基于太阳能热水与地源热泵结合应用的研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 15 日 作者简介：李亚璘（1976），男，通讯作者，四川阆中人,多年从事通讯行业和建筑机电行业的安装及应用。-89-基于太阳能热水与地源热泵结合应用的研究 李亚璘 上海蓬远电器安装工程有限公司，上海 200000 摘要：摘要：为响应国家“双碳”目标战略，建立绿色、环保、低碳的生活方式，本文主要研究了太阳能和地源热泵的结合应用，利用太阳辐射的热能将水加热，广泛用于家庭中的热水供应。地源热泵使用少量的电能，通过热泵将低位能量转换为高位能量，可广泛应用于空调和供暖及热水系统中，两者均具有环保、节能的优点。本文探讨了两者相互配合的优势和技术实现方法，对太阳能热水与地源热泵结合使用所产生的环境影响的分析。关键词：关键词：双碳；太阳能；地源热泵；环保；节能 中图分类号：中图分类号：TU201.5 0 引言 我国在国际上明确提出 2030 年“碳达峰”、2060 年“碳中和”的“双碳”目标，并出台了一系列相关的政策，推进低碳市场的发展。人们很早就开始利用太阳能，地源热泵技术 1912 年发明至今已有 100多年的历史，但由于化石能源价格低廉，环保意识不足，一直没有得到很好的发展。由于气候变暖对人类生存带来威胁，环境保护已经成为共识。京都议定书签定以来，业界探索和应用新能源、环保能源对降低能源消耗和减少碳排放，使用清洁能源，具有非常重要的意义。1 太阳能热水的原理与应用 太阳能光热水是将太阳光转化为热能，从而实现免费提供热水等目的。太阳能光热原理的核心是利用吸热材料吸收太阳辐射。吸热材料通常选用具有较高吸收率和较低反射率的材料，如深蓝色、黑色金属材料或陶瓷材料。这些材料能够有效吸收太阳光辐射并转化为热能。从而实现供暖、供应热水等目的。太阳能热水器是一种利用太阳辐射的热能来加热介质（通常是水。寒冷地区为了防冻也常采用丙二醇等溶液）的设备。它主要由集热器、储热器、保温水箱和管道等组成。太阳能热水器的工作原理基于热量的传递和热水的自然对流。集热器是太阳能热水器的核心部件，它通常由集热管或集热板、吸热器和传热介质等组成。集热板通常是深蓝色或黑色的，能够吸收太阳能辐射的热量，并将其转换为热能。吸热管负责将热能传送到传热介质中。传热介质一般是水或其他导热液体，负责将热量从集热器传递到储热器，与水进行换热，达到加热水的目的。储热器可以储存热量，以便在太阳不照射或夜间使用。储热器一般使用保温材料进行覆盖，以减少热量的散失。在需要使用热水时，储热器中的热水会被引出，通过管道输送至用户需要的地方。太阳能热水器的应用能够减少对传统能源的依赖，同时具有环保和节能的优势。由于受日照时间和季节的影响很大，所以在实际应用中，仍然需要进一步优化和改进，以提高其效能和稳定性。太阳能热水可以用于洗浴、洗衣、洗碗等热水使用场景。相比传统的热水器，太阳能热水器在供应热水的过程中不需要消耗任何能源，能够大大降低家庭的用水费用。太阳能热水也可以被用来供暖。通过与燃气炉、地源热泵相结合，共同提供房屋的供暖需求，不仅环保节能，减少碳排放，而且可以有效降低家庭的供暖费用。在实行峰谷电价的地区，在夜间使用电辅助加热，有助于优化电网资源配置，也可以减少使用费用。2 地源热泵的原理与应用 地源热泵（Ground Source Heat Pump，简称GSHP）是一种利用浅地面地源热能进行热能转换的技术。广义是指以一切与大地有关的能量如江河湖海和浅层土壤等作为冷热源的热泵技术，通常的地源热泵是以大地土壤为冷热源，通过地下换热器直接与大地土壤进行冷热交换，而不需要开采地下水的地源热泵。由于在地表以下一定深度的地层中温度常年相对恒定，中国科技期刊数据库 工业 A-90-比冬季环境温度高，又比夏季环境温度低，比空气源热泵的效率大为提高，也不存在水源热泵开采地下水可能对当地地下水资源环境造成的不利影响。地源热泵系统主要由地源侧换热器、循环水泵、热泵机组和控制系统等组成。根据实际需要预埋的相应数量的地耦管，作为地源热泵换热器，与地下土壤或岩石接触，通过传导和对流的方式将热量或冷量传递到地耦管中。热能的交换过程是地源热泵的基础，其可靠性、有效性和效率直接影响到整个地源热泵系统的可靠性、有效性和效率。