河北建筑工程学院 河北张家口 075000
摘要：针对我国严寒地区的气候特点，本文以张家口地区某一民用住宅建筑为例，对现存的传统燃煤供热系统及电锅炉供热系统和太阳能－地源热泵联合供暖系统进行对比研究。通过供热性能、经济效益、环保三方面综合对比三种采暖系统，得出在供热性能相差不多的情况下，太阳能－地源热泵联合供暖系统经济效益较高，环保效果较好。
关键词：电锅炉供热； 地源热泵； 太阳能；
Abstract： According to the climate characteristics in cold regions of China，this article takes the Zhangjiakou area of a residential building as an example，a comparative study was conducted on the existing coal-fired heating system and electric boiler heating system and solar ground source heat pump heating system combined. The three heating systems are comprehensively contrasted through three aspects of heating performance，economic benefit and environmental protection. It is concluded that the solar energy ground source heat pump combined heating system has higher economic benefit and better environmental protection effect when the heating performance is similar.
Key words： Electric boiler heating； Ground source heat pump；The solar energy
1、前言
现阶段，我国多数供暖地区仍然主要采用以燃煤为主的传统集中供暖方式，随着能源逐渐短缺和供暖需求的持续增大，部分地区已经出现热网无法较好满足小区供暖需求的现象。地源热泵技术作为缓解能源短缺与环境压力的应对措施广受人们
关注。地缘热泵系统是一种高效、节能、环保的新型系统，然而如果长期运行，下下降的土壤温度在短时间内难以恢复，出现热泵机组制热能力不足现象。另外由于不可再生能源日渐短缺，对于太阳能的合理利用意义重大，但太阳能供热系统的利用受季节、气候等因素的影响较大，且具有无法连续使用，持续供热等问题。近年来，太阳能与地源热的联合供暖系统备受关注。本文以张家口地区某实际建筑为例，分析太阳能－地源热泵联合供暖系统的特点。
2、系统的流程和系统工作特点
1.系统的构成
太阳能－地源热泵联合供暖系统主要由以下几部分构成： 太阳能集热系统、蓄热系统、地下换热系统、热泵系统和室内用户系统。系统的工作原理如图 1 所示。
图 1 太阳能－地源热泵联合供暖系统原理图
地源热泵系统是利用地下浅层地热能源，完成向建筑物提供取暖热源等的高效节能环保技术。地源能是一种清洁的可再生能源，热流密度较大、具有易收集和方便输送、参数比较稳定、不受地域限制等优点。在冬季，把地能中的热量释放出来，提高管网循环流体的温度后，供给室内采暖，同时将冷量储存到地下土壤当中，用于夏季制冷；夏季可以通过热泵对室内环境进行降温，同时把室内的热量和太阳能集取的热能输送到地下，进行热量储存，用于冬季供热，大地土壤在整个循环过程中起到了蓄热器的作用，但由于长时间取热会导致地下局部温度难以恢复，会很大程度上影响热泵的工作效率，所以合理的结合太阳能集热和蓄热系统可较好的解决这一问题。［1］本文只考虑冬季供暖问题。
夏季蓄热：夏季太阳光照充足，太阳能集热系统、蓄热系统、地下换热系统运行，利用太阳能进行土壤蓄热。当水箱平均水温高于蓄热土壤平均温度1０℃时，蓄热水箱向土壤蓄热；当此温差小于５ ℃，停止蓄热。
冬季供热：在冬季采暖期，太阳能集热系统将热量储存到蓄热水箱中，管网中的循环流体经地源热泵冷凝器吸收热量，被加热后的流体再与蓄热水箱进行换热，满足用户需求。此时采用的是太阳能、地源热泵互补供暖的系统运行模式。当户外太阳光照充足时，太阳能供暖系统可用于直接供暖。
2.系统的工作特点
太阳能－地源热泵联合系统的工作流程具有以下特点：［2］
（ 1） 可在蓄热水箱及循环系统设置温度感应器，通过检测水温来决定太阳能系统是否参与室内用户系统的供热循环。
（2）在启动热泵机组时，如果太阳能蓄热水箱中的水温高于循环系统中的流体温度，可先将太阳能蓄热水箱中的热水与循环系统中流体进行换热，以此提高循环系统流体温度，从而缩短循环系统的升温时间。
