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摘要：本文针对济南地区居住建筑的具体情况和要求，在常规太阳能系统和地源热泵系统的基础上，提出了用于居住建筑的太阳能-地源热泵应用系统，并对系统流程与控制策略进行了分析。本文为该系统的推广和应用提供了基础，有利于进一步在建筑中推进可再生能源技术的应用。
关键词：济南；居住建筑；太阳能；地源热泵
Abstract: In view of the specific circumstances and requirements of the Jinan area residential building , based on the conventional solar energy system and ground source heat pump system ,this paper proposes the solar energy and ground source heat pump system for residential building, and analyzes the system flow and control strategy. This paper provides a basis for the spreading and application of the system, which is conducive to further advance the application of the renewable energy technologies in the construction.
Key words: Jinan; residential building; solar energy; heat pump
中图分类号: S214文献标识码:A文章编号：2095-2104（2012）
0 引言
地源热泵是一种利用地下浅层地热资源的高效节能环保型能源利用技术。通过输入少量的高品位电能，即可实现能量从低温热能向高温热能的转移。建筑的冷热负荷与地区的气候、房间围护结构的热工性能、空调房间的室内扰动有关,在北方地区可能出现建筑的累计热负荷远大于累计冷负荷，冬季热泵机组向地下埋管的吸热量大于夏季向地下的排热量，导致地下失衡，地下土壤温度逐年降低，所以，在此种情况下，使单一的土壤源热泵系统受到限制。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源。在太阳辐射条件良好的情况下，以太阳能作为蒸发器热源的热泵系统可以获得比空气源热泵更高的蒸发温度，其系统的供热性能系数（COP）可达4 以上。但是太阳能有两个严重不足：一是能流密度低；二是其强度受各种因素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。因此，如果能将太阳能与地源热泵构建在一起，“取长补短，合理补给”，那么能源供给系统将更适合北方寒冷地区空调系统的应用。
1 太阳能-地源热泵系统的提出
（1）寒冷地区居住建筑冷热负荷特点
在济南特别是北方沿海这样的寒冷地区，住宅的单位面积供暖设计负荷远远小于单位面积空调设计负荷。传统的空调和供暖方式要求我们对冷负荷与热负荷单独计算，而近年来地源热泵的发展，使得冷热负荷的比较研究越来越迫切。由于住宅供暖系统是连续工作，济南地区供暖期多达120天；而住宅空调系统由于地理气候和居民生活习惯，使用周期较短，间歇和局部运行为主，即使在同一户住宅中同时使用系数也较小，对整个建筑来说，系统空调的同时使用系数也较其他类型的建筑为低，户数越多，系数越小，低负荷运行占据了主要时段。这样整个采暖季的累积热负荷要远大于制冷季节的累积冷负荷。
（2）太阳能-地源热泵系统的应用分析
1）太阳能供热系统的应用分析
