太阳能-土壤源热泵联合供能系统的几种模式

土壤源热泵系统具有清洁、高效、节能等优点,但长期运行后地埋管附近土壤的温度场将出现恶化,系统的COP值也会逐渐下降;太阳能具有储量巨大和利用清洁等优点,但是也存在着能量密度低,使用过程具有间歇性等缺点。太阳能-土壤源热泵联合供能系统可以优势互补,更好地利用这两种清洁能源。

太阳能土壤源热泵联合供能系统
资料图来自网络[1]

根据土壤源热泵与太阳能集热器的连接方式,可将太阳能-土壤源热泵联合供能系统分为三种方式:串联、并联和混联。[2]

一、串联模式

串联模式分2种情况:

第一种串联模式为循环介质先流经地埋管换热器,再进入太阳能集热器。这种情况下,太阳能集热器可以将被地埋管换热器加热过的循环介质再次加热,然后直接将高温介质输送到风机盘管系统进行供暖。实现热泵不开机、直接供暖的目的。

串联式太阳能-土壤源热泵联合供能系统原理
图:串联式太阳能-土壤源热泵联合供能系统原理

第二种串联模式与第一种相反,循环介质先流经太阳能集热器,再进入地埋管换热器。在日照充足、太阳能集热器供热能力大于建筑热负荷时,选用这种运行模式可以将富余的太阳热能输送到地下土壤中,提高土壤温度的恢复速度。

串联系统主要应用于土壤平均温度不高且冬季太阳能不充足的寒冷地区,如东北地区。夏季,东北地区建筑冷负荷不高,机组满负荷运行时间较短;冬季,热负荷远大于夏季冷负荷,且地下土壤温度较低,为提高冷凝器出口温度,将太阳能热量用于提高冷凝器的入口水温,既可以解决冷热负荷不平衡所导致的土壤温度失衡的问题,又可以提高系统的综合性能系数。

二、并联模式

热泵机组地源侧循环水通过分水器分流后,同时进入地埋管换热器和太阳能集热器,然后汇合进入热泵机组,介质的分流比例可以通过分流装置智能调节。

并联式太阳能-土壤源热泵联合供能系统原理
图:并联式太阳能-土壤源热泵联合供能系统原理

如果日照条件较好,则增大太阳能集热器管路的流量,从而减轻地下土壤的供热负荷,保证系统在长时间运行工况下具有较好的运行效率;如果光照较弱,则可以减少甚至完全关闭太阳能集热器管路的流量,增大地埋管换热器的取热量,以保证建筑热负荷的需要。

并联系统主要应用于地下水温度高于15℃,太阳能较为充足的夏热冬冷地区,太阳能只起辅助作用,太阳能系统所采集的热量直接通入空调房间供暖,或者部分作为生活热水。并联系统的特点就是不能互补或替换,总能量为太阳能和从土壤中吸收的地热能的总和。

三、混联模式

太阳能与土壤源热泵的混合连接方式有多种,比较常用的是太阳能与土壤源热泵混联系统中加入了空气换热器。

混联式太阳能-土壤源热泵联合供能系统原理
图:混联式太阳能-土壤源热泵联合供能系统原理

该系统有2个蒸发器,一个以太阳能和土壤热能为热源,另一个以空气为热源,目的是提高系统的COP。当冬季蓄热水箱的水温度高于一定值(30℃)时,就可以直接对房间进行供暖,暂时不启动土壤源热泵;当蓄热水箱的水温度高于大气温度和地下土壤温度时,可以利用它提升土壤源热泵蒸发器的温度;当蓄热水箱的水温度和地下土壤温度均低于大气温度时,可以切换成为空气源热泵。

混联系统具有适用范围广,控制策略灵活的特点,既适用于寒冷地区,也适用于夏热冬冷地区

1)在寒冷地区使用:当冬季热负荷较大且太阳能不充足时,可将地埋管换热器与太阳能集热器并联,空气换热器也开启,三热源同时供热;当冬季热负荷不大时,只采用空气换热器和太阳能集热器进行供热;在夏季,可将太阳能集热器多余的热量蓄存于土壤中,采用空气换热器进行制冷。

2)在夏热冬冷地区使用:当夏冬冷热负荷相差不大时,太阳能集热器与地埋管换热器之间可进行蓄热和释热的调节。

但是,混联式系统存在操作复杂、故障率较高、初投资较大等问题。

参考资料:
[1] 百度搜索:一组超震撼的德国太阳能与地源热泵综合利用技术原理图及施工图
[2] 刘广平,骆超,邱泽晶,郑鑫,龚宇烈.太阳能-土壤源热泵联合供能系统的研究进展[J].制冷与空调,2017,17(10):8-15+65.

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