【2017年整理】太阳能与浅层地热能联合供暖运行设想.docx

新能源概论期中论文题目：太阳能与浅层地热能联合供暖姓名：唐彬彬学号：2013115109专业：能源化学工程完成日期：2016.05.01一．联合供暖必要性沿地球浅层岩土层深度划分，可分为三个温度带深度 0-16m岩土层为变温带，变温带的温度随季节气候的变化而变化在 16m处为恒温区，温度波动幅值基本为零深度 16-200m岩土层为恒温带，恒温带的温度不随地球季节气候的变化而变化而所谓的“浅层地热能”就是指恒温带能够提供的小于 25℃的低品位热能深度 200m以下是增温带，它的温度场受地心核能能量流耗散流动过程影响，一般呈 2.5℃/100m 的温度梯度随深度增加而增加!由此我们可以看出浅层地热能是地心核能的积蓄,不是太阳能，是上亿年大地热流通过热阻非常大的岩土层耗散流动过程中在岩土层里蓄存的热能，补充该区的唯一再生能源就是大地热流!可是这个再生能源补充的能量流密度平均只有 65MW/m2，热能补充非常非常的缓慢，因此在地源热泵工程中，大地热流对岩土层热量的补充作用可以忽略不计如果只是一味的从地下取热，会造成地下温度场破坏，是上百年也难以自然恢复所以，为了减少地下温度场的破坏和提高地源热泵系统的利用寿命，浅层地热能和太阳能系统联合供暖是非常有必要的。

我国北方地区，地下土壤的温度比较低，冬季建筑物供暖热负荷较大，作为地源热泵供热系统，为了满足冬季热负荷的需要，势必要加大地热换热器的配置量，造成了系统初投资的增加此外，当热泵机组长时间连续运行时，会导致土壤温度降低，机组的效率下降为了提高系统的经济性，可采用太阳能与浅层地热能联合供暖二．联合供暖系统工作原理太阳能与浅层地热能联合供暖系统主要由聚焦式同步跟踪太阳能集热器系统，地下埋管换热器系统，热泵机组系统和室内末端系统四套管路循环系统组成该系统夏天通过太阳能集热器将循环介质加热，由循环泵将循环介质注入地下埋管换热器，通过埋管换热器与地层进行热交换，将热量储存在地下土壤之中，另外地源热泵系统制冷的同时，也将热量存储子地下土壤之中；冬天供暖运行时，当建筑物的所需的热负荷较小时，可由太阳能集热器直接将热量供给采暖系统；当建筑物所需的热负荷较大时，则将太阳能集热系统和地源热泵系统联合进行供暖该系统可根据不同的日照条件和热负荷变化情况，采用多种不同的运行模型，每种运行模式下太阳能集热器和地源热泵的运行状态和传热流体循环方式皆有所不同，模式的切换可以通过控制阀门的开关状态来灵活实现 三．联合供暖运行模式太阳能与浅层地热能联合供暖运行模式是指太阳能集热器和地源热泵系统的埋管换热器同时工作，共同提供建筑空间所需的热负荷。

这种运行模式的优点在于在单独的地源热泵系统上增加了太阳能集热器作为辅助热源，提高了热泵入口流体的温度，从而提高了系统的运行效率同时由于辅助热源的加入，埋管换热器管内流体的温度也相应提高，减少了换热器从土壤中提取的热量，大大缓解了北方寒冷地区地源热泵系统长时间运行中的各种问题另外，联合运行时，还可以将白天日照充足时富余的太阳热能储存于地下土壤中，加快土壤温度的恢复根据地下埋管换热器和太阳能集热器组合方式不同，联合供暖运行模式可以分为并联运行和串联运行（1）并联运行模式热泵机组地源侧的循环介质通过分水器分流后，同时进入埋管换热器和太阳能集热器，然后再通过集水器汇合在一起进入热泵机组图一.并联运行模式流程该模式具有的优点：a) 在总流量恒定的情况下，可以通过三通分流装置调整进入太阳能集热器和埋管换热器的流量，从而改变进出水温度，影响系统整体的运行效率b) 通过控制进入埋管换热器的流量，降低换热器进出口温差，减小换热器热短路带来的影响c) 随着埋管换热器流量增加，埋管换热器和热泵机组的运行效率提高，而太阳能集热器的运行效率则降低，可以考虑配合效率较低的固定式的平板太阳能集热器使用，降低成本d) 可以根据光照条件，适当调整进入集热器中的流量，提高太阳能集热器运行效率，减轻地下储热系统供热负担。

