介绍地源热泵地下热能失衡与太阳能补热方法

资源环境 | RESOURCES & ENVIRONMENTI太阳能与地源热泵互补供能的优势分析李爽王一凡王杨洋王迪(吉林建筑科技学院市政与环境工程学院，吉林长春130000)摘要：通过建设相应的能源系统实现资源联合应用，能有效提高能源利用效果，达到更好的经济效益和社会效益。

文章通过查 阅文献、分析案例等方法，分析了太阳能与地源热泵互补供能的可行性及经济效益，结果表明太阳能与地源热泵互补供能系 统能够取得良好应用效果，值得推广应用。

关键词：太阳能：温室：沼气；地源热泵；建筑 文献标识码:A中图分类号:TK 01文章编号：2096>4137 (2021) 04-148-02D 0I ： 10.13535/j .cnki .10-1507/n .2021.04.61Analysis of the advantages of complementary energy supply between solarand ground source heat pumpsLI Shuang , WANG Yifan , WANG Yangyang , WANG Di(School of Municipal and Environmental Engineering, Jilin Institute of Architecture and Technology, Changchun 130000, China)Abstract : Through the construction of corresponding energy systems , the joint application of resources can be realized , which can effectively improve energy utilization and achieve better economic and social benefits . This paper analyzes the feasibility and economic benefits of the complementary energy supply of solar energy and ground source heat pump by consulting literature and analyzing cases . The results shows that the complementary energy supply system of solar energy and ground source heat pump can achieve good application effects and is worthy of popularization and application .Keywords : solar energy ; greenhouse ; biogas ; ground source heat pump ; building 热泵是一种新型空调技术，研宄发现，热泵能够减少对 资源的消耗，减少对环境的污染，达到更好的绿色环保节能 效果。

介绍地源热泵地下热能失衡与太阳能补热方法中国泵业网地源热泵采暖技术其节能环保性受到广大用户的青睐。

可是近年部分地源热泵项目出现了地下热量失衡的严重问题，给地源热泵推广蒙上了阴影，本文针对此问题进行探讨，为广大同仁分享一些解决办法。

1地下换热钻井施工由于各地区地质千差万别，地下物质导热系数相差悬殊，没有统一计算方式，钻勘探井测试地质导热系数，只能计算相对较短时间内地质放热系数，几乎无法预算热泵运行多年后结果，凭借多年的施工经验及参考地源热泵成功案例非常重要。

1.1钻井间距地埋管式换热系统国家标准及规范中指出地下换热系统中对钻井间距为4~6m，考虑到成本及占地面积，一般工程施工时钻井间距≤4m。

换热井与井之间的地质就是蓄热空间，决定地埋管换热系统取热的年限，假如在3年期间换热井之间温度短路区易发生短路现象，该系统很快进入地下温度失衡状态，造成系统能效比下降甚至无法运行。

热泵在冬季长时间处在取热状态，每口井周围温度在逐渐降低，特别是地下流层不丰富甚至没有流层的地况，换热井间距大小直接影响井与井之间温度短路时间。

如图1所示。

1.2钻井群形状地下换热系统设计人员主要考虑便于管网连接及连接机房距离，大部分采暖工程在钻井施工时，把所有换热井口集中到一起，大型采暖项目需钻井数量非常庞大，地下换热井会形成井群。

特别是圆形或方形井群如果井间距过小容易造成严重取热不足，井群中心呈扩散状，中心位置温度区温度很低，几年后可能低于0℃。

前几年运行的地源热泵项目，部分出现井水温度过低现象，甚至机组无法运行。

如图2所示。

2合格的地埋管式换热系统根据现场情况，尽量加大换热井距离，4口井间做不对称形状，井间距需≥4m。

大中型地源热泵项目，地下连接管网庞大，地下主管道间距需≥1m，以减少大量进出水主管道间热量短路现象。

管网埋设深度，北京地区冻层0.8m左右，管网应埋设在低于冻层以下1m处，尽量减少主管道对地层的热损。

如图3、图4 所示。

简析太阳能系统和地源热泵系统连接方式我们当前正面临着巨大的能源挑战，提高能源的利用率，节能减排政策加快实施，新能源和可再生能源合理、有效的研发应用，将会是我们人类实现可持续发展的有效途径。

