1 引言随着经济发展和科技进步，能源和环境成为当今世界突出的两大社会问题。人类社会目前消费的能源，包括建筑用能，主要是煤炭、石油和天然气等石化能源。这些能源，资源有限，不可再生，终究要枯竭。而且传统能源，像煤、石油等，会对环境造成严重的污染。我国的能源消耗量大，利用率低，据统计20世纪80年代我国能源系统总的能源利用率只有30%，比国外先进水平低近20个百分点[1]。而且随着生活水平的不断提高，人们对自己居住环境条件的舒适性要求越来越高，从而造成建筑能源的消耗不断增加，据统计建筑能耗已占社会总能耗的30%～50%，因此太阳能-地源热泵空调系统在建筑中的应用将成为能源利用可持续发展和节约能源的重要措施之一。 2 地源热泵空调系统2.1 地源热泵概述
地源热泵(Ground—Source Heat Pumps)是一种利用地下浅层地热资源(包括地下水、土壤或地表水等)的，既可供热又可制冷的高效节能装置。夏季制冷时，大地作为排热场所，把室内热量以及压缩机耗能通过埋地盘管排入大地中，再通过土壤的导热和土壤中水分的迁移把热量扩散出去。冬季供热时，大地作为热泵机组的低温热源，通过埋地盘管获取土壤中热量为室内供热。两个换热器都既可作冷凝器又可作蒸发器，只是因季节不同而功能不同。可以看到，在地源热泵空调系统中，由于冬季从大地中取出的热量可在夏季得到补偿，因而可使大地热量基本平衡。 2.2 地源热泵空调系统研究现状
地源热泵的历史可以追朔到1912年瑞士的一个专利，而地源热泵真正意义的商业应用也只有近十几年的历史。在美国，截止1985年全国共有14,000台地源热泵，而1997年就安装了45，000台，到目前为止已安装了400，000台，而且每年以10%的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总量的19%[2]。
我国的地源热泵事业近几年已开始起步，而且发展势头看好。天津大学、清华大学、哈工大及青岛建工学院等院校对地源热泵，尤其是土壤源热泵都进行了较为深入的研究工作，为土壤源热泵在我国的发展奠定了理论基础。
2.3 地源热泵空调系统的特点 2.3.1 地源热泵空调系统的优点
由于地源热泵空调系统采取了特殊的换热方式，使它具有空气源热泵所不可比拟的优点：(1)高效节能：由于地源温度常年维持恒定，而且冬季温度比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，再加上水的热容量大，热泵机组效率高。据美国环保署EPA估算，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30～40%的供热制冷空调的运行费用;(2)环境效益显著：地源热泵系统在冬季供暖时，不需要锅炉或增加辅助加热器，而且地源热泵将冷量或热量排入大地中，对人类的生存环境不会造成破坏;(3)运行费用低：系统的高效率、压缩机的低功耗，带来了电费的大幅减少;(4)维护费用低：简单的系统组成使得地源热泵系统无需专人看管，也无需经常维护;(5)节省占地空间：由于地源热泵空调系统取热或散热均取决于地下盘管部分，地上部分并不影响美化绿化;而且不需要冷却塔和其它室外换热设备，改善了建筑物的外部形象;(6)冷热源选取范围广：可利用太阳能、土壤、地下水及地表水等资源，根据实际情况选取冷热源;(7)系统运行稳定可靠，一机多用：由于地能温度比较恒定，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性;并且地源热泵系统可一机多用，既可供暖、空调，还可供生活热水。 2.3.2 地源热泵空调系统存在的问题
虽然目前地源热泵空调系统已逐渐应用于工程实际，但由于此系统技术还不完善，因此其本身还存在着一些有待于解决的问题：(1)设备容量问题：由于土壤的导热系数小，埋地换热器的面积会比较大，而各个地区由于具体条件的限制，单独依靠地源热泵空调系统无法满足设计要求;(2)初投资较大：地源热泵的初投资不仅包括传统空调系统所需的地面上管路和设备的投资，还包括埋地盘管投资、埋地盘管敷设投资等;(3)土壤温度场的恢复问题：随着地源热泵空调系统单独供热或供冷运行时间的延长，土壤内的温度场长期得不到恢复，系统将无法满足建筑物的冷、热负荷要求;尤其是对于冷热负荷相差很大的地区，从地下取热过多或向地下散热过多，常年运行将会对地下温度场产生影响;(4)维修不便：一旦埋地换热器发生泄漏，很难进行维修;(5)设计问题：由于目前对地源热泵地下换热器的传热模型还没有形成成熟的理论，各个研究机构对地下部分的传热机理依然处于探讨阶段，因此在对埋地盘管进行设计时主要依靠经验数据，而由于各个地区地质情况、地下温度的分布情况等各不相同，使得设计没有可靠的理论依据;(6)污染问题：地热资源主要包括地下水、土壤或地表水等，在利用上或多或少都会对其造成污染，尤其对地下水体的污染问题比较突出，且地下水体一旦污染，恢复周期比较长(根据不同地区、不同地质条件在停止污染后恢复期大约在1~2年以上)。
3 太阳能-地源热泵空调系统3.1 地源热泵空调系统引入太阳能作为辅助热源的必要性
在我国北方地区，建筑物冬季热负荷较大，因此系统设计主要以热负荷为主。若完全采用地源热泵来供暖的话，则地热换热器和机组的初投资均比较高，连续运行的效率也较低。而在夏季运行时，机组的容量就过大，造成浪费。而且由于这些地区冬季从大地取热多于夏季大地的蓄热，长期运行将造成大地温度降低，热泵系统的COP值也比较低，系统将无法满足设计要求，热泵的节能效果就体现不出来。而采用太阳能作为辅助热源，使热泵系统可以按照夏季工况进行设计，由太阳能集热器承担一部分热负荷，这将大大降低地源部分的初投资。