（3）在冬季可以直接利用太阳能蓄热水箱的热水与管网中循环流体进行换热，不用运行热泵机组，采取这种保温防冻措施，不仅满足防冻要求，而且能够减少机组开机时间，降低系统整体运行费用。
3.案例介绍
选取张家口地区某民用建筑，该建筑面积8400m2，实际入住率为5000 m2 。供暖季节为11月1日至次年的3月31日，共151天，3624小时。计算得到该民用建筑全年累计热负荷为906000kWh。另张家口地区峰段（8：00时-22：00时）电价0.63元；谷段（22：00时-次日8：00时）电价0.39元。但由于太阳能与地源热泵的联合供暖系统中，太阳能受天气影响较大，本案例采取在蓄热水箱中增设电加热装置，确保系统可以任何时间满足末端热用户的供暖需求。
3、系统分析对比
1各方案初投资对比
该建筑物各项负荷计算见表1。
各方案的主要设备及费用的估算情况见表2。
2经济性分析
运行费用=实际运行天数×每天运行费用。张家口作为严寒地区的典型代表，冬季供暖期为151天，系统每天运行16 h。各方案年运行费用对比分析计算结果如表3所示。
由表2的对比分析结果可以看出，虽然太阳能-地源热泵联合供暖系统与燃煤供热方案相比初期投资增加了约40%，但是其平均年运行费用与其他两方案相比节省了约40% ～63%。运行结果充分的表明： 长久考虑，太阳能－地源热泵联合系统的经济效益更佳，进一步开发和推广应用能产生较大的社会效益。
3节能及环保分析
传统的供暖方式虽然可以解决冬季供暖，但其排放大量污染物，对环境危害极大，解决燃煤锅炉的污染物排放问题是我国环境污染治理的关键。大气是人类赖以生存的最基本环境要素之一。然而，由于冬季采用煤炭等作为供热燃料，燃烧会产生的大量大气污染物，大量的 SO2，CO2 等气体排放造成大气污染，严重破坏大气环境，降低生活质量。同时在供暖过程中有大量废热被排入大气当中，严重时会引起热岛效应。虽然以天然气作为主要清洁能源可有效地缓解环境压力，但许多城市的天然气消费情况远超国家规划，将会出现供气不足的矛盾，且天然气价格存在上涨的压力，这也进一步限制了 “煤改气” 的推进步伐。
电锅炉供暖虽然采取峰电时放热，谷电时蓄热的形式减少运行经济，但从整体能源利用角度出发，能源利用率较低。目前，我国主要发电方式为火力发电与水力发电，仍存在能源转换率不高的弊端，同时，在用电能取暖的过程中无法达到百分之百的能量转换，能源转换率较低，不利于可持续发展。
太阳能与地源热泵的联合供暖系统则利用太阳能和大地的蓄热能力，通过集热器把夏季收集的太阳热能导入到土壤当中，作为冬季取暖的一个热源。在冬季取暖过程中，把冬季产生的冷量导入土壤当中，作为夏季取冷的一个冷源。太阳能与地源热泵的联合系统从源头上根除了供暖系统对大气排放污染物的弊端，环保效益更好。在该系统中80%的能量属于可再生能源，以太阳能和地热能作为主要的能源供给，不仅可以节约能源，同时有效地减少大气污染物的排放。此系统与传统燃煤供暖系统相比，它的优势在于实现了节能与环保的完美统一。
4.结论
本文将张家口地区一座建筑实用面积为5000 m2的住宅楼作为研究对象，通过采用太阳能－地源热泵联合系统与传统燃煤供热系统和电锅炉供暖系统的对比，得出太阳能－地源热泵联合供热系统不但解决了太阳能受季节等因素影响的不连续问题，也解决了地源热泵系统由于地下局部土壤温度短时间内无法得到恢复，导致热泵效率降低的问题。虽然太阳能－地源热泵联合供热系统比传统燃煤供热系统初投资高40%，但比电锅炉供暖系统初投资节省38%左右，另外太阳能－地源热泵联合供热系统年运行费用较其他2种方案节省了40% ～63%，整体综合经济性较好。太阳能－地源热泵联合供热系统较好的利用了可再生能源，并将太阳能与地源热能合理结合，极大程度上提高了能源利用率，且从源头上解决了大气污染的问题，与其他2种供暖方案相比，具有更好的节能性和环保效益，值得进一步推广。
参考文献：
[1]仉安娜，唐远明.环保节能地源热泵技术应用研究[J].环境保护与循环经济，2008，28（12）：34-37.
[2]贾永英，周正，王西奇，支艳，王志国.严寒地区太阳能-地源热泵联合系统的研究[J].建筑节能，2017，45（01）：23-25.
[3]郝红，付晓晨，冯国会，张剑.太阳能-地源热泵与热网互补供暖系统的仿真性能研究[J].流体机械，2014，42（09）：61-65.
作者简介：
孟佳杰，（1994-），男，汉，河北省，硕士研究生，河北建筑工程学院，主研太阳能土壤源热泵方向，15732136236
通讯作者：
陈忠海，男，教授，从事室内环境与空调技术研究，445382438@qq.com
论文作者:孟佳杰,陈忠海,张含芝,刘忠峰,郭焕丽,高旭亮,
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/24
标签：系统论文; 太阳能论文; 蓄热论文; 源热泵论文; 张家口论文; 水箱论文; 土壤论文; 《基层建设》2018年第5期论文;