作者：赵金秀
第一作者单位：唐山学院土木工程系
摘自《煤气与热力》年8月刊
1概述
据统计，我国北方农村供暖能耗约占农村生活总能耗的80%以上［1］，且供暖形式大多以燃煤炉供暖为主，不但室内舒适性差，而且能源利用率低，对环境污染大，因此农村建筑采用节能环保的供暖方式有着重要的意义。
近年来，太阳能热水系统供热技术在我国农村地区得到了广泛应用［2-4］，但太阳昼出夜落的特点及阴雨雪天气的影响，使得太阳能的利用受到一定限制。利用浅层地热能的地埋管地源热泵是一种节能环保的新型供能系统［5］，但在北方寒冷地区应用时，由于冬季供热量大于夏季供冷量，将导致地埋管地源热泵对土壤的取热量大于对土壤的放热量。若地埋管地源热泵长期运行，易使得地埋管换热器周围土壤温度逐年下降，引起土壤热失衡，地埋管地源热泵性能逐年下降。将太阳能热水系统与地埋管地源热泵系统联合应用，可起到优势互补［6-8］。本文分析太阳能热水系统联合地埋管地源热泵系统（以下简称联合系统）的流程与运行模式，以唐山农村居住建筑为例，对联合系统的实际运行效果进行实测分析。
2联合系统流程与运行模式
2.1系统流程
联合系统流程见图1，温度测点T1、T3、T7用于控制联合系统的运行模式，其他温度测点用于日常运行情况监控。联合系统主要由太阳能热水系统、地埋管换热器、热泵机组组成，通过温度监测与阀门控制，联合系统可实现供冷、供热、提供生活热水等功能。生活热水的制备方法为，蓄热水箱内热水经循环泵S4进入换热器，与自来水换热后回到蓄热水箱。升温后的自来水进入电热水器，若温度符合设定要求，直接供给用户使用；若不符合要求，电热水器开启加热，满足用户要求。
图1联合系统流程
1.太阳能集热器2.蓄热水箱3.地埋管换热器4.分水器5.集水器6.热泵机组7.用户室内供暖系统8.换热器9.电热水器F1~F12.控制阀门S1~S4.循环泵T1~T8.温度测点
2.2运行模式
为实现不同模式的自动转换，设立自动控制模块，通过监测相关测点温度与调节相关阀门相对开度实现自控控制。由于循环泵S4仅在使用生活热水时启动，因此在分析联合系统运行模式时不涉及循环泵S4。
①冬季
在冬季，由于农村居民洗浴频率比较低，且大多在日间天气晴好的夜间进行，若生活热水温度低于设定温度，电热水器将启动，辅助加热生活热水。为增大太阳能集热器出水与蓄热水箱水的换热温差，将进入蓄热水箱的太阳能集热器出水温度设定在35℃以上。
a.太阳能热泵供热模式
在天气晴好的日间，当太阳能集热器出水温度（温度测点T1）为26~35℃时，采取太阳能热泵供热模式。阀门F3、F4、F9、F10、F11、F12开启，循环泵S1开启，其他阀门和循环泵S2、S3关闭。当太阳能集热器出水温度（温度测点T1）为26~35℃时，太阳能集热器出水经阀门F3、F9进入分水器，然后经阀门F11进入热泵机组蒸发器换热后经阀门F12进入集水器，最后经阀门F10、F4及循环泵S1回到太阳能集热器。
b.太阳能蓄热及太阳能热泵供热模式
在天气晴好的日间，当太阳能集热器出水温度（温度测点T1）在35℃以上时，采取太阳能蓄热及太阳能热泵供热模式。阀门F1、F2、F3、F4、F9、F10、F11、F12开启，循环泵S1开启，其他阀门和循环泵S2、S3关闭。当太阳能集热器出水温度（温度测点T1）在35℃以上时，太阳能集热器出水分为两路：一部分经阀门F3、F9进入分水器，经阀门F11进入热泵机组蒸发器换热后经阀门F12进入集水器；另一部分经阀门F1，进入蓄热水箱，与蓄热水箱冷水换热后，经阀门F2与集水器出水混合。最后，经阀门F4、循环泵S1回到太阳能集热器。自动控制模块通过调节阀门F1、F3的相对开度，将温度测点T7的热水温度控制在26~35℃。
c.蓄热水箱热泵供热模式
在日间天气晴好的夜间，当太阳能集热器出水温度（温度测点T1）在26℃以下且蓄热水箱水温（温度测点T3）在26℃以上时，采取蓄热水箱热泵供热模式。阀门F5、F6、F9、F10、F11、F12开启，循环泵S2开启，其他阀门和循环泵S1、S3关闭。蓄热水箱出水经阀门F5、F9进入分水器，然后经阀门F11进入热泵机组蒸发器换热后经阀门F12进入集水器，最后经阀门F10、F6及循环泵S2回到蓄热水箱。
d.地埋管地源热泵供热模式
