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1、内容摘要太阳能+地源热泵联合循环系统将地源热泵、太阳能集热、大地土壤蓄能有机集成，有效地克服太阳能的稀薄性和间歇性，系统能效比地源热泵明显提高，具有节能环保优势，应用潜力巨大，市场前景看好。本文在综合分析研究了国内外该技术的现状和发展趋势、典型工程实例以及相关新技术和新理论的基础上，对太阳能一地源热泵工程设计和施工中的关键技术进行深入研究。主要着重如下几项研究工作并得出一些有益的结论和成果：1 基础理论和技术研究，己经申请专利8 项。1)采用太阳能、土壤蓄能和地源热泵热力系统集成技术，实现冬冷夏用、夏热冬用，实现供热供冷和供生活热水三种功能，成为能源中心：2)引入太阳能集热和土壤蓄能技术，使得
2、大地长期热平衡问题得到解决，对大地热生态环境破坏程度减少到最低；3)采用闭式循环技术，解决了开式地源热泵技术的地下水回灌困难和添加水处理化学药剂污染地下水体等问题。2 实验与工程设计研究，开发了三款实验样机，设计了太阳能一地源热泵暖通空调实验示范工程，得到新乡市科技发展计划项目资助(编号0 4 G 0 1 1)，课题已经通过省专家鉴定。1)利用太阳能和土壤热能季节性直接供热供冷，减少了地源热泵的年运行时间，年运行成本仅为空气源热泵的1 2，为传统地源热泵2 3 左右；2)提出采用新型的热泵循环工质，把热泵出水温度提高到7 5 左右(传统的R 2 2 工质最高只能达到5 0 左右)，拓展了太阳能
3、一地源热泵系统的适用范围；3)提出了新的工程设计观念长期热平衡作为设计约束条件。3 综合决策支持系统研究，为该工程项目咨询提供技术方案和报价。初步研究了太阳能一地源热泵工程综合决策支持软件的构架，可望为此类工程方案设计和工程咨询报价提供快速准确的技术支持，希望能成为技术和销售人员的好帮手。关解词：太阳能一地源热泵土壤蓄能联合循环系统暖通空调节能环保A B S T R A C TT h es o l a re n e r g y-g r o u n ds o u r c eu n i t ec y c l es y s t e m(S E G S U C S)f l e x i b l ei n
4、 t e g r a t eg r o u n ds o u r c eh e a tp u m p(G S H P)a n ds o l a re n e r g yc o l l e c th e a ta n de a r t hs o i la c c u m u l a t ee n e r g yt o g e t h e r，o v e r c o m et h es u b t l e t ya n di n t e r m i t t e n c eo fs o l a re n e r g ye f f e c t i v e l y，t h ee n e r g ye f
5、 f i c i e n c yo fs y s t e mi se v i d e n c ei m p r o v e d，p o s s e s se n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lf r i e n d l ya d v a n t a g e s，a p p l yp o t e n t i a li sv a s t，m a r k e tf o r e g r o u n da l lf i g h t T h i st h e s i sb a s eo ni n t e g r a t i v ea n a
6、 l y s e st e c h n i c a ls t a t u sa n dd e v e l o pc u r r e n t，m o d e le n g i n e e r i n ge x a m p l ea n dn e wt e c h n o l o g ya n dn e wt h e o r y，t h o r o u g hi n v e s t i g a t et h ek e yt e c h n i q u ed u r i n ge n g i n e e r i n gd e s i g na n dc o n s t r u c to fs o l