热泵机组是地源热泵系统的核心部分，热泵本身并不生产热量或冷量，它起到热能的转换和传递的作用。热泵基于逆卡诺循环原理，用少量的电能驱动机组，把低品位热能吸收压缩升温后加以利用。压缩机将低温低压的制冷剂压缩为高温高压的制冷剂，在每次被压缩和膨胀时，制冷剂将热量从低温环境中抽取并传送到高温环境中。通过循环方式的变换，然后通过换热器和膨胀阀实现制冷和制热的功能。控制系统是地源热泵系统中的智能化管理系统，它对系统的运行进行监测和调节。控制系统可以根据室内外温度、湿度以及用户需求，自动调节热泵机组和水泵的运行状态，以实现能量的高效利用。此外，控制系统还能对地源换热器和其他组件进行监测，提供故障诊断和报警保护等功能。地源热泵将吸收到的低位热能通过压缩机转换为高位热能，这样的转换过程需要耗费一定的能量，通常使用电能来驱动压缩机进行工作。冬季热泵机组将地下的地热能量转移到室内供暖使用的同时储存了冷量；夏季抽取地下的冷量为室内制冷的同时将建筑物中的热量排入地下储存起来。在冬夏负荷基本平衡的情况下，大地的温度保持相对恒定，起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。减少对环境的污染，符合人类可持续发展的要求。地源热泵的工作原理可以说是一种高效利用地下地热能资源的方式。相比传统的供暖和制冷技术，地源热泵具有以下几个优点：首先，它不需要依赖化石燃料，避免了空气污染和二氧化碳的排放；其次，它的能效比较高，COP 一般在 4.56 左右，可实现能源的节约；此外，地源热泵系统还可以与其他的可再生能源技术相结合，进一步提高能源的利用效率。在结合太阳能热水应用中，地源热泵的工作原理也可以为整个系统的优化和效能分析提供重要依据。3 太阳能热水与地源热泵的结合应用 太阳能与地热能是两种常见的可再生能源，太阳能热水与地源热泵的结合应用，是一种充分利用太阳能和地热能的可再生能源技术方案。在这种应用中，太阳能热水系统和地源热泵系统相互配合，共同供应热水和制冷/供暖能源，以实现能源的节约和环境的保护。在太阳能热水与地源热泵的集成系统中，太阳能热水器负责利用太阳光将水加热作为生活热水或供暖使用。地源热泵系统则通过地热能源实现供暖或制冷和制备热水。太阳能热水器在阳光充足时能够供应热水，而地源热泵则可以在夜间或阳光不足时提供热水。通过合理的控制和调整，太阳能热水和地源热泵可以协同工作，满足用户的需求。它们可以相互协同工作，实现更高效的能源利用。在协同工作原理方面，太阳能热水与地源热泵可以通过以下方式相互结合：首先，太阳能热水系统可以利用白天制备热水，存放在蓄热保温水箱里以备使用。当需要供暖时，地源热泵可以利用太阳能热水器提供的热水来进行供暖。这样可以减小地源热泵的负荷，提高系统的效能。在排热少取热多的地源热泵系统中，有利于土壤的热平衡。其次，在夏季，通过热泵为房间制冷时，可以将房间的废热制备为热水，这个过程是免费的，不额外耗费电能，也可减少空调系统的负荷。同时减少向地下排放过量的热量，这有利于土壤的热平衡。如果排热少取热多，应充分利用太阳能热水系统制备热水，可以提高地源热泵的效率。此外，太阳能热水与地源热泵还可以共享热水储存单元。太阳能热水系统和地源热泵系统通常都需要一个热水储存单元，可以使整个系统更加紧凑。太阳能热水系统可以通过热水储存单元向地源热泵提供暖水，地源热泵则可以利用太阳能热水系统提供的热水进行供暖和制冷。以浦东某别墅小区为例，单套别墅为地下一层，地上三层。每户采用独立的土壤源地源热泵系统，以满足夏季风机盘管制冷和冬季地板供暖的冷暖需求，生活热水由太阳能和地源热泵联合提供。系统流程如中国科技期刊数据库 工业 A-91-图所示：图 1 太阳能与地源热泵结合应用系统流程图 根据设计手册，上海地区室外空气的空调设计参数（见下表），按夏季室内温度 262，相对湿度45%-65%、冬季室内温度 202，相对湿度 30%-50%进行设计，采用谐波反应法简化计算为设计工况夏季冷负荷最大值为 36.6KW，冬季热负荷最大值为20.4KW。根据通常的家庭使用场景，空调同开系数按65%计取，主机冷量 23.8KW，由于机组的制热能力大于制冷能力，该别墅的空调冷负荷比供暖热负荷大，按照空调冷负荷选取高端三联供别墅专用地源热泵机组，制冷量 25.5KW，制热量 30.2KW，生活热水330L/h（45，温升 40），可同时满足夏季制冷、冬季供暖、四季生活热水的需求。