太阳能—地源热泵的联合运行方式研究
摘 要：介绍了太阳能-地源热泵联合运行系统，一种新型节能、
环保的供暖（供冷）系统，并分别对不同的太阳能系统和地源热泵系
统连接方式进行优缺点的分析，并具体给出了几种两个系统的联合运
行方式。
我们当前正面临着巨大的能源挑战，提高能源的利用率，节能减
排政策加快实施，新能源和可再生能源合理、有效的研发应用，将会
是我们人类实现可持续发展的有效途径。据不完全统计到2035年，
世界对一次能源需求量将会上升36%，相当于使用167 t 石油[1]。 近
年来，大多数国家都将重心转移到可再生能源和新能源的合理开发利
用，这将是未来很长一段时间内一项重要的可持续发展战略[2]。 太
阳能和地热能将会是人类历史中取之不尽用之不竭的新能源和可再
生能源，对其合理、有效的利用将会是今后能源发展的一个重要方向.
我国地域辽阔，年日照时间大于2000h的地区占全国面积的2/3，
处于利用太阳能较有利的区域内[3]，但太阳能的利用还存在着一定
的局限性，太阳辐射受昼夜、季节、海拔高度等自然条件的限制以及
阴雨天气等随机因素的影响较大，存在着很大的不稳定性和间歇性。
因此若要长期单独只用太阳能作为热源运行系统，必须靠辅助热源才
可以保证系统稳定运行。
"地源热泵"的概念，最早是在912 年由瑞士的专家提出[4]，它
利用地下埋管换热器与大地进行热量交换，把大地作为低位热源和排
热场所的热泵装置。地源热泵在连续运行时会因埋地管在土壤中的连
续取热或者放热而导致埋管周围土壤的温度的相对降低或者升高，从
而引起热泵蒸发温度和冷凝温度的变化，系统的运行效率的降低；另
一方面，土壤的导热系数比较小，换热强度弱，在相同的负荷情况下
所需要的换热面积大，因此埋管用量多，占地面积大[5-7]。
太阳能和地源热泵系统单独应用时存在的缺陷最好的办法是结
合使用两种能源，互相弥补自身不足，提高资源利用率。本文主要是
对太阳能和地源热泵联合运行方式的探究。
1.系统结构和联合运行原理
太阳能-地源热泵系统如图1所示。本文主要研究的是供暖季下
该系统的联合运行模式。
2.系统联合运行模式
太阳能-地源热泵系统联合运行有三种不同的运行模式：一、串
联模式；二、并联模式；三、蓄热模式。
运行模式一：实现太阳能-地源热泵系统联合运行模式一的控制
方式是：1、3、15、16、7、8、、9、10、11、12、13、14和水泵P1、
P2开启，其他阀门和水泵关闭。可见，该模式中地埋管换热器和太
阳能集热器的耦合方式为串联，载热循环流体先流经地埋管后进入太
阳能集热器，然后再进入热泵机组蒸发器。夜间或阴天情况下集热器
关闭，循环流体出地埋管后经集热器的旁通直接进入热泵机组蒸发
器。
运行模式二：实现太阳能-地源热泵系统联合运行模式二的系统
控制方式是：阀门1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、
14、和水泵P1、P2开启，其他阀门和水泵关闭。该模式中地埋管换
热器和太阳能集热器的耦合方式为并联。夜间或阴天集热器关闭，此
时运行模式变为土壤源热泵单独运行。该模式需要定义循环流体分别
流经地埋管换热器和太阳能集热器的流量比例，为了方便研究，定义
了五中代表比例：e=0.1、e=0.15、e=0.2、e=0.5、e=0.75，其中e
定义为流经U型垂直地埋管的的循环流体的流量与循环流体总流量
之比。
运行模式三：实现太阳能-地源热泵系统联合运行模式三的控制
方式是：白天，阀门1、3、4、5、14、水泵P1开启实现地源热泵单
独供暖：阀门9、10、12、17、18、水泵P3开启实现太阳能-蓄热水
箱联合运行蓄热；其他阀门和水泵关闭：夜间，阀门1、3、15、16、
7、8、17、11、18、13、14和水泵P1、P2开启实现地埋管换热器和
蓄热水箱串联运行，其他阀门和水泵关闭。可见该模式包含了白天和
夜间的两种工况，白天单独运行土壤源热泵供暖，同时利用太阳能集
热器加热蓄热水箱；夜间关闭集热器，若此时蓄热水箱内蓄热水平均
水温高于地埋管换热器出口温度时，串联地埋管和蓄热水箱进行供
暖。
3. 结 论
太阳能-地源热泵系统与建筑制冷供热的结合，是一种性能良好、
经济可行且无污染的技术。而不同的耦合运行方式具有不同的优缺
点，需针对不同季节的工况特点和需要实现的功能来选择。太阳能-
地源热泵虽然由于技术条件和经济条件等方面受到制约，运用还不是
很广泛，但在现在乃至将来都具有无限的潜力，具有广阔的发展前景。
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