太阳能供热系统在居住建筑中应用的问题主要集中在如何解决系统造价较高，需要寻找合适的可靠辅助热源和如何利用非采暖季所收集的太阳得热这三个方面。
目前太阳能供热系统的辅助热源通常使用电和燃气等常规能源，在建筑全年消耗的热量中常规能源往往还要占掉40-90%，因此有必要探讨利用其他可靠的可再生能源作为辅助热源，从而提高可再生能源在建筑能耗中的比例的可行性。
如果建筑中设有太阳能制冷系统，则非采暖季所收集的太阳得热可以很方便地消耗掉。但太阳能制冷系统现阶段尚不具备商业化能力。采用季节蓄热的也是一种办法，但造价较高，有时还需要采用热泵等方式二次提升使用。如果不采用以上措施在非采暖季用热，则非采暖季的太阳能只有浪费掉，而且防止系统过热也是一个技术难题。
2）地埋管热泵系统的应用分析
地埋管热泵系统在济南地区部分建筑中已得到越来越多的应用。但其应用除了场地和地质条件的限制外，由于济南地区居住建筑全年供热能耗要比空调能耗高出3-4倍还要多，居住建筑中普遍存在的冷热量不均衡——地埋管系统制冷时排入土壤的热量远远低于制热时需要从土壤中吸取的热量。同时土壤的蓄热环境是比较特殊的，济南地区土壤温度正常在15-16℃，夏季冷凝器出水温度在35℃左右，冬季蒸发器出水温度在4℃左右，这就是说夏季土壤可供换热的温差在20℃，而冬季只有11℃，地埋管侧如果在非采暖季没有其他热量补充到土壤中，会导致土壤温度持续降低，系统使用过程中供热能力将逐年衰减，直至运行状况严重恶化。通过我们对济南一实际工程检测发现，在最寒冷季，土壤温度迅速降低至8℃左右，换热效率大大降低，机组能耗大幅提升，蒸发器出水温度低于3℃，导致机组報停装置启动，系统无法正常运行。
（3）太阳能-地源热泵综合供热系统的提出
本文提出的太阳能-地源热泵系统实质上可看作是以太阳能作为辅助的地埋管热泵系统。在制冷季，单独使用地源热泵进行制冷。在采暖季，优先使用更经济的太阳能供热，太阳能不足时采用地埋管热泵系统作为补充；在过渡季利用季节蓄热的手段，将太阳能系统采集的热量回灌到备用的地埋管管井中，供冬季热泵供热时取用，以提高热泵系统效率，并避免地埋管所在区域土壤冷热量不均的现象发生。
2系统主要运行模式
本系统是集团公司的一个节能示范项目。结合太阳能—土壤源热泵系统的功能特点,针对北方地区，特别北方沿海地区建造的。原理图如图1 所示。为了最大限度的利用太阳能,充分发挥太阳能-地源热泵系统的节能优势,提高系统运行的性能系数,当室外气象条件变化时,系统启动对应该条件下的运行模式。本系统主要有5 种运行模式:
1）水箱蓄热系统。当T1-T2〉10度，开启水泵P1，向水箱蓄热；当T1-T2〈2度，关闭水
泵P1。针对室外环境变化较大，防止在恶劣天气和夜晚蓄热水箱热量散失。
2）太阳能供热系统。当T3〉60度，开启水泵P2；当T3〈40度，关闭太阳能供热系统，关闭水泵P2。这种运行模式用在供暖过渡季晴天,室外温度相对较高,房间热负荷较小,白天太阳辐射较强，集热器热量较大，系统内载热介质的温度较高，超过了直接供暖的温度要求时。此时在太能能直接供暖的同时把多余的热量储存在虚热水箱中，以便夜间用蓄热水箱进行供暖。
图1太阳能—地源热泵系统原理图
3）过渡季蓄热系统。当T3〉50度，开启水泵P4；当T3〈25度，关闭水泵P4；在过渡季节，将太阳能的跨季节蓄热结合到地源热泵的地下埋管换热器系统中，使地下土壤换热器与地下蓄能合二为一。将丰富的太阳能储存于地下土壤中，提高土壤冬季热源温度，以提高地源热泵效率，实现太阳能的转移利用。
4）热泵机组制冷、供热工况。启动水泵P3、P5。夏季，热泵机组的冷凝器通过水路循
环向地埋管放热，蒸发器与风机盘管换热，使房间的热量导入地下，达到制冷目的；冬季热泵机组的冷凝器与地板采暖换热，蒸发器从地埋管吸热，使地下土壤热量传到房间。
5）卫生热水系统。淋浴时，水箱内温度低于50度时，启动电辅加热。淋浴时前，就地开启循环水泵P6.