在阴雨雪天气的日间、日间阴雨天气的夜间，太阳能集热器出水温度（温度测点T1）和蓄热水箱水温（温度测点T3）均在26℃以下，采取地埋管地源热泵供热模式。阀门F7、F8、F11、F12开启，循环泵S3开启，其他阀门及循环泵S1、S2关闭。热泵机组蒸发器出水经阀门F12进入集水器后经阀门F8、循环泵S3进入地埋管换热器，与土壤换热后经阀门F7进入分水器，然后经阀门F11进入热泵机组蒸发器。
②夏季
与冬季相比，农村居民夏季的洗浴频率升高，但需要的洗浴热水温度却有所下降，加之日间太阳能基本储存在蓄热水箱内，因此夏季的洗浴热水可以得到保证，不需要开启电热水器。
夏季，联合系统的运行模式为土壤源热泵供冷模式、太阳能蓄热模式联合运行。土壤源热泵供冷模式，阀门F7、F8、F11、F12开启，循环泵S3开启。太阳能蓄热模式，阀门F1、F2、F4和循环水泵S1开启，利用太阳能集热器出水加热蓄热水箱内冷水，蓄热水箱水温（温度测点T3）上限控制在50℃。其他阀门及循环泵S2关闭。
3供暖工程运行效果分析
3.1工程概况
唐山市某农村居住建筑于年建成，采用联合系统供热、供冷及提供生活热水，建筑外观及联合系统太阳能集热器安装位置见图2。年11月至年5月我们对该居住建筑某户的联合系统相关参数及该户各时段平均室内温度（以下简称室内温度）进行实测。该用户建筑为地上2层，地下1层（不供热供冷），地上部分建筑面积为m2，室内末端采用风机盘管。
图2建筑外观及联合系统的太阳能集热器安装位置
供暖期11月15日至次年3月15日，共d，设计热负荷为5.92kW，供暖室内设计温度为20℃。供冷期6月15日至8月30日，共75d，设计冷负荷为8.41kW。联合系统选用的太阳能集热器集热面积为24.5m2，蓄热水箱容积为1.2m3，地埋管换热器选用外直径32mm，壁厚为3mm的单U型高密度聚乙烯管，钻孔深60m，钻孔数为6孔，埋管间距为4m，埋管位于住户庭院内。热泵机组制冷能力为9.98kW，输入电功率为2.02kW；制热能力为11.92kW，输入电功率为2.81kW。
3.2运行效果分析
①暖初期
供暖初末期，室外平均温度为4~8℃，选取供暖初期的年11月27日、11月30日进行供暖效果分析。年11月27日，日间天气晴好，太阳能集热器出水温度随时间的变化见图3。由图3可知，供暖初期日间天气晴好时，太阳能集热器的出水温度可达到48℃，太阳能集热器出水温度在26℃以上的时间约7h。用户室内温度随时间的变化见图4。由图4可知，用户最低室内温度为18.1℃，最高可达到20.5℃，这说明联合系统可满足供暖初期日间天气晴好情况下的供暖需求。
图月27日太阳能集热器出水温度随时间的变化
图月27日用户室内温度随时间的变化
年11月30日，日间天气阴，太阳能集热器出水温度随时间的变化见图5。由图5可知，供暖初期日间阴天时，仅有午间太阳能集热器出水温度能够达到26℃。用户室内温度随时间的变化见图6。由图6可知，用户最低室内温度为18℃，最高可达到19.9℃，这说明联合系统可满足供暖初期日间阴天情况下的供暖需求。
图月30日太阳能集热器出水温度随时间的变化
图月30日用户室内温度随时间的变化
②供暖严寒期
供暖严寒期室外温度平均温度为-9~4℃，选取年12月20日进行供暖效果分析。年12月20日，日间天气晴好，太阳能集热器出水温度随时间的变化见图7。由图7可知，供暖严寒期日间天气晴好时，仅有午间较段时段（2h左右）太阳能集热器出水温度能够达到26℃。用户室内温度随时间的变化见图8。由图8可知，用户室内温度在19℃左右，这说明联合系统可满足供暖严寒期日天气间晴好情况下的供暖需求，也说明地埋管地源热泵系统独立运行效果比较理想。
图月20日太阳能集热器出水温度随时间的变化
图月20日用户室内温度随时间的变化
4结语
太阳能热水系统联合地埋管地源热泵系统可实现冬季供暖、夏季制冷、提供生活热水，与农村地区传统的燃煤炉供暖方式相比，不仅提高了室内舒适度，还改善了卫生状况，污染物排放也得到了有效控制。今后的工作是对地下土壤温度的全年变化进行监测，分析太阳能联合地埋管地源热泵系统全年运行对土壤热平衡的影响。
参考文献：
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［6］付宇，谢慧，付国军.北京办公建筑太阳能-土壤源热泵系统串联运行优化设计［J］.建筑节能，（5）：45-48.
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