表 1 上海地区室外空气的空调设计参数 冬季室外计算干球温度 夏季室外计算相对湿度 夏季室外计算干球温度 夏季室外计算湿球温度 夏季日平均干球温度 夏季平均温差-4 75%38 30.2 34.4 6.9 系统最大的排热量在夏季，包括通过机组释放到空调循环水的热量和循环水泵做功的热量，这些热量都会释放到循环水中，变成机组的热负荷，排入地下。经测试，上海浦东地区埋深 100 米的单 U 地耦管换热器，平均每延米换热量为 65W/m，每户布置 6 孔 100米深单 U 地耦管，可基本满足使用要求。由于太阳能是免费的清洁能源，在不需要供冷和供暖的过渡季节，可以充分利用太阳能提供热水。在冬季，在热水富裕时还可以为地板采暖提供热量。需要注意的是，太阳能热水温度很高，一般在 70以上，而冬季最低温度在 0以下，以防止夏天高温热水对管道的不利影响、冬天低温冻坏循环管道，所以应通过紫铜管连接设置在储热水箱内的换热盘管进行换热，铜管注满丙二醇等防冻介质的换热溶液以保证系统的可靠运行。太阳能与地源热泵联合提供热量时，地源热泵供热水量大，温度不高（通常不超过 45），应直接将地源热泵生产的热水直接注入生活热水水箱中，不能接入换热盘管换热，以免造成热堆积导致地源热泵机组保护性停机。根据热水上浮、冷水下沉的原理，太阳能换热盘管接在水箱下部，地源热泵热水管接在水箱上部。4 太阳能热水与地源热泵的环境影响分析 太阳能热水与地源热泵的结合应用是一种可持续性能源系统，它同时利用太阳能和地热能的优势，为家庭生活提供热水、供暖和制冷等能源需求。任何系统的建设与使用会对环境造成一定程度的影响。下面将对太阳能热水与地源热泵结合应用的环境影响进行评估。首先，地源热泵系统的建设和运行过程中会涉及到一定的土地利用。地源热泵需要埋设地埋管或井场，以获取地热能。通常地耦管埋深约 80100 米，为避免对地面水平地耦管造成不利影响，应防止在地上种植大型树木、根系发达的灌木，这可能需要对土地进行开挖和改造，对土地的影响主要体现在局部土地利用和景观改变方面。有地下室的，地耦管要埋设在地下室以下，这需要在土建基础阶段就要进行预埋，涉及到不同单位、不同专业的交叉作业，对设计和施工的要求较高。然而，相比于传统的燃煤或燃油供暖系统，地源热泵的土地利用要求相对较小，其对土地的占用和破坏较为有限。其次，太阳能热水系统的建设和使用也会对环境产生一定的影响。太阳能热水系统需要安装太阳能集热器，这可能会对建筑物的外观和美观产生一定的影响。此外，太阳能集热器的制造过程和材料使用也可能对环境造成一定的影响。然而，与传统的燃煤或燃油热水系统相比，太阳能热水系统在运行过程中能够减少对环境的负面影响，因为它利用太阳能进行加热，不会产生二氧化碳等温室气体和污染物。最后，太阳能热水与地源热泵的结合应用的环境影响评估需要综合考虑两个系统的影响因素。主要体现在地源热泵排热量和取热量不平衡方面，会造成该地土壤逐渐升温或降温，在地下径流较少的地区表现中国科技期刊数据库 工业 A-92-得较为明显。如何利用太阳能减少这种不平衡的现象，需要通过系统设计和控制系统，可以减少能源消耗和温室气体排放，从而减少对环境的负面影响。这种负面影响主要体现在长期使用地源热泵系统造成的土壤逐渐升温或降温导致效率下降。但有研究表明，含水量大、地下径流速度快的地层，地下径流可以减弱甚至消除这种不平衡带来的影响。综上所述，太阳能热水与地源热泵的结合应用在一定程度上对环境造成一定的影响。然而，相比于传统的燃煤或燃油供热系统，它能够减少温室气体排放和污染物产生，对环境的负面影响较小。在未来的研究中，应进一步提高系统的能源效率和环境友好性，以实现更低碳、更环保的能源供应。5 结论与展望 太阳能热水与地源热泵的结合应用是一种非常有前景的热能利用方式。通过对太阳能热水和地源热泵的集成系统进行设计，可以实现两种能源的协同工作，从而提高能源利用效率。我们对地源热泵和太阳能热水系统对环境的影响进行了评估。通过对比分析，我们得出结论：太阳能热水与地源热泵结合应用对环境的影响较小，能够有效减少二氧化碳排放，减少对自然资源的耗用。为我国的“双碳”目标早日实现，为可持续发展做出更大的贡献。参考文献 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