3、太阳能-地源热泵系统应用特点与对象
（1）太阳能-地源热泵系统的应用特点
本系统可以很好地解决本文前文中所提到在济南地区居住建筑中单独应用太阳能供热和地埋管热泵系统供热所固有的非采暖季太阳能系统过热和冷热不均所带来的技术难题，最大限度地利用太阳能集热系统所采集的热量，使系统仅依靠太阳能、地热能这两种可再生能源和少量电力就可以为建筑物提供供冷供热，使在济南地区的居住建筑中利用太阳能和地埋管热泵系统进行供冷供热成为可能，一旦推广应用，可以大大节省常规能源的使用。
但是，任何技术都有其优点和局限性，在现阶段推广本系统也还存在一些问题。主要的问题有以下两个方面：
1）投资较高，回收期长
济南地区居住建筑也执行了65%的节能标准，单位面积采暖负荷已经下降，即便如此，地埋管热泵系统的造价根据地质条件的不同也将高达250-400元/m2；如果考虑到太阳能系统，太阳能-地源热泵系统的单位面积造价可能会达到350-450元/m2，远远高于常规的传统锅炉房+散热器采暖单位面积造价，在目前低廉的常规能源价格体系下市场竞争力还是有所不足，这是本系统在现阶段推广中的最大障碍。
2）系统较复杂，建设和运行的要求都较高
本文所提出的系统较为复杂，为保证各种能源的优化应用，需要在不同的季节进行相关阀门的切换，控制系统也较为复杂。因此对系统建设和运行的要求都比较高。
（2）太阳能-地源热泵系统的应用对象
在现阶段下本文所提出的太阳能-地源热泵系统主要适用于除电力以外的常规能源不能到达或所能使用的常规能源价格较高的场合，典型的建筑方式是位于济南郊区的高档别墅，以上地区通常缺少除电力以外的其他市政配套，采暖空调通常采用电辅助加热的空气源热泵，生活热水通常采用电热水器，具有制冷需求，需补充的太阳能热水系統的容量较小，系统造价可适当降低，建筑对价格的敏感性也较低，推广较为容易。
五、结论
本文结合济南地区居住建筑的具体条件，通过分析济南地区居住建筑太阳能系统与地源热泵系统应用中存在的问题，提出了太阳能-地源热泵系统结合供冷供热系统，并对系统流程、控制原理和特点及适用范围进行了分析，并给出了相关的设计方法，为太阳能和地源热泵在济南地区居住建筑中结合使用，进一步增加可再生能源在建筑耗能中的分量打下了基础。
当然，由于投资较高的原因本系统目前的适用性还受到一定局限，但从发展的眼光看，能够最大限度利用可再生能源来为居住建筑提供供热热源的本系统还是有很大的发展和应用前景，在国家的相关配套激励政策帮助下，有着重要的示范推广价值。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：济南；居住建筑；太阳能；地源热泵
Abstract: In view of the specific circumstances and requirements of the Jinan area residential building , based on the conventional solar energy system and ground source heat pump system ,this paper proposes the solar energy and ground source heat pump system for residential building, and analyzes the system flow and control strategy. This paper provides a basis for the spreading and application of the system, which is conducive to further advance the application of the renewable energy technologies in the construction.
Key words: Jinan; residential building; solar energy; heat pump
中图分类号: S214文献标识码:A文章编号：2095-2104（2012）
0 引言