据不完全统计到2035年，世界对一次能源需求量将会上升36%，相当于使用167 t 石油[1]。

近年来，大多数国家都将重心转移到可再生能源和新能源的合理开发利用，这将是未来很长一段时间内一项重要的可持续发展战略[2]。

太阳能和地热能将会是人类历史中取之不尽用之不竭的新能源和可再生能源，对其合理、有效的利用将会是今后能源发展的一个重要方向.我国地域辽阔，年日照时间大于2000h的地区占全国面积的2/3，处于利用太阳能较有利的区域内[3]，但太阳能的利用还存在着一定的局限性，太阳辐射受昼夜、季节、海拔高度等自然条件的限制以及阴雨天气等随机因素的影响较大，存在着很大的不稳定性和间歇性。

因此若要长期单独只用太阳能作为热源运行系统，必须靠辅助热源才可以保证系统稳定运行。

"地源热泵"的概念，最早是在912 年由瑞士的专家提出[4]，它利用地下埋管换热器与大地进行热量交换，把大地作为低位热源和排热场所的热泵装置。

地源热泵在连续运行时会因埋地管在土壤中的连续取热或者放热而导致埋管周围土壤的温度的相对降低或者升高，从而引起热泵蒸发温度和冷凝温度的变化，系统的运行效率的降低；另一方面，土壤的导热系数比较小，换热强度弱，在相同的负荷情况下所需要的换热面积大，因此埋管用量多，占地面积大[5-7]。

太阳能和地源热泵系统单独应用时存在的缺陷最好的办法是结合使用两种能源，互相弥补自身不足，提高资源利用率。

本文主要是对太阳能和地源热泵联合运行方式的探究。

1.系统结构和联合运行原理太阳能-地源热泵系统如图1所示。

本文主要研究的是供暖季下该系统的联合运行模式。

2.系统联合运行模式太阳能-地源热泵系统联合运行有三种不同的运行模式：一、串联模式；二、并联模式；三、蓄热模式。

地源热泵实际使用中的热平衡问题地源热泵是21世纪的一项最具有发展前途的具有节能和环保意义的制冷空调技术。

地源热泵优点：1.利用大地的蓄能作用，环保效益显著。

2.高效节能，运行费用低。

3.运行安全稳定，可靠性高。

地源热泵缺点：地源热泵冬夏两季向大地取热量和排热量不平衡。

热平衡问题分析：地源热泵通过热泵将大地中低位热能提高，对建筑供暖，同时使大地中的温度降低，即蓄存冷量以备夏季使用；夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下，对建筑进行降温，同时在大地中蓄存热量，以备冬季使用。

这一特点决定了该项技术适用于夏热、冬冷且冷热负荷相当的地区。

若该系统在冷热负荷不平衡的情况下长期运行，将会使土壤温度逐渐上升或下降，导致地埋管换热器换热环境恶化，换热效率下降，从而影响热泵机组的效率和运行的经济性。

以夏季和冬季不平衡率为3％和10％两种条件，得出的结果如下：以五年为一个周期来看，土壤温度逐年升高，温升分别升高了0.81℃和2.77℃。

地源热泵系统在热量不平衡率仅为10％的情况下运行五年，土壤温度就明显的升高了2.77℃，可以推想，若在热平衡率更大时，若不采取必要措施，地源热泵系统运行一段时间之后很可能就无法正常运行。

解决方案：根据实测和理论计算，建议以不平衡率20％为界线，即在20％以下时由于土壤本身具有一定的热扩散能力和蓄热能力，热量不平衡对热泵的运行影响不大，不需要采取措施。

当热平衡率相差较大（20％以上），需要采取辅助措施：辅助供热和辅助冷却方式。

称为复和式地源热泵系统。

以热负荷为主和以冷负荷为主的两种情况分析：1.系统的释热量小于吸取热量。

若地源热泵系统在这种情况下长时间运行，将会使土壤温度逐渐下降，使地埋管换热环境恶化，降低换热效率，使出水温度降低，并造成热泵机组的蒸发温度降低，从而影响热泵机组的效率和运行的经济性。