2）串联运行模式在串联运行模式中，循环介质流经埋管换热器和太阳能集热器顺序的不同会导致系统各组件不同的进出水温度，进而影响到系统的整体运行特点，因此可以根据不同情况，通过改变循环介质流经太阳能集热器和地下埋管换热器的顺序来实现不同的系统功能第一种串联模式：循环介质先流经地下埋管换热器，再进入太阳能集热器图二. 串联模式运行流程(1)该模式具有的优点：a) 在有阳光照射的情况下，太阳能集热器可以将被埋管换热器加热过一次的循环介质再次加热，然后直接将高温水输送到风机盘管或地埋管系统进行供暖，实现热泵不开机提供生活热水直接供暖的目的b) 对于同一热泵机组，在供暖状态下，热泵机组的进水温度越高，COP 值也就越高，该运行模式，在开启热泵后，热泵会获得较高的 COP 值c) 低温供暖剩余的热量可以对地下储热系统进行热量补充，提高地下温度场的恢复速度，延长地源热泵系统使用寿命第二种串联模式是：循环介质先流经太阳能集热器，再进入埋管换热器图三. 串联模式运行流程(2)该模式具有的优点：a) 在日照充足太阳能集热器供热能力大于建筑热负荷时，该模式可以将富余的太阳热能存储在地下储热系统中，提高地下温度场的恢复速度，延长地源热泵系统使用寿命。

b) 在有阳光照射的情况下，太阳能集热器可以将热泵机组流出的循环介质加热，然后输送到埋管换热器，可以提高换热器循环介质的温度，提高换热器运行效率地下埋管换热器 太阳能集热器热泵机组太阳能集热器 地下埋管换热器热泵机组综上所述，串联模式相对并联模式来说，可以提高地下温度场的恢复速度，延长地源热泵系统使用寿命，埋管换热器和热泵机组的运行效率也相对较高，但却降低了太阳能集热器的运行效率并联模式则可以根据实际情况，及时的调整系统效率四．总结太阳能与浅层地热能联合供暖同常规同其他供暖方法的比较方式造价元/㎡供热量kW.h电能 / 煤消耗kW.h/㎡Kg能耗标煤㎏/㎡运行成本元 /㎡能源效率CO2排量㎏/㎡联合供暖 374 34800 6.96 2.29 7 460% 8.42地源热泵 300 34800 10.88 3.59 11 320% 14.27燃煤 60 34800 11.49 11.48 11.5 60% 42.15集中供热 70 34800 11.48 28.6 70% 42.15耗电中央空调 295 34800 17.4 5.74 17.4 200% 21.07注：燃烧 1kg的标准煤向大气排放 CO2为 3.207kg。

综上比较:A. 太阳能与地源热泵联合供暖可以取长补短，发挥各自的优势，弥补单一热源热泵的不足，提高整体系统的效率B. 根据不同的日照条件和热负荷变化情况，太阳能与浅层地热联合供暖系统可采取不同的运行模型，及时调整系统运行效率C. 太阳能与浅层地热能联合供暖系统初期投资较高，但其运行成本低，因而长期运行成本低，从经济上考虑是可行的；另外该技术能有效的减少常规能源损耗和减少 CO2排放，具有较高的环境效益和经济效益，值得大力推广。