地源热泵是一种利用地下浅层地热资源的高效节能环保型能源利用技术。通过输入少量的高品位电能，即可实现能量从低温热能向高温热能的转移。建筑的冷热负荷与地区的气候、房间围护结构的热工性能、空调房间的室内扰动有关,在北方地区可能出现建筑的累计热负荷远大于累计冷负荷，冬季热泵机组向地下埋管的吸热量大于夏季向地下的排热量，导致地下失衡，地下土壤温度逐年降低，所以，在此种情况下，使单一的土壤源热泵系统受到限制。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源。在太阳辐射条件良好的情况下，以太阳能作为蒸发器热源的热泵系统可以获得比空气源热泵更高的蒸发温度，其系统的供热性能系数（COP）可达4 以上。但是太阳能有两个严重不足：一是能流密度低；二是其强度受各种因素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。因此，如果能将太阳能与地源热泵构建在一起，“取长补短，合理补给”，那么能源供给系统将更适合北方寒冷地区空调系统的应用。
1 太阳能-地源热泵系统的提出
（1）寒冷地区居住建筑冷热负荷特点
在济南特别是北方沿海这样的寒冷地区，住宅的单位面积供暖设计负荷远远小于单位面积空调设计负荷。传统的空调和供暖方式要求我们对冷负荷与热负荷单独计算，而近年来地源热泵的发展，使得冷热负荷的比较研究越来越迫切。由于住宅供暖系统是连续工作，济南地区供暖期多达120天；而住宅空调系统由于地理气候和居民生活习惯，使用周期较短，间歇和局部运行为主，即使在同一户住宅中同时使用系数也较小，对整个建筑来说，系统空调的同时使用系数也较其他类型的建筑为低，户数越多，系数越小，低负荷运行占据了主要时段。这样整个采暖季的累积热负荷要远大于制冷季节的累积冷负荷。
（2）太阳能-地源热泵系统的应用分析
1）太阳能供热系统的应用分析
太阳能供热系统在居住建筑中应用的问题主要集中在如何解决系统造价较高，需要寻找合适的可靠辅助热源和如何利用非采暖季所收集的太阳得热这三个方面。
目前太阳能供热系统的辅助热源通常使用电和燃气等常规能源，在建筑全年消耗的热量中常规能源往往还要占掉40-90%，因此有必要探讨利用其他可靠的可再生能源作为辅助热源，从而提高可再生能源在建筑能耗中的比例的可行性。
如果建筑中设有太阳能制冷系统，则非采暖季所收集的太阳得热可以很方便地消耗掉。但太阳能制冷系统现阶段尚不具备商业化能力。采用季节蓄热的也是一种办法，但造价较高，有时还需要采用热泵等方式二次提升使用。如果不采用以上措施在非采暖季用热，则非采暖季的太阳能只有浪费掉，而且防止系统过热也是一个技术难题。
2）地埋管热泵系统的应用分析
地埋管热泵系统在济南地区部分建筑中已得到越来越多的应用。但其应用除了场地和地质条件的限制外，由于济南地区居住建筑全年供热能耗要比空调能耗高出3-4倍还要多，居住建筑中普遍存在的冷热量不均衡——地埋管系统制冷时排入土壤的热量远远低于制热时需要从土壤中吸取的热量。同时土壤的蓄热环境是比较特殊的，济南地区土壤温度正常在15-16℃，夏季冷凝器出水温度在35℃左右，冬季蒸发器出水温度在4℃左右，这就是说夏季土壤可供换热的温差在20℃，而冬季只有11℃，地埋管侧如果在非采暖季没有其他热量补充到土壤中，会导致土壤温度持续降低，系统使用过程中供热能力将逐年衰减，直至运行状况严重恶化。通过我们对济南一实际工程检测发现，在最寒冷季，土壤温度迅速降低至8℃左右，换热效率大大降低，机组能耗大幅提升，蒸发器出水温度低于3℃，导致机组報停装置启动，系统无法正常运行。
（3）太阳能-地源热泵综合供热系统的提出
本文提出的太阳能-地源热泵系统实质上可看作是以太阳能作为辅助的地埋管热泵系统。在制冷季，单独使用地源热泵进行制冷。在采暖季，优先使用更经济的太阳能供热，太阳能不足时采用地埋管热泵系统作为补充；在过渡季利用季节蓄热的手段，将太阳能系统采集的热量回灌到备用的地埋管管井中，供冬季热泵供热时取用，以提高热泵系统效率，并避免地埋管所在区域土壤冷热量不均的现象发生。
2系统主要运行模式