7、 a re n e r g y G S H Pe n g i n e e r i n g M o s t l ye m p h a s i z eo naf e wr e s e a r c hw o r k sa sf o l l o w s，a n de d u c es o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa n dh a r v e s t s 1 F o u n d a t i o n t h e o r ya n d t e c h n o l o g yr e s e a r c h，a l r e a d ya p p l i e d p
8、a t e n te i g h t i t e m s 1、A p p l ys o l a re n e r g y&s o i la c c u m u l a t ee n e r g y&G S H Pi n t e g r a t et e c h n o l o g y，r e a l i z ew i n t e rc o l ds u m m e ru s e d&s u m m e rh e a tw i n t e ru s e d，r e a l i z es u p p l yc o l d h e a ta n dl i v i n gh o tw a t e r,
9、a c ta se n e r g yc e n t e r 2、I n d u c ts o l a re n e r g y&s o i la c c u m u l a t ee n e r g yt os o l v et h ee a r t hh e a te q u i l i b r i u mf o ral o n gt i m e，r e d u c et h ed e s t r o ye x t e n to nt h ee a r t hh e a te n v i r o n m e n tt ot h el o w e s t 3)U s i n gc l o s
10、 e d l o o pr e c y c l et e c h n o l o g yt os o l v ep r o b l e m so no p e n e dl o o pG S H P，s u c ha sg r o u n d w a t e rr e p o u rh a n d i c a pa n dp o l l u t eg r o u n dw a t e rs y s t e mb e c a u s ea d dw a t e rd i s p o s a lc h e m i c a la n dS Oo n 2 E x p e r i m e n ta n
11、de n g i n e e r i n gd e s i g nr e s e a r c h，r e s e 越c ha n dd e v e l o pt h r e ek i n de x p e r i m e n t a ls p e c i m e n，d e s i g nS E G S U C SH V A C&Re x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t i o ne n g i n e e r i n g，t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yX i n x i a n gC i t yS
12、c i e n c e&T e c h n o l o g yD e v e l o p m e n tP r o g r a mu n d e rt h ec o n t r a c tN o 0 4 G 0 11，p r o j e c th a sa l r e a d yp a s s e de x p e r t sc h e c k u p 1)U s i n gs o l a re n e r g ya n ds o i lh e a te n e r g yd i r e c ts u p p l yh e a f f c o!ds e a s o n a l l y，r e
