太阳能复合地源热泵热水系统的应用分析V3.pdf

太阳能-地源热泵复合热水系统的应

用分析

张磊

摘要：本文详细阐述了太阳能—地源热泵复合系统提供生活热水的原理，对系统构成、设计原则、控制策略
进行了分析，还从系统初投资、系统性能、节能效益等方面与其他形式热水系统进行了对比分析，为可再
生能源的合理利用提出了建议。
关键词：地源热泵太阳能复合地源热泵系统
热制冷系统，那么该新型的能源供给系统不仅将具
有各自所特有经济、环保的特性，还将具有明显的
0引言节能潜力。

太阳能光热技术是可再生能源应用的主要应用1太阳能—地源热泵复合热水系统的构建
方向之一。太阳能是永不枯竭的清洁能源，量大，
资源丰富，绿色环保。但太阳能也具有一些缺点：太阳能与地源热泵联合运行系统按照热泵机组
（1）太阳能的能流密度低。虽然到达地球表面的太的类型分，主要形式有两种：一是设计成夏季采用
阳能有102000TW，考虑到太阳集热系统的效率和热余热回收地源热泵机组+太阳能系统联合提供生活
损失，集热器面积实际采集到的年平均太阳能辐射热水，冬季太阳能辅助其他热源提供生活热水，这
照度不到100W/m2，而且它因地而异，因时而变。样一来地源热泵实际在冬季并没有发挥其作用。而
（2）太阳能具有间歇性和不可靠性。太阳能的辐照另一种系统形式则是选用全热回收地源热泵机组，
度受气候条件等各种因素的影响不能维持常量，如全年制备生活热水，在夏季太阳能优先，地源热泵
果遇上连续的阴雨天气太阳能的供应就会中断。此系统辅助，而在冬季在太阳能不能满足时用地热热
外，太阳能是一种辐射能，具有即时性，太阳能自泵系统替代。这样一来系统的联合性得到了提高，
身不易储存，必须即时转换成其它形式能量才能利系统的稳定性得到了改善，系统的能源利用效率也
用和储存。在一定程度了得到了提高。
地源热泵技术也是可再生能源应用的主要应用
1.1系统构成
方向之一，即利用浅层地热能资源进行供热与空调，
而利用地源热泵热回收技术提供生活热水，同样也太阳能—地源热泵复合热水系统主要由以下系
具有良好的节能与环境效益，近年来在国内得到了统构成：太阳能集热系统、地热换热系统、热泵机
日益广泛的应用。但地源热泵系统存在土壤温度场组系统和室内供热系统。联合运行原理图如图1.1所
的恢复问题，即随着地源热泵系统连续长期的运行，示：
会从地下过多的取热或过多的散热，造成地下温度
场的波动，降低机组的COP值，增加系统的能耗。
因此，如果能将太阳能与地源热泵构建在一起，
“取长补短，合理补给”，设计出一套复合式新型供

张磊，男，1988年8月生，工学、管理学双学士。
邮编：214000联系电话：[phone]图1太阳能——地源热泵复合热水系统图
地址：无锡市滨湖区湖滨商业街15号蠡湖科技大厦9层1.2设计原则
E-mail:[e-mail]
在设计中需要考虑到太阳能热水系统在太阳能
辐照量不足、环境温度较低的冬季,无法满足加热生

1

活热水需求的情况；同时也要考虑到为了保持地下
温度场的平衡,地源热泵系统的设计中应保证足够3热水系统的对比分析
的富余量,使系统满足冬季的热量需求。因此设计时
充分考虑采用太阳能+地源热泵生活热水这一互补3.1生活热水负荷
的系统，针对不同地区气候特点，不同运行方式，本项目生活热水的总负荷计算方法公式：
埋管换热器和太阳能集热器应达到最佳匹配。在冬
（）
季保证生活热水需求的同时，最大程度的使用太阳1

能；在夏季优先使用太阳能，辅助地源热泵，从而式中：
提高能源的利用效率，优化系统运行。
——热水负荷，kJ/h;
1.3控制策略

为了合理搭配两种加热方式，在该系统设计中，——用水流量，kg/h;
根据每日不同时间段、不同蓄热热水水箱的热水温
cp——水的定压比热容，4.18KJ/(kg·℃)
度与集热器内的溶液温度来调节不同阀门，并设计
to——水的初始温度
了4种最优的运行模式，以达到系统整体节能的目
tn——水的加热后温度
的。
本项目中加热后出水温度设为60℃。初始水的
模式一：白天8:00-17:00之间太阳能资源丰富，
温度取春秋/冬/夏季中自来水的温度15/5/25℃。那
其太阳能集热效率大约都在50%以上，并且这一时
么根据公式(1)可计算得到每户在不同季节的生活热
间段生活热水需求减少，该时间段适合利用太阳能
水热负荷与热水耗量：
来储存热水。
表1各季节热水负荷
模式二：晚上17:00-22:00建筑物内人员活动频
初始水温热水负荷天数季节热水负荷
繁，淋浴、洗衣等生活用水量大大加大，那么开启项目
to（℃）Q（kJ/d）（d）Q（kJ）
热泵进行加热。
春秋季15376201545793480
模式三：夜间22:00-8：00，室外无太阳辐射，
建筑物内人员处于休息状态，生活用水量减