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摘  要：针对太阳能独立采暖 存在的波动性、季节性等问题，本文研究了多种太阳能、地热能及电能等耦合式热泵系统在采暖的应用。研究太阳能直接供暖系统，太阳能热泵供暖系统、地源热泵三种不同模式及耦合供暖系统的运行效果，得出各种能源之间相互耦合耦合系统在经济和环保方面有着显著效果，耦合系统可以弥补单一热源系统的不足，性能比较稳定，耦合式热泵系统节能效果明显，从长远来看耦合式热泵系统有较好的推广价值。

关键词 热泵系统;耦合;能效

0 引言

随着人们生活水平的提高，对居住环境的要求越来越高，能源的消耗量也不断的提高。据统计，建筑能源消耗量占全国总能耗的三分之一以上[1]，无论在施工过程中，还是在建成投入使用过程中，能源消耗量都比较高，但其中采暖能耗占建筑能源消耗量的比重最大，能占到建筑能耗的三分之二以上[2]。尤其在我国北方地区，采暖能耗逐年增加。另一方面，由于传统供暖系统的能效较低，污染排放问题较严重。因此，研究开发高效的可再生能源供暖系统迫在眉睫。

可再生能源中的太阳能具有无污染、可再生等特点，但在使用过程中也存在季间歇性、分散性等特点，虽然白天能够蓄热供暖，但在晚上仍然需要辅助能源辅助供暖。地热能作为另一种可再生的新能源，土壤温度能够保持在20℃左右的状态，可以作为热泵机组的热源[3]。1956年Penrond，Prasanna等[4]人提出了复合的太阳能—地源热泵系统，但是由于经济性等问题至今没有被广泛推广。

本研究采用毛细管网辐射供暖末端，所需要的供回水温度较低，采用智能控制不同的供暖模式，实现为不同供暖时间、不同功能的房间提供所需求的供暖温度，从而减少不必要的能源浪费，降低经济成本。

1 复合热泵系统设计

1.1太阳能地热耦合系统总体设计

太阳能—地源热泵复合系统以太阳能和地热能为供热源，以毛细管网为末端散热端，耦合热泵系统工作原理图如图1所示：

将太阳能供暖系统与地源热泵供暖系统通过管道进行连接，组成复合供暖系统，通过阀门的开断与转向可以进行不同模式的组合，其中冬季供暖主要包括太阳能直接供暖，太阳能热泵单独供暖，地源热泵单独供暖系统。夏季制冷为供暖方式的反向，主要包括地源热泵制冷和地源直接制冷。

1.2控制系统

控制系统示意图如2所示，能够切换制热或制冷模式，设置出口最高水温35℃与最低水温32℃来控制压缩机的启停状态，实现自动控制。

PLC供暖控制模式设置有以下三种模式：

第一种模式是太阳能直接供暖系统，转换条件是当室内温度低于规定温度18℃时，自动开启供暖循环水泵，开始进行太阳能直接供暖;

第二种模式是太阳能直接供暖切换成太阳能热泵供暖系统，切换条件满足太阳能集热器温度低于供暖温度35℃时，因毛细管网的水温过低，室温不能够被维持，开启太阳能热泵机组，开始进行太阳能热泵供暖;

第三种模式是太阳能热泵供暖切换成地源热泵供暖系统，切换条件为太阳能集热器温度低于15℃时，由于此时太阳能集热器温度低于地热源温度，开始进行地源热泵供暖。

PLC控制系统中同时设定系统关闭条件，当室内温度超过21℃时，供暖循环水泵关闭，供暖系统停止工作，当室内温度低于18℃时，供暖循环水泵启动，继续供暖循环。

1.3毛细管末端散热系统

毛细管网作为一种高舒适度的冷暖一体化末端，不仅能够降低围护结构内表面温度，而且能够加大人体散热量，提高舒适性，很受人们欢迎。毛细管网供暖时，室内空气分布均匀且竖直方向最大温差小于3.2℃，毛细管网辐射供暖热响应时间是普通地暖的67.1%，且毛细管网辐射供暖均匀性优于地暖。

实验室采用墙面毛细管网末端，东西两面墙全部铺满毛细管网，总面积可达到30m2，毛细管网的构造形式如图3所示，墙面上首先铺一层塑料。防止因结露导致阴湿墙面，并且防止热量通过墙面散失。

2 不同供暖方式效果分析

分别采用太阳能直接供暖系统，太阳能热泵供暖系统、地源热泵供暖系统，并在不同的时间段采用不同的供暖方式，共分为以下几种情况。

第一种情况，利用太阳能供暖系统直接供暖。在太阳能直接供暖时，热泵机组停止运行，热泵机组能耗为零。此时要考虑的是太阳能直接供暖系统制热量的具体情况。相关研究显示，太阳能集热器的温度和太阳总辐射强度是正相关的，也就是说太阳能直接供暖系统的供热量随着太阳辐射强度的减弱而下降，太阳辐射量增大时，制热量也会同步增加。但是太阳辐射强度最强的时候，太阳能集热器的效率会有所下降，太阳集热器温度升高缓慢。夜晚集热过程结束后，太阳能集热器里的水会与外界冷空气进行换热，产生一定的热损失。在利用太阳能直接供暖的情况下，夜晚温度较低，很难维持太阳能集热器温度。当太阳辐射消失并且天气温度下降时，太阳能集热器的温度也会下降，进而影响供暖的效果。当太阳能集热器的温度下降到一定程度，太阳能集热系统无法满足供暖要求，这时太阳能直接供暖不能实现全天24小时供暖，要想完成全天供暖就需要加入地源热泵系统等辅助供暖。