13、d u c ea n n u a lo p e r a t i o nt i m eo fG S H P，a n n u a lr u n n i n gc o s ti so n l yah a I fo fa i rs o u r c eh e a tp u m p，a n da b o u ts e v e n t yp e r c e n to f t r a d i t i o n a lG S H P 2)U s i n gn e w s t y l eh e a tp u m pc y c l er e f r i g e r a n t，e n h a n c eG S H P
14、o u t p u tw a t e rt e m p e r a t u r ef r o m5 0 t o7 5，d e v e l o pt h ea p p l ya r e ao fS E G S U C S 3 1B r i n gf o r w a r dan e we n g i n e e r i n gd e s i g nc o n c e p t i o n 一一u s i n gl o n g。t e r mh e a te q u i l i b r i u ma sd e s i g nr e s t r i c tc o n d i t i o n 3 S t
15、u d yo ni n t e g r a t i o nd e c i s i o n m a k i n gs u p p o r ts y s t e m(I D S S)，s u p p l yt e c h n i c a ls c h e m e&q u o t ep r i c ef o re n g i n e e r i n gp r o j e c tc o n s u l t a n t p i l o ts t u d yt r u s so ns o l a re n e r g y-G S H Pe n g i n e e r i n gI D S S，h o p
16、ec a ns u p p l yq u i c k l ya n de x a c t l yt e c h n i c a ls u p p o r tf o re n g i n e e r i n gs c h e m ed e s i g n&e n g i n e e r i n gc o n s u l t a t i o n，a n da sC O w o r k e rf o rt e c h n o l o g yd e s i g n e ro rs e l lp e r s o n n e l K e y w o r d s：s o l a re n e r g y-g
17、 r o u n ds o u r c es o i la c c u m u l a t ee n e r g yu n i t ec y c l es y s t e mh e a tv e n t i l a t i o na i r-c o n d i t i o n i n ge n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lf r i e n d l y上海交通太学河南新飞电器有限公司联合培养博士后出站报告第一章绪论1 1 概述近年来由于能源短缺和环境恶化的问题目趋严重，因此在满足人们健康、舒适要求的前提下，节约能源和环境保护已
18、成为暖通空调行业需要面对的一个重要问题。太阳能利用和节能热泵技术，正受到人们的日益重视和关注。随着人们对城市环境问题的目益重视和能源结构的调整，中原和北方地区新建小区一般不采用燃煤锅炉房供热，如郑州市政府规定：2 0 0 1 年前市区内l O t h 以下燃煤锅炉要拆除改为清洁的供热方式”。热泵是一种高效节能装置，也是制冷空调领域内实施建筑节能的重要途径。按工作方式的不同，热泵的基本形式有压缩式，吸收式，喷射式，吸附式和化学热泵等。而按其循环工质的冷凝温度的不同，天津大学热能研究所于1 9 8 9 年把压缩式热泵又可将其分为四级：常温热泵(冷凝温度 1 0 0。C)“1。由于热泵装置能利用各种