2.系统的释热量大于吸取热量。

原理与上述相反，后果一样。

为解决这个问题并提高系统的经济性，在地源热泵系统设计时综合考虑。

浅析太阳能热泵与地源热泵技术联合利用摘要：近些年，在人们生活水平提高下，对能源的需求量不断增加，其中，太阳能和地热能作为重要的清洁能源，可以为人类提供重要的能源来源，如何开发利用太阳能和地热能是人类面临的重要问题。

本文首先介绍了热泵技术的工作原理，然后阐述了太阳能热泵和地源热泵相关技术，最后结合某具体案例详细阐述了太阳能热泵与地源热泵技术联合利用情况。

以期本文的写作能够促进太阳能和地热能的开发利用，使之更好地为人类服务。

关键词：太阳能；地热能；热泵技术；联合利用引言能源供应的日趋紧张与节能环保观念的日益增强，引发人们去探索新能源的开发与利用。

人类对于再生性能源的需求因化石燃料日渐耗尽而增加。

太阳能和地热能的利用是个源源不绝的绝佳能源替代方案。

太阳能是地球上能源的最主要的来源，它是无公害的洁净能源，也是21世纪以后人类可期待的最有希望的能源。

太阳能是真正意义上的环保、可再生能源，加之能源丰富、分布相对均衡，不需要运输，不产生排放废物。

地热能属于《可再生能源法》规定的被鼓励开发利用的可再生能源之一，在我国能源发展战略中居重要地位。

地热能又分为浅层低温（＜25℃）地热能与深层（≥25℃）地热能。

浅层地热能是指蕴藏在地表以下一定深度（一般为200m）范围内的岩土体、地下水和地表水中，具有开发利用价值的热能，又称之为浅层地温能。

其实质是太阳辐射地表与地球内部产生的热向地表传递在地壳表层叠加后产生的一种热能资源。

太阳能－地源热泵技术是利用少量高品位的电能将太阳能集热器收集的低品位热能与浅层地温能提升加以利用的一种“绿色”技术。

1太阳能热泵技术太阳能作为一种潜力极大的可再生清洁能源，每天达到地球表面的太阳辐射能高达5.57×1018MJ。

太阳能利用技术与热泵技术之间的结合形式十分多样，可以根据实际情况选择不同模式和系统。

其中最典型的应用形式为太阳能辅助热泵，太阳能热泵通常是指利用太阳能作为蒸发器热源的热泵系统，与太阳光电或热能发电驱动的热泵机组有着本质区别。

建筑节能2009年第1期(总第37卷第215期)No.1in 2009(Total No.215，Vol.37)地源热泵竖直地埋管换热器的热平衡问题及解决方案周学文(郑州市热力总公司，郑州450006)摘要：介绍了地埋管地源热泵使用地区的地域差异和由此导致的土壤吸、放热不平衡。

重点讲述了解决这种热失衡的两种方案，即太阳能辅助加热和冷却塔辅助冷却。

这两种混合式地源热泵系统可以分别有效地解决北方地区和南方地区竖直地埋管换热器取、放热不平衡的问题,使地源热泵系统同样可以在冷热负荷差别较大的地区得到高效率运行。

关键词：地源热泵；地埋管换热器；性能系数COP ；能效比EER 中图分类号：TU831文献标志码：A文章编号：1673-7237(2009)01-0064-03Problem s and Solutions for Therm al Balance of Vertical Ground Heat Exchanger inGround Source Heat Pum pZHOU Xue-wen(College of Art and Design,Zhejiang Science and Technology University,Hangzhou 310018,China)Abstract:The difference about the areas where the ground source heat pump be used in was presented,which lead to the thermal im －balance of soil between absorbing and releasing.Two plans to solve the problems were put forward,namely solar energy assistance heating and cooling tower assistance cooling.These two kinds of mixed ground source heat pump systems can solve the problems of ground heat exchang －er's thermal imbalance between absorbing and releasing in northern and southern areas,The ground source heat pump can be used with high efficiency in the areas where there is the bigger difference between heat load and cold load.Key w ords:ground source heat pump;ground heat exchanger;coefficient of performance;energy efficiency ration0引言地源热泵是以大地为热源对建筑进行供热或制冷的技术。