拉萨地区太阳能与地源热泵联合供暖系统的经济性分析

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1、拉萨地区太阳能与地源热泵联合供暖系统的经济性分析耀aaa王玉群藏自治区能源研宄示范中心由于在拉萨地区冬季单独运行地源热泵系统时，存在着供热不足且地温失衡的缺陷。因此提出将太阳能与地源热泵联合进行供暖的运行方式。并分别建立地埋管系统与太阳能集热器的数学模型，以拉萨地区某工程为例，在测得冬季室外温度、地源热泵机组进出水温度、太阳能辐射强度变化以及房间逐时热负荷的基础上，通过静态分析法计算联合供暖系统的经济性。结果表明，相对于单独使用地源热泵系统，联合供暖系统的初投资要高3000元，但经过6.2年的运行后能收回多余的初投资。同时，对于热负荷远大于冷负

2、荷地区，采用联合供暖的运行方式更具有经济性和环保性。关键词：拉萨地区;太阳能;地源热泵;在经济迅猛发展的现代社会，能源消耗所占的比重随着城市化建设步伐的大步向前而快速增长。目前，在许多发展中国家能源来源主要部分依然是石油、煤炭及天然气等不可再生能源，可以说世界经济的发展离不开矿物能源的开发。但是,随着环境的恶化，环保意识的加强以及全球能源危机的不断涌现使得节能意识愈发突品。地埋管地源热泵系统主要是利用浅层地能进行供热和制冷的一种相对新型的能源利用技术［1-2］。地埋管可以利用大地天然的蓄热能力，在夏季时，将屋内的热量排放至地下土壤中，再将和对室

3、外温度较低的冷量送入屋内；而在冬季时，地埋管系统再将屋内的冷量排放入地下土壤中，把夏季储存的热量提取至屋内。如此反复，每个年度形成一个循环，以达到绿色用能的目的。地埋管地源热泵系统由于其具备运行维护费用低、对环境影响小及使用年限长等优点，因此得以大力推广。但是在拉萨地区，取热量远大于取冷量且冬季吋地下土壤层温度相对内陆更低。所以若长期运行该系统，则极易造成地下土壤温度场的失衡，使地埋管系统的取热能力降低甚至失效［3］。太阳能供热系统主要是指利用太阳能集热器为室内进行供热或弥补地下取热量的系统。拉萨地区是全国太阳能最丰富的地方之一，正是由于其得天

4、独厚的优势,因此为太阳能供热系统的运用提供了可行性和优势性U1。太阳能供热系统具有无环境污染、绿色安全等特点，但同时由于太阳光线分散性强、稳定性差等缺点,使得其在阴天或多云天气吋使用效果很差。联合供暖系统能大大的缓解土壤层的热失衡问题，更大程度的利用了可再生能源，实现了简单的多能互补效果。1联合供暖系统的工作原理太阳能与地源热泵联合供暖系统在拉萨冬季时的主要功能分为两部分。一是，利用太阳能系统与地埋管系统共同为室内提供热量;二是，利用太阳能系统在太阳光充足时补偿地埋管系统的地下取热量。该系统的具体运行情况为:夏季时，关闭阀门VI，开启阀门V2。

5、此运行状态下，太阳能系统用于生产生活热水，而地埋管系统用于承担室内冷负荷；冬季时，开启阀门VI，关闭阀门V2。该运行状态下，太阳能与地埋管系统井同为室内供热的同时，太阳能系统可起到补偿地埋管层土壤温度的作用。且太阳能主要作为地埋管的辅助热源在联合系统中运行。太阳能与地源热泵联合供暖系统原理见图1所示。图1太阳能与地源热泵联合供暖系统原理图2建立数学模型2.1太阳能集热器的数学模型主耍针对真空管太阳能集热器，其瞬时效率计算公式为:式中：L一一太阳能集热器瞬时效率A—一太阳能集热器吸收的热量，J;Ac太阳能集热器面积，m;Ic太阳能辐射强度，w/s

6、r。同时其瞬时效率的函数关系为:式中fh—一太阳能集热器入口温度，°C;T2一一周围环境温度，°C;A、B为太阳能集热器系数，与集热器结构尺寸有关。公式(1)、(2)、(3)可得出太阳能集热器的出口温度为:式中:T3——太阳能集热器出口温度，°C;m1——真空管内液体质量流量,kg/h;Cl一一真空管内液体比热容，J/(kg-°C)o2.2地埋管的数学模型地埋管的平均性能系数[5]:式中:T4——蒸发器入口温度，°C;T5——冷凝器出口温度，°C。地埋管热泵机组消耗的电能：式屮:w—一地埋管机组消耗的电能，w；q2一一室内热负荷，w；n2一一地

7、埋管机组的瞬时效率。地埋管机组从浅层土壤中吸收的热量：式屮:Q3——地埋管机组从土壤屮吸收的热量，J;c——水的比热容，J/(kg•°C);P水的密度，kg/m;V循环水的体积，m;T6蒸发器出口温度，°C。由公式(7)、(8)得到：3案例分析笔者通过拉萨市某建筑层高为3.2m，总建筑面积约210m的住宅工程为例。通过选择拉萨市在2016年具有典型性的2份中连续2天的实际测试，得到该室外的逐时平均温度约为-18.1°C，如图2所示。所选建筑的室内逐时平均热负荷约为12.6KW,其中该建筑的最人热负荷约为14.9KW，如图3所示。在日照吋间(即太

8、阳辐射强度能达到或超过120W/m)内的南向平均辐射强度约为450。设计的拉萨市冬季室内供暖温度为18°C。图3室内的逐时热负荷在冬季运行地埋管地源热