19、各样环境热源如：水，空气，土壤，甚至水泥地板”1，因而，它的使用具有很大的灵活性。根据热源形式的不同，就其性质来分，国外的文献通常把它们分为空气源热泵(a i rs o u r c eh e a tp u m p，A S H P)和地源热泵(g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p，G S H P)两大类。地源热泵又可进一步分为地表水热泵(s u r f a c e w a t e rh e a tp u m p，S W H P)、地下水热泵(g r o u n d w a t e r，h e a tp u m p，G W H P)和地下耦合热泵(g r o u
20、 n d c o u p l e dh e a tp u m p，G C H P)。我国对热泵系统的术语尚未形成规范的用法。例如对地下水热泵系统有“地温空调”的商业名；而地下耦合热泵则在一些文献中称为“土壤源热泵”，或直接称为“地源热泵”“1。其中空气源热泵由于其性能受室外气象条件的影响较大，制冷量和制热量难以和建筑物的冷热负荷相适应，以及冬季室外换热器等结霜问题，不适用于寒冷地区使用。地下耦合热泵系统是利用地下岩土中热量的闭路循环的地源热泵系统。“地下耦合热泵”的名称直译自英文，不通俗。通常也称之为“闭路地源热泵”(c l o s e d-l o o pg r o u n ds o u r
21、c eh e a tp u m p)以区别于地下水热泵系统，或直接称为“地源热泵”。它通过循环液(水或以水为主要成分的防冻液)在封闭地下埋管中的流动，实现系统与大地之间的传热。在冬季供热过程中，流体从地下收集热量，再通过系统把热量带到室内。夏季制冷时系统逆向运行，即从室内带走热量，再通过系统将热量送到地下岩土中。因此，地下耦合热泵系统保持了地下水热泵利用大地作为冷热源的优点，同时又不需要抽取地下水作为传热的介质。地源热泵是利用地下常温土壤或地下水温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统或地下水与建筑物内部完成热交换的装置。它不需要任何的人工热源，冬季从土壤中取热，向建筑物供暖，夏季向
22、土壤排热为建筑物制冷。作为一项旨在解决空调冷热源问题的新技术，地源热泵以其高效、节能、舒适，而且安装施工简单、运行维护方便等优点，近年来越来越受到人们的重视。从检索到的1 9 9 5 1 9 9 9 年间的E I(E n g i n e e r i n gI n d e x)中相关文献的结果来看，每年相关的文章和研究报告都在2 0 篇左右，而N I T S(美国科技研究报告索引)中检索得到的结果显示1 9 9 3 年至1 9 9 8 年的研究报告(未公开发表)数量为5 l 篇，1 9 9 9 年为9 篇。显然土壤源热泵系统的研究仍然有许多工作值得深化“。|地源热泵具有环保、节能、经济、可靠等显
23、著的优点，是一种可持续发展的建筑节能新技术，被称为2 l 世纪的“绿色空调技术”。1 9 9 8 年美国能源部颁布法规，要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地下耦合热泵供热空调系统。为了表示支持这种节能环保的新技术，美国总统布什在他的得克萨斯州的宅邸中也安装了这种地源热泵空调系统(见2 0 0 1 年5 月1 8 日参考消息)。近几年由于其优良的制热性能，地源热泵技术在全球范围发展迅速。仅在美国地源热泵数量就占全美空调系统的1 9，个别州已超过4 0，1 9 9 9 年全美销售机组达4 0 万台。据不完全统计，我国自1 9 9 6 年以来已建成使用的地源热泵工程有1 3 0 多个，近1 0
24、0 0 台热泵机组在运行，供热(冷)面积达1 0 0 万m2，并且保持高速发展的上海交通大学河南靳飞电器有限公司联合培养博士后出站报告趋势“3。地源热泵同空气源热泵相比，有许多优点：(1)全年温度波动小。冬季温度比空气温度高，夏季比空气温度低，因此地源热泵的制热、制冷系数要高于空气源热泵，一般可高于4 0，因此可节能和节省费用4 0 左右。(2)冬季运行不需要除霜，减少了结霜和除霜的损失。(3)地源有较好的蓄能作用”3。地源热泵分类0 3I 土壤埋管系统(1)地源按照室外换热方式不同可分为三类：地下水系统l 地表水系统(2)根据循环水是否密闭，5 L 7 艄J闭环系统垂直埋管系统水平埋管系统圈
