太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)

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摘要：隨著我國能源的緊缺和《可再生能源法》的頒布和實施，太陽能、地熱能作為可再生能源，在建筑中的應用越來越受到人們的重視，但應用的范圍僅限于太陽能提供生活熱水，或單獨利用地源熱泵系統(tǒng)提供采暖、空調，而兩者聯(lián)合運行的實際工程很少，聯(lián)合運行模式不合理。本文針對北京市某示范工程中應用的太陽能－地源熱泵技術進行闡述，分析了太陽能系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運行的技術可行性及如何充分的利用太陽能提高地源熱泵系統(tǒng)的效率，強調了可再生能源綜合利用的必要性。
關鍵詞：可再生能源   太陽能   地源熱泵   綜合利用
1  引言
能源和環(huán)境是影響國民經濟可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素，能源供應形勢直接關系到國家的安全和社會穩(wěn)定。建筑領域消費的能源，主要是煤炭、石油和天然氣等石化能源。這些能源，資源有限，不可再生，終究要枯竭，而且傳統(tǒng)能源會對環(huán)境造成嚴重的污染。我國人口眾多，人均資源占有量低于世界平均水平，與經濟發(fā)展和人民生活消費的需求相比，能源供應的缺口很大，而且能源消費結構不合理，以煤為主的能源供給造成了嚴重的大氣污染和溫室氣體排放，我國目前的CO2排放量居世界第二位。我國是“京都議定書”的簽約國，目前的這種能源消費方式，已受到國際社會的高度關注，加大了我們保護環(huán)境和改變經濟增長模式的壓力。因此，節(jié)約能源和開發(fā)利用清潔、可再生能源的任務十分緊迫。
由于能源問題對國家安全和經濟發(fā)展所起的重要作用，中央提出了建設節(jié)能省地型住宅的政策方針，因此，可再生能源在建筑中的應用是建筑業(yè)技術進步和行業(yè)發(fā)展的需要。隨著2006年1月《可再生能源法》的正式頒布與實施，太陽能、地熱能在建筑行業(yè)中的應用越來越受到人們的重視。
地源熱泵技術是可再生能源應用的主要應用方向之一，即利用淺層地熱能資源進行供熱與空調，具有良好的節(jié)能與環(huán)境效益，近年來在國內得到了日益廣泛的應用。隨著《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》的實施，地源熱泵系統(tǒng)工程的市場更加規(guī)范化，能更好的發(fā)揮其節(jié)能、環(huán)保效益。但地源熱泵系統(tǒng)存在土壤溫度場的恢復問題，即隨著地源熱泵系統(tǒng)連續(xù)長期的運行，會從地下過多的取熱或過多的散熱，造成地下溫度場的波動，降低機組的COP值，增加系統(tǒng)的能耗。
太陽能技術也是可再生能源應用的主要應用方向之一。北京屬于太陽能資源比較豐富的區(qū)域，太陽能年輻射總量在5600MJ/m2～6000 MJ/m2，年日照時數(shù)在2600小時～3000小時，所以太陽能技術在北京有很好的發(fā)展前景，并且太陽能在建筑中的應用是現(xiàn)階段太陽能應用中最具有發(fā)展?jié)摿Φ念I域。太陽能是永不枯竭的清潔能源，量大，資源豐富，綠色環(huán)保。 但太陽能也具有一些缺點：（1）太陽能的能流密度低。雖然到達地球表面的太陽能有102000TW，但即使在太陽能資源較豐富的沙漠地區(qū)，考慮到太陽集熱系統(tǒng)的效率和熱損失，每平米集熱器面積實際采集到的年平均太陽能輻射照度不到100W，而且它因地而異，因時而變。（2）太陽能具有間歇性和不可靠性。太陽能的輻照度受氣候條件等各種因素的影響不能維持常量，如果遇上連續(xù)的陰雨天氣太陽能的供應就會中斷。此外，太陽能是一種輻射能，具有即時性，太陽能自身不易儲存，必須即時轉換成其它形式能量才能利用和儲存。
地源熱泵技術和太陽能技術自身存在的這些局限性，如果兩種能源能夠聯(lián)合使用，這樣能互相彌補自身的不足，提高資源利用率。
2  太陽能－地源熱泵技術應用的條件
應用太陽能－地源熱泵技術的原則：
（1）在經濟許可的前提下最大限度地利用太陽能。太陽能是完全免費的，在利用過程中，僅消耗水泵能耗，運行費用最低，所以在經濟許可的情況下，盡可能增大太陽集熱器的面積，以提高太陽能的利用率。
（2）太陽能－地源熱泵技術適宜供全年生活熱水、冬季供暖、夏季制冷的全年綜合利用。在實際工程中，采用新能源后，系統(tǒng)初投資較高，尤其是對太陽集熱器，全部是增量成本，最好能全年綜合利用。例如：太陽集熱器冬季供熱、夏季制冷，在過渡季，不設空調時，太陽能除提供生活熱水外，將多余的熱量儲存起來，供冬季供熱。這樣的做法既可以做到太陽能的綜合利用，又可以避免太陽集熱器的空曬，增加了太陽集熱器的壽命。
（3）新能源利用的前提是必須采用節(jié)能建筑，以降低系統(tǒng)的初投資。太陽能的能流密度較低，太陽集熱系統(tǒng)的價格在目前仍然偏高；地源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比，初投資也較高。為了盡可能減少系統(tǒng)的初投資，必須保證建筑圍護結構符合節(jié)能規(guī)范的要求，以降低供暖、空調系統(tǒng)的負荷需求。
（4）與供水溫度要求低的末端系統(tǒng)配套使用。目前高溫型的地源熱泵機組COP值較低，對于常規(guī)地源熱泵機組來說，供熱時，出水溫度較低。同時，太陽集熱系統(tǒng)的集熱效率與集熱系統(tǒng)的出水溫度有關，溫度越高熱損失越大，集熱效率降低，因此在選擇供暖系統(tǒng)時應優(yōu)先選擇供水溫度要求低的形式。

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