本系统是集团公司的一个节能示范项目。结合太阳能—土壤源热泵系统的功能特点,针对北方地区，特别北方沿海地区建造的。原理图如图1 所示。为了最大限度的利用太阳能,充分发挥太阳能-地源热泵系统的节能优势,提高系统运行的性能系数,当室外气象条件变化时,系统启动对应该条件下的运行模式。本系统主要有5 种运行模式:
1）水箱蓄热系统。当T1-T2〉10度，开启水泵P1，向水箱蓄热；当T1-T2〈2度，关闭水
泵P1。针对室外环境变化较大，防止在恶劣天气和夜晚蓄热水箱热量散失。
2）太阳能供热系统。当T3〉60度，开启水泵P2；当T3〈40度，关闭太阳能供热系统，关闭水泵P2。这种运行模式用在供暖过渡季晴天,室外温度相对较高,房间热负荷较小,白天太阳辐射较强，集热器热量较大，系统内载热介质的温度较高，超过了直接供暖的温度要求时。此时在太能能直接供暖的同时把多余的热量储存在虚热水箱中，以便夜间用蓄热水箱进行供暖。
图1太阳能—地源热泵系统原理图
3）过渡季蓄热系统。当T3〉50度，开启水泵P4；当T3〈25度，关闭水泵P4；在过渡季节，将太阳能的跨季节蓄热结合到地源热泵的地下埋管换热器系统中，使地下土壤换热器与地下蓄能合二为一。将丰富的太阳能储存于地下土壤中，提高土壤冬季热源温度，以提高地源热泵效率，实现太阳能的转移利用。
4）热泵机组制冷、供热工况。启动水泵P3、P5。夏季，热泵机组的冷凝器通过水路循
环向地埋管放热，蒸发器与风机盘管换热，使房间的热量导入地下，达到制冷目的；冬季热泵机组的冷凝器与地板采暖换热，蒸发器从地埋管吸热，使地下土壤热量传到房间。
5）卫生热水系统。淋浴时，水箱内温度低于50度时，启动电辅加热。淋浴时前，就地开启循环水泵P6.
3、太阳能-地源热泵系统应用特点与对象
（1）太阳能-地源热泵系统的应用特点
本系统可以很好地解决本文前文中所提到在济南地区居住建筑中单独应用太阳能供热和地埋管热泵系统供热所固有的非采暖季太阳能系统过热和冷热不均所带来的技术难题，最大限度地利用太阳能集热系统所采集的热量，使系统仅依靠太阳能、地热能这两种可再生能源和少量电力就可以为建筑物提供供冷供热，使在济南地区的居住建筑中利用太阳能和地埋管热泵系统进行供冷供热成为可能，一旦推广应用，可以大大节省常规能源的使用。
但是，任何技术都有其优点和局限性，在现阶段推广本系统也还存在一些问题。主要的问题有以下两个方面：
1）投资较高，回收期长
济南地区居住建筑也执行了65%的节能标准，单位面积采暖负荷已经下降，即便如此，地埋管热泵系统的造价根据地质条件的不同也将高达250-400元/m2；如果考虑到太阳能系统，太阳能-地源热泵系统的单位面积造价可能会达到350-450元/m2，远远高于常规的传统锅炉房+散热器采暖单位面积造价，在目前低廉的常规能源价格体系下市场竞争力还是有所不足，这是本系统在现阶段推广中的最大障碍。
2）系统较复杂，建设和运行的要求都较高
本文所提出的系统较为复杂，为保证各种能源的优化应用，需要在不同的季节进行相关阀门的切换，控制系统也较为复杂。因此对系统建设和运行的要求都比较高。
（2）太阳能-地源热泵系统的应用对象
在现阶段下本文所提出的太阳能-地源热泵系统主要适用于除电力以外的常规能源不能到达或所能使用的常规能源价格较高的场合，典型的建筑方式是位于济南郊区的高档别墅，以上地区通常缺少除电力以外的其他市政配套，采暖空调通常采用电辅助加热的空气源热泵，生活热水通常采用电热水器，具有制冷需求，需补充的太阳能热水系統的容量较小，系统造价可适当降低，建筑对价格的敏感性也较低，推广较为容易。
五、结论
本文结合济南地区居住建筑的具体条件，通过分析济南地区居住建筑太阳能系统与地源热泵系统应用中存在的问题，提出了太阳能-地源热泵系统结合供冷供热系统，并对系统流程、控制原理和特点及适用范围进行了分析，并给出了相关的设计方法，为太阳能和地源热泵在济南地区居住建筑中结合使用，进一步增加可再生能源在建筑耗能中的分量打下了基础。
当然，由于投资较高的原因本系统目前的适用性还受到一定局限，但从发展的眼光看，能够最大限度利用可再生能源来为居住建筑提供供热热源的本系统还是有很大的发展和应用前景，在国家的相关配套激励政策帮助下，有着重要的示范推广价值。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。