25、状埋管系统f 己，型埋管系统l 套管埋管系统f 单层水平埋管系统I 多层水平埋管系统f 单组圈状埋管系统I 多组圈状埋管系统开环系统 抽地下水琴统1；昙1 3 菡墓口井1 3 一灌f 多井抽多井灌I 抽地表水系统(只抽不回灌)此外，还有一种“直接膨胀式”，它不象上述系统那样采用中间介质水来传递热量，而是直接将热泵的一个换热器(蒸发器)埋入地下进行换热。(3)按照应用方式从应用的建筑物对象可分为家用和商用两大类”。家用系统：用户使用自己的热泵、地源和水路或风管输送系统进行冷热供应，多用于小型住宅，别墅等户式空调。商用系统主要用于大型建筑，如车站、医院、商场、宾馆、办公楼、图书馆等公共场所。(4)
26、输送冷热量方式可分为集中系统、分散系统和混合系统。序号分类原理特点l集中系统热泵布置在机房内，冷热量集中通过风道或水路分配系统送到各房间。2用中央水泵，采用水环路方式将水送到各用户作为冷热源，用户单独分散系统使用自己的热泵机组调节空气。一般用于办公楼、学校、商用建筑等，此系统可将用户使用的冷热量完全反应在用电上，便于计量，适用于目前的独立热计量要求。3混合系统将地源和冷却塔或加热锅炉联合使用作为冷热源的系统，混合系统与分散系统非常类似，只是冷热源系统增加了冷却塔或锅炉。说明：南方地区，冷负荷大，热负荷低，夏季适合联合使用地源和冷却塔，冬季只使用地源。北方地区，热负荷大，冷负荷低，冬季适合联合使
27、用地源和锅炉，夏季只使用地源。这样可减少地源的容量和尺寸，节省投资。分散系统或混合系统实质上是一种水环路热泵空调系统形式。2上海交通土学河南新飞电器有限公司联合培养博士后出站聿是告就世界范围而言，虽然早在1 9 1 2 年，瑞士H Z o e l l y 就提出了利用土壤源作为热泵系统低温热源的概念，但只是到2 0 世纪8 0 年代才开始了地源热泵的应用和推广研究“。到目前为止地源热泵并未如空气源热泵一样得到广泛的推广和应用，其原因除相对过高的安装费用外，更重要的是缺乏可靠的地源热泵设计方法和实际的运行经验。我国只是在最近几年才开始进行以土壤为热源的地源热泵的研究到目前为止，尚未有成熟的地源热
28、泵模拟方法，更缺少运行的实际经验总结。在热泵技术应用研究中，关键要解决如下问题：合适的低温热源、适宜的制冷工质、合理驱动方式。本文将重点介绍和分析国外应用地源热泵的有关问题，以期能对我国的太阳能一地源热泵的理论和应用研究有所借鉴“。近年来，随着太阳能事业的发展和建筑节能的要求，随着城市的发展和人民生活水平的提高，“太阳能与建筑一体化”和“全天候供热”已成为我国太阳能热利用的重要议题。“太阳能与建筑一体化”就是把太阳能产品作为建筑部件安装，使其有机结合起来，符合建筑美学要求，并尽可能地利用太阳能等新能源和可再生能源替代常规能源以减少建筑能耗对常规能源的依赖，降低建筑能耗占我国总能耗的比例，并提高
29、常规能源利用率。我国地域辽阔，年目照时间大于2 0 0 0 h 的地区约占全国国土面积的2 3，处于利用太阳能较有利的区域内。地源热泵技术是一种很好的节能型空调制冷供热技术，如果把地源热泵技术与太阳能热利用技术相结合可提高系统性能，同时解决全天候供热问题。因此，研究开发太阳能一地源热泵正日益受到重视。1 2 太阳能一地源热泵联合循环技术1 1。1 6 J我国太阳能热水器的保有量已超过2 0 0 0 万平方米，年产量达3 0 0 万平方米，是世界上生产太阳能热水器最多的国家。但以人均占有量计算，仍处于落后地位，所以这个市场的潜力还非常大。太阳能热水器产生热水主要用于日常生活和采暖。但是当夏天太阳
30、辐射越强、天气越热的时候，人们更需要的是空调降温。这种情况在我国南方每年大约有6 8个月时间，在北方也有4 6 个月。利用太阳能热水器产生的热水制冷供空调，或者采用太阳能一地源热泵联合循环技术，使太阳能和太阳能热水器全年充分利用，是最合理的方案，能够使得太阳能和地源热泵各自取长补短，实现利用太阳能供电、供热、供冷、照明，建成太阳能综合利用建筑物，是国际太阳能学术界的热门研究课题，是太阳能利用个新的发展方向。美国、德国、日本、意大利等国家都已建成这种全部依靠太阳能的示范建筑物，国内也在积极研究之中。1 2 1 太阳能作为辅助热源的必要性和可行性1 必要性在我国北方地区，建筑物冬季热负荷较大，因此
