泵系統(tǒng)主要可以分三種：土壤源地埋管系統(tǒng)，此系統(tǒng)是通過土壤耦合地?zé)峤粨Q器來實(shí)現(xiàn)地?zé)崂?，土壤交換器可根據(jù)埋管方式的不同分為水平、豎直和螺旋形埋管，水平埋管施工方便造價(jià)低，但換熱效果差，受地面溫度波動(dòng)影響大，且占地面積較大，豎直和螺旋埋管占地面積小，可利用的土壤溫度，在全年范圍內(nèi)都相對(duì)穩(wěn)定，如此一來熱泵的運(yùn)行也會(huì)穩(wěn)定，但缺點(diǎn)就是初投資比較大；地下水地源熱泵、地表水地源熱泵，此二者分為開式和閉式兩種系統(tǒng)，顧名思義，開式系統(tǒng)是將地下水抽取直接供應(yīng)于供暖系統(tǒng)，但容易腐蝕管路，閉式系統(tǒng)是通過板式換熱器與地下水換熱，但是換熱效果有所降低，地表與地下的區(qū)別是地下水溫度恒定，地表水溫度容易受到環(huán)境溫度和水深等因素的影響。因此由于我國(guó)人口眾多、人均居住面積小，所以目前我國(guó)采用較多的是第一種土壤源豎直埋管地源熱泵系統(tǒng)。

雖然經(jīng)過了幾十年的應(yīng)用與研究，但是我國(guó)的地源熱泵技術(shù)還尚未達(dá)到完全成熟的水平。在目前的一些文獻(xiàn)中，可以參考的地源熱泵豎直地埋管換熱量的計(jì)算途徑有很多，但在2009版地源熱泵設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范中附錄B所列舉的方法無(wú)疑是最權(quán)威的，并且王海濤，鄭德錄等人將規(guī)范的方法結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行了針對(duì)性的研究，給出了地埋管換熱器每米換熱量的計(jì)算方法，本文予以借鑒采用。

供熱工況下，單位孔深換熱量可按如下公式計(jì)算[3]：

其中，qh為供熱工況下單位孔深換熱量，W/m；tf為供熱工況下，地埋管換熱器中傳熱介質(zhì)的設(shè)計(jì)平均溫度，通常取-2 ℃～5 ℃；Fh為供熱運(yùn)行份額；Th1為機(jī)組供熱運(yùn)行小時(shí)數(shù)，取最冷月份水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行小時(shí)數(shù)；Th2為一個(gè)供熱季的小時(shí)數(shù)，取最冷月份的小時(shí)數(shù)。

3 太陽(yáng)能輔助地源熱泵

太陽(yáng)能輔助地源熱泵見圖1。

夏季熱泵的運(yùn)行模式：蒸發(fā)器使冷水回水放熱，再使土壤吸收通過地埋管傳遞出來的熱量。冬季制熱泵的運(yùn)行模式：冷凝器使熱水回水吸熱，再?gòu)耐寥牢胀ㄟ^地埋管傳遞出來的熱量。如若制熱工況下，地埋管入口(位于蒸發(fā)器側(cè))的溫度過低時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。

圖1所述的系統(tǒng)，若想實(shí)現(xiàn)輔助功能，可以調(diào)節(jié)蓄熱水箱上的閥門，具體的實(shí)現(xiàn)方式有2種：一是使太陽(yáng)能集熱器又集熱又輔助供熱；另一種是太陽(yáng)能集熱器先集熱，儲(chǔ)存了一定量之后再輔助。前者實(shí)現(xiàn)方法是，閥門1打開，閥門2關(guān)閉；后者的實(shí)現(xiàn)方式是閥門2打開，閥門1關(guān)閉。如此一來，單獨(dú)的地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的區(qū)域巖土溫度持續(xù)波動(dòng)現(xiàn)象可以得到有效解決。

4 結(jié)語(yǔ)

1)太陽(yáng)能與地源熱泵都是可再生、無(wú)污染的能源利用技術(shù)，如果將兩種系統(tǒng)獨(dú)立使用，都會(huì)在某方面有些局限性，將二者聯(lián)合使用，系統(tǒng)性能就會(huì)增強(qiáng)，還可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式多樣化，有利于節(jié)能，有助于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。

2)太陽(yáng)能地源熱泵聯(lián)合應(yīng)用系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)，必須采用與結(jié)合當(dāng)?shù)夭膳照{(diào)的運(yùn)行方案，也就是依據(jù)當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能輻照狀況和當(dāng)?shù)氐膸r土熱物性，對(duì)聯(lián)合系統(tǒng)的設(shè)備部件進(jìn)行能量平衡的分析計(jì)算，使設(shè)計(jì)合理經(jīng)濟(jì)。