3.2 太阳能作为辅助热源的可行性
我国拥有丰富的太阳能资源(见表一)。据统计，每年中国陆地接收的太阳辐射总量，相当于24000亿t标煤，全国总面积2/3地区年日照时间都超过2000h，特别是西北一些地区超过3000h，这就为在热泵系统中利用太阳能提供了宝贵的资源。而且太阳能是取之不尽，用之不竭的一种绿色环保能源，不受任何人控制和垄断，它的利用也比较灵活，规模可大可小。但是太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低;二是其强度受各种因素(季节、地点、气候等)的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。然而随着科学技术的不断进步，人们对太阳能的利用技术将不断成熟，从而逐渐使太阳能合理的应用于建筑物的供热供冷系统中，改善人类的居住环境，代替目前的一次石化能源而成为本世纪的重要能源之一。 我国太阳能资源分布 表1 类型 地 区 年日照时数(h)
接受的太阳能(kcal/cm2.年) 相当标准煤量(kg/m2.年)
1
宁夏北部、甘肃北部、新疆东南部、青海西部、西藏西部 2800～3300 160～240 225～335 2
河北西北部、山西北部、内蒙古、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部、新疆南部 3000～3200 140～160 200～225 3
山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部、安徽北部、台湾、北京、天津 2200～3000 120～140 170～200 4
湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部、黑龙江、上海
1400～2200 100～120 140～170 5
四川、贵州 1000～1400
80～100 115～140
3.3 太阳能-地源热泵空调系统的运行方式
太阳能作为辅助热源，与地源热泵联合运行时，主要有两种运行方式：串联与并联方式。(1)串联系统：在此系统中，太阳能集热器采集的热量储存在蓄热水箱中，水箱中的热水通过换热，用于提升进入蒸发器入口的介质的温度，从而提供整个系统的COP值。(2)并联系统：此系统是将太阳能供热系统和地源热泵系统交替使用。当太阳能集热器的温度较高，可以将集热器的热量转移到地下贮存，这样即可使土壤温度场得以较快的恢复，又可提高集热效率;当太阳能供热系统不能满足建筑物需求(阴天或夜间)，则可采用地源热泵系统供热。
3.4 太阳能-地源热泵空调系统的特性
太阳能与地源热泵系统联合运行，具有很大的灵活性，弥补了单独热源热泵的不足。一年四季可以利用，提高了装置的利用系数。太阳能的总量虽然很大，但其能流密度较低，如果单独采用太阳能供暖系统，势必造成采集热量所需的集热器面积较大;同时由于太阳辐射强度随着季节、早晚、昼夜有规律地变化，因此太阳能利用还存在着间歇性及不稳定性的问题，这些问题都可通过与地源热泵系统的联合运行得到解决。
太阳能-地源热泵空调系统具有以下优点：自平衡多级泵(1)采用太阳能集热器辅助热源供热时，机组的蒸发温度提高，使得热泵压缩机的耗电量减少，节省运行费用;(2)在夏季夜间运行时太阳能集热器可作为辅助散热设备，从而减少了夏季向地下的排热量，使地温在数年内保持稳定，以保证机组在高效率下运行;(3)在冬季运行时由于蒸发温度提高，使得用户侧出水或空气出口温度上升，舒适性提高;(4)在系统设计时，使地源热泵系统可以按照夏季工况进行设计，从而减小了地下换热器的容量，减少了地源热泵地下部分的投资。
3.5 太阳能-地源热泵空调系统有待解决的问题
目前太阳能-地源热泵空调系统在应用上还存在着一些问题：(1)国内外对太阳能—地源热泵系统的研究都比较少，对此系统运行的可靠性及太阳能与地源的最佳耦合方式还没有形成成熟的理论;(2)太阳的能源密度、土壤的热流率低，因此需要的换热器及太阳能集热器的面积大，应用受建筑物的环境条件及建筑物的负荷量大小的限制;(3)太阳能一地源热泵系统的研究还没有形成一套完整的理论体系，应用基础数据不足，还不能为太阳能—地源热泵的应用提供充足的理论依据。
4 结论由以上分析可知，太阳能资源丰富、清洁无污染，既属于一次能源又属于可再生能源，虽然其能源密度低、能量供应具随机性和间歇性，使太阳能的利用受到一定的限制，但随着技术条件的不断进步，将逐渐解决目前太阳能-地源热泵空调系统所存在的一些问题，使其理论不断得到完善，从而太阳能将作为辅助热源应用在空调、制冷、供暖等各方面，具有广阔的发展前景。而我国处于利用太阳能较有利的区域内，只要具有一定的技术水平和必要的资金投入就可以自由利用。因此采用太阳能-地源热泵技术不仅会极大的减少我国石化能源的消费量，使我国的能源结构得到优化，实现可持续发展计划;而且将是解决我国能源和环境问题的重要措施之一，将会成为21世纪暖通行业的主流方向。
5 参考文献[1] 任有中.能源工程管理。北京：中国电力出版社，2004 [2] 张群力, 王晋. 流体机械,2003,第31卷第5期:50～54 [3] 毕月虹，陈林根. 制冷，1999，第18卷第3期：25～28 [4] 曲云霞,方肇洪,张林华等.可再生能源，2003，第1期：8～10
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太阳能-地源热泵空调系统特性分析及运行方式探讨