31、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C O P 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。2 可行性据统计，每年中国陆地接收的太阳辐射总量，相当于2 4 0 0 0 亿吨标准煤，全国总面积三分之二地区年日照时间都超过2 0 0 0 h，特别是西
32、北一些地区超过3 0 0 0 h，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3上海交通大学阿南新飞电器有限公司联合培养博士后出站报告统中，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。1 2 2 太阳能一地源热泵空调
33、系统的运行方式【1 6-盯I。太阳能作为辅助热源，与地源热泵联合运行时，主要有三种运行方式：(1)串联系统：(2)并联系统：(3)混合联合方式1 并联式太阳能一地源热泵系统并联太阳能辅助热泵系统实际上就是由传统的太阳能系统和地源热泵系统所联合组成，如图卜l 所示。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(阴天或夜阳J)，则可采用地源热泵系统供热。并联系统主要用于地下水温度高于1 5 的地区，太阳能只起辅助作用，地源热泵系统中是以地下土壤为冷
34、热源的储存体，夏天蓄热、冬天取热，即夏热冬用、冬冷夏用；太阳能系统的所采集的热量直接通入空调房间供暖，或者部分作为生活卫生热水。并联系统的特点就是不能互补或替换，总能量为太阳能和地源热泵系统能量的总和。2 串联式太阳能一地源热泵系统在此系统中，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C O P 值。冬天太阳能的热量可以由于温度过低，满足不了房间供热的需要，可以考虑采用它串接在地源热泵室外换热器(蒸发器)，作为提升地源热泵蒸发器温度的辅助热源。如卜2 图所示，在串联系统中，太阳能采集到的热量储存于蓄热水箱中，然后蓄热水箱
35、的热水进入蒸发器或者地下换热器，提高蒸发器的蒸发温度，从而提高整个热力系统的C O P 值。从图可以看出随着蒸发器入口水温的升高，系统C O P 值增加迅速，远高于单独的太阳能或地源热泵系统。2圈1-1 并联式太阳能一地源热泵系统原理图1 太阳能集热器2 蓄热水箱3 室内风机盘管4 四通换向阀5 压缩机6 室内换热器7，节流膨胀阀8，空调房问9 室外换热器1 0 地下换热器1 1 循环水泵1 2 三通阀图1-2 串联式太阳能地源热泵系统原理图1 太阳能集热器2 蓄热水箱3 循环水泵4 四通换向阀5 压缩机6 室内换热器7，空调房间8，节流蟛胀阀9，室外换热器1 0 地下换热器1 1 三通阀1
36、2 三通阀3 混联式太阳能一地源热泵系统在混联太阳能一地源热泵系统中，太阳能与地源热泵的混合联接方式可以有多种。在4上晦交通大学河南新飞电器有限公司联合培拳博士后出站报告图1-3 太阳能与地源热泵混联系统中，另加空气换热器，由于地源热泵水温度比空气温度要稳定很多。在太阳能一地源热泵混联系统中，地源热泵可以有两个蒸发器，一个是以太阳能和地下土壤为热源，另一个以空气为热源，目的就是为了使得系统的C O P 值最高，当蓄热水箱的温度高于一定温度(如2 5)，可以直接对房间供暖，只要热量足够，地源热泵可以不启动，节约电能；当蓄热水箱的水温度高于大气温度和地下土壤温度，可以利用它提升地源热泵蒸发器的温度
37、，以便提高系统C O P；当蓄热水箱的水温度和地下土壤温度均低于大气温度，可以切换成为空气源热泵，当然还得考虑除霜问题。国l-3 混联式太阳能一遗源燕泵实验系统原理图1 太阳能集热器2 蓄热水箱3 三通阀4 地板辐射采暖5 空调房间6 生活热水器7 热水器补水和出水阀8 室外风玲换热器9 室内换热器l O 节流膨胀阀n 三通阀1 2，地一t -换热器1 3。循环水泵1 4。三通阀1 5 室外水，水换热器1 6 四通换向阀】7，压缩机图卜4 太阳能与地源热泵混联系统中，一年四季工作模式如下：1)直接供冷模式：在初夏季节气温开始升高需要供冷，此时气温不是太高冷量需要不大，同时土壤由于经过地源热泵冬