第二种情况就是在太阳能直接供暖无法达到要求的情况下可使用太阳能热泵系统，进入太阳能热泵系统供暖模式，根据第一种情况的结果太阳能热泵系统需要白天太阳能不足时来维持房间温度，在热泵供暖过程中可以发现，机组负荷端进口温度并不会立刻下降，而是短时间内上升。压缩机停启稳定后，一开始热泵工作时间与停机时间的比例大概是 ，但随着供热的进行，水箱温度逐渐降低，热泵工作与停机时间的比例提高到了 ，。随着太阳能集热器温度的降低，水箱供水温度逐渐下降，蒸发器的蒸发温度降低，导致蒸发温度与低温热源之间的温差减少，总的供热量减少，在热泵功耗一定时，系统的COP降低。系统不断运行再加上外界环境温度的降低，热泵机组取热越来越困难，系统总的供热量会减少，系统COP进一步降低。

第三种情况是太阳能地热耦合系统，根据太阳能直接供暖在晚上能源不足的情况，用地源热泵系统在晚上进行供暖。热泵开始启动时温度持续升高，达到供暖所需温度后，机组负荷端温度保持稳定，压缩机启停时间也稳定不变，热泵工作时间与停止时间之比为 。经分析得知土壤温度相对稳定，地源供热量也处于稳定状态，蒸发温度与低温热源的温度差保持不变，总供热量保持不变，热泵功耗一定，系统COP基本不变。地埋管出口温度和土壤温度的下降幅度随着换热量减少而降低。

对比地源热泵单独供暖和太阳能地源热泵耦合系统供暖的COP发现，地源热泵系统的COP有一个时间段是大于耦合系统的，在热泵功耗相同的情况下，太阳能耦合式地源热泵系统供暖方式的换热量高于地源热泵系统单独供暖时的换热量，虽然地热源的温度低于太阳能集热器的温度，但是太阳能集热器的温度受环境影响程度远远大于土壤源温度受环境影响的程度，所以采用太阳能耦合式地源热泵系统进行供暖是最优选择。

选取不同的时间段进行供暖实验，实验系统分为太阳能直接供暖系统、太阳能热泵供暖系统、地源热泵供暖系统，并在不同的时间段采用不同的供暖方式，共分为以下4种工况。

通过实验数据分析得到，工况4分时段复合供暖系统的COP为4.16，工况2下全时段太阳能热泵供暖的热泵机组COP为3.84，工况3下全时段地源热泵供暖的热泵机组COP为3.24，根据不同工况下的热泵机组COP，计算出太阳能—地源热泵复合系统相对于太阳能热泵单独供暖节能了7.7%。太阳能—地源热泵复合系统相对于地源热泵单独供暖系统供暖节能了22.12%。因此分时段复合供暖系统效果相比于其他两种单独供暖方式效果更佳，因为选取的是太阳能热泵供暖方式中供暖效果最佳的一段时间，在其换热效果低时，采用地源热泵方式作为补充热源，复合供暖使效果达到最好。

分别对不同切换时间的逐时供热量进行积分，并计算不同切换温度时系统的COP，其结果如表2所示。

从表9可以得到，随着太阳能集热器温度的降低，切换成地源热泵时间的先后影响着整体的全时段复合系统供暖的COP以及供暖效果，计算表9结果中可以看出，系统COP是随着切换的太阳能集热器温度的降低逐步提高的，在太阳能集热器温度为15℃时，在相同的条件下，复合供暖的总供热量最高，复合供暖系统的COP也最高，同时也越节能。因此，复合系统的切换温度越接近土壤源温度，其总供热量越多，系统的COP越高，若根据实测计算选择系统COP最高的温度，最佳的切换时间为太阳能集热器温度为15℃时。

3结论

通过对复合太阳能—地源热泵供暖系统不同的运行工况进行研究，得出太阳能直接供暖在冬季不足以支撑全天时间段的房间供暖，因此，分别加入单独的太阳能热泵供暖，或者加入单独的地源热泵供暖，或者不同时间段加入太阳能热泵供暖系统和地源热泵供暖系统的复合供暖系统。与任意一种单独供暖方式，耦合供暖系统其热泵功耗、节能效果、以及系统的COP均优于单独供暖系统供暖;分时段复合供暖系统的系统COP能够达到4.19，相比于太阳能热泵单独供暖节能了22.12%。相对于地源热泵单独供暖系统供暖节能了7.7%。并且研究得出越接近土壤源温度进行切换，系统的COP越高，热泵系统的效率越高，越节能。因此在15℃进行切换最佳。但考虑冬季夜晚水箱本身的散热情况，建议在太阳能集热器的温度为20℃时，将太阳能热泵供暖切换成地源热泵供暖。

参考文献

[1] 李瑞， 高岩， 张世红， 等. 基于寒冷地区季节性蓄热太阳能-土壤源热泵系统太阳能集热器设计参数研究[J]. 建筑科学， 2018（10）.

[2] 祖文超， 戎卫国， 李显英， 等. 太阳能供热采暖系统研究现状及思考[J]. 制冷与空调， 2010（02）：82-85.

[3] 王建辉， 刘自强， 刘伟， 等. 地源热泵辅助太阳能采暖系统的研究[J]. 河北工业科技， 2013（06）：86-91.

[4] 刘向龙， 吴丹萍， 张强， 等. 太阳能-地源热泵联合空调技术的工程应用[J]. 建筑节能， 2011， 39（12）：11-13.