38、季长时间的制热运行温度比较低，比如在5 C 左右，可以采用地下埋管中液体循环直接对用户供冷。此时冷载体的运行线路为1 9 2 0，1 8-1 4 1 3 8 9 J 热用户 1 2 7 6 1 6 1 7 1 9，不断往复循环。在供冷过程中，土壤温度和冷载体的温度逐步升高，比如升高到1 56 C 左右已经不宜直接供冷，此时地源热泵机组才投入运行，这样就能推迟地源热泵的开机时间，从而减少每年地源热泵的运行时间，由此可以节约大量的电能。2)地源热泵制冷模式：地源热泵枫组投入运彳亍，此时的四通阀2 3 处于制冷位置，与土壤换热的工作流程为：1 9 2 0 1 8 1 4 1 5。2 6 1 7 1
39、9；系统供冷线路为：1l 1 2 4 热用户 9 1 0 1 1，各用户线路采用同程布置，以便于水力平衡。3)蓄热工作模式：在夏末初秋季节，天气转凉了，基本不需要供冷了，此时的空气温度已经低于2 5，热水消耗也不大，为了冬天供热的需要，此时可以把太阳能热水通过循环泵打入地下换热器1 7，太阳能热水在流经地下换热器时与土壤进行换热，从而把能量储存在土壤中，此时的循环线路为：1 9 2 0-2 l。1 2 3-4 5 6 1 6 1 7 1 9；4)直接供热模式：在地下蓄热阶段，随着气候变化，气温逐步降低，到了深秋或初冬季节需要供热，此时的土壤温度较高，此时可以利用土壤热源直接供热，此时的载热剂循
40、环路线为：1 9 2 0 1 8 1 4 1 3 8 9 一熟用户p 1 2 7 6 1 6-1 7 1 9。5)地源热泵制热模式：直接供热一段时间后，土壤温度已经比较低，不适合直接供热了。此时，地源热泵机组投入运行，此时的四通阀2 3 处于制热位置；地下换热器的工5上海交通太学河南新飞电器有限公司联合培养博士后出站报告作流程为：t 9 2 0 1 8 1 4-1 5 2 6 1 7 1 9；系统供热线路为：1 1-1 2 匦用户1 9 1 0 1 1。在冬季太阳能有两个作用：一是供应热水，另一个是给地下土壤补充能量。在冬季制热运行阶段：系统间歇地启动蓄热工作模式，以提高土壤的温度，从而提高地
41、源热泵的运行效率。图1 4 太阳能一地源混联式热泵空调原理图1 太阳能集热器2 管路3 三通阀4 蓄热水箱5 管路6 三通阀7 管路8 管路9 管路1 0 循环泵11 换热器1 2 管路1 3，管路1 4 三通阀1 5 换热器1 6 管路1 7 地下换热器(蓄能体)1 8 管路1 9 循环泵2 0 三通阀2 1 管路2 2 管路2 3 四通阀2 4 压缩机2 5 膨胀阀2 6 管路此外，也可以采用双级热泵循环技术，太阳能一双级地源热泵混联系统原理图如图1 5所示，它需要两种制冷剂，如低温级采用R 2 2、R 4 0 7 C 或R 4 1 0 A 等，高温级可以采用R 1 3 4 a或T H R
42、 0 1 等；当然也可以采用二氧化碳双级循环热泵。图卜5 太阳能一双级地源热泵混联系统原理图1 太阳能集热器2 蓄热水箱3 三通阀4 热用户5 循环泵6 次级压缩机7 高温热交换器8 节流机构9 中温换热器1 0 四通阀1 1 初级压缩机1 2 水，水换热器1 3 节流机构1 4 地下换热单元1 5 循环泵1 6 三通阀1 7 三通阀】8 三通阀1 9 三通阀6上海交通虫学河南新飞电器有限公司联合培养博士后出站报告1 2 3 太阳能地源热泵空调系统的特性“”1”综上所述，无论在夏季或者冬季，太阳能均可以供应日用热水，同时具有如F 优点：(1)在初夏和初冬(个别地区可以在深秋)季节，完全可以在部
43、分时间(1 0 一3 0 天的时间)利用地下土壤中冷热源直接供冷热，人大碱少地源热泵的年运行时间大罱节约电能：(2)采用太阳能集热技术吼及土壤的蓄冷热，从另一个方面大大提高了系统运行效率，1 司刚减少了热泵系统的装机容量，节约了初投资，有利于缩短成本回收周期。t 3)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 匀不足。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I j _ j 于太阳辐射强度随着季节、早晚、昼夜有规律地变化，困此太阳能利用还存在着间歇性及不稳定性的问
44、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。太阳能一地源热泵空调系统具有以F 优点：(1)采用太阳能集热器辅助热源供熟时，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)在冬季运行列由于蒸发温度提高，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F 部分的投资。1 2 4 太阳能地源热泵空调系统有待解决的问题太阳热水器与建筑相结合
45、是太阳能行业发展的整体趋势，这离不开房地产开发商和建筑设计研究院的支持和推广，只有三方切实合作才能促进行业发展，此项目正是在三方的合作下才得以成功运作。目前太阳能一地掘热泵空调系统在应用上还存在着些问题：(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f(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，还不能为太阳能一地源热泵的应用提供充足韵理论依据。1 3 国内外研究现
46、状及发展趋势o”27 将太阳能光一热、光一电、地源热泵空调等技术与建筑的有机结合、融为一体，建成一个综合利用新能源(如太阳能、地热能等)的新颖建筑；采用太阳能蓄热与地源热泵的联用技术实现夏季制冷冬季采暖、四季供应热水以降低建筑的耗能指标；集成其它新能源和节能技术等等将是太阳能地源热泵技术与产品的发展趋势。太阳能、地热能等新能源提供建筑用能8 0 以上，节约能源费用8 2，具有显著的社会经济环境效益。8 0 年代崮际能源组织(1 队)组织1 5 个国家的专家对太阳能建筑技术进行联合攻关，欧美发达国家纷纷建造综合利用太阳能示范建筑。试验表明、太阳能建筑节能率大约7 5 左右，已成为最有发展前景的领
47、域之。但是在我国对太阳能和地源热泵联合循环的研究确是很少的，国内有的高校做过类试的试验，但是大多都是用电加热模拟太阳能或者实验的规模相当小，仅限于实验室，虽然也取得许多有意义的结论和经验，还不能大规模地实际推广应用。因此，我们开展太阳能地源热泵联合循环实验和试验示范工程建设，对促进我国太阳能一地源热泵联台循环技术的市场化、产业化的发展，并使我国太阳能和地源热泵的研究开发尽快跟上国际潮流具有重要的意义。我 f】有理由相信，在充分学习借鉴国外先进技术和运行经验的基础上，在各级政府的有力支持下，中国的科技界与企业界携手共进，依靠自己的力量完全有能力在不长的时间内开拓出具有中国特色的太阳能一地源热泵产
48、业。不长的时间内开拓出具有中国特色的太阳能地源热泵产业。7上海交通土学河南新飞电器有限公司联合培养博士后出站报告1 3 1 太阳能热利用技术的发展及研究现状【1 9 也2 1太阳能一地源热泵的系统集成技术是一项综合技术，太阳能和地源热泵已经有很长的研究和运用历史了，我国在太阳能建筑领域进行了长期的、积极的研究与实践。目前国内仍然处于试验阶段。近年来，随着太阳热水系统的成功开发利用，进一步开发太阳能热水，采暖和空调的综合系统，扩大太阳能热利用的范围已提到日程上来。太阳能热驱动的空调系统列入国家“九五”攻关项目，分别在山东乳山和广东江门设立示范工程项目，并取得了有价值的结果。“十五”期间，在北京清
49、华人学和上海交通大学(与上海建筑研究院合作)分别建设了低能耗建筑实验示范楼和生态建筑示范楼，其综合能耗仅为普通建筑的1 4，其中利用再生能源占2 0，全楼再生资源利用率达6 0。上述建筑均创新、集成了十大类先进技术，太阳能和地源热泵均是其中之一。中国太阳能热水器产品目前国内外技术差别不大，国产货占多数。但是太阳能技术和地源热泵技术相结合应用尚处于研究、开发阶段，即将进入市场推广阶段；其广泛的应用覆盖面，在国内有着广阔的市场。从在云南结束的“太阳能技术与建筑”研讨会上获悉，我国政府将与亚洲开发银行合作，共同推广太阳能在建筑、特别是住宅建筑中的运作，实施建筑工程“阳光计划”。我国太阳能资源十分丰富
50、，具有太阳能建筑应用的资源条件。同时随着住宅建设规模的不断扩大和建筑质量的提高，也为太阳能热利用技术应用于建筑领域提供了巨大的市场潜力和商业机会。另一方面，中国又是一个耗能大国，开发太阳能对于节能及环保都具有重大意义。我国政府向重视太阳能热利用。到1998 年底，拥有10 00 多家太阳能热水器制造企业，年生产能力超过300 万平方米。目前全国已经安装太阳能热水器l000 多万平方米，成为太阳能热利用技术商业化发展程度最快的国家之一，太阳能热利用具有广阔的市场前景。建设部有关人士指出，我国将通过太阳能应用技术示范项目的实施，推动太阳能建筑发展，进一步节约其他一次性能耗，营造更加洁净、舒适的生活