陆勤俭宫玖兵
苏州华造建筑设计有限公司215006
【摘要】结合长江中下游地区工程设计和已建成项目运行情况，针对不同的建筑形式和特点，从系统设计、项目运行情况，分析地源热泵和太阳能应用的多种系统形式的特点及对生态环境的影响，整理出适合长江中下游地区各自不同特点的组合方式，以便指导后续工程设计和运行。
【关键词】地源热泵太阳能可再生能源
GroundsourceheatpumpandsolarenergyandotherrenewableenergyinthemiddlelowerreachesoftheYangtzeRiverConstructionAppliedResearch
LuQinjianGongJiubing
SuzhouHuaBuildingArchitecturalDesignLimitedcompany215006
[Abstract]withthemiddlereachesareaofYangtzeRiverEngineeringDesignandprojectshavebeenbuilttorun,accordingtothedifferentarchitecturalformsandfeatures,fromthesystemdesign,projectoperationsituation,analysisofgroundsourceheatpumpandsolarenergyapplicationofmultiplesystemformsandthecharacteristicsoftheecologicalenvironmentinfluence,sortedoutfortheirdifferentcharacteristicsinthelowerreachesofYangtzeRivercombination,soastoguidethesubsequentengineeringdesignandoperation.
[Keywords]ground-sourceheatpumpsolarrenewableenergy
一、引言
能源和环境问题是全人类共同关注的问题。随着社会的发展和进步，人类对能源的消耗越来越多。我国的能源生产消费结构中煤炭始终占有较大的比重，同时常规能源的使用也给环境带来了越来越多的问题。特别是长江中下游地区,属于夏热冬冷地区，夏季气温较高,太阳辐射强度大;冬季较冷,相对湿度较大,正因为这种特殊气候特征及经济原因,节能方面工作尤为重要。因此，在长江中下游地区推广可再生能源日益紧迫。
二、地源热泵及太阳能应用中存在的问题
1、地源热泵系统在应用中存在一些问题
1.1地源热泵系统存在土壤温度场的恢复问题，即随着地源热泵系统连续长期的运行，从地下过多的取热或过多的散热，造成地下温度场的波动，降低机组的COP值，增加系统的能耗。
1.2无热响应试验，忽视设计基础资料的收集工作，地源热泵系统设计基础资料是决定地源热泵系统能否成功的关键但是令人遗憾的是这项重要的工作在以往的工程实践过程中常常被忽视由此造成系统失败或效率大打折扣的例子并非罕见。
2、太阳能在应用找那个也存在一些缺点：
2.1太阳能的能流密度低。
虽然到达地球表面的太阳能有102000TW，但即使在太阳能资源较丰富的沙漠地区，考虑到太阳集热系统的效率和热损失，每平米集热器面积实际采集到的年平均太阳能辐射照度不到100W，而且它因地而异，因时而变。
2.2太阳能具有间歇性和不可靠性。
太阳能的辐照度受气候条件等各种因素的影响不能维持常量，如果遇上连续的阴雨天气太阳能的供应就会中断。此外，太阳能是一种辐射能，具有即时性，太阳能自身不易储存，必须即时转换成其它形式能量才能利用和储存。
2.3太阳能系统与地源热泵系统联合运行的方式
地源热泵技术和太阳能技术自身存在的这些局限性，如果两种能源能够联合使用，这样能互相弥补自身的不足，提高资源利用率。根据适用建筑类型的不同，太阳能系统与地源热泵系统联合运行的方式可分为以下几种：
2.3.1热回收型地源热泵系统供空调冷热水及生活热水
该方式适用于别墅等建筑容积率低的建筑。该类建筑特性是空调冷热负荷小，需要的埋管数量少，全年土壤冷热平衡比较容易达到，无需另设置冷却塔或者辅助热源来做热平衡，降低了系统的复杂性同时也减少了初投资及运行成本；考虑到太阳能的间歇性和不可靠性，还需占用一定建面积，且生活热水需求量不大，故地源热泵系统设置热回收装置，夏季回收地源热泵冷凝热加热生活热水，冬季直接采用地源热泵制热提供生活热水，这样既充分利用了冷凝热，又能充分保证了热水的供应，故该类建筑宜采用热回收型地源热泵满足空调与生活热水的需求。该类型建筑地源热泵系统设置如图1。
该系统中夏季采用热回收方式供应生活热水，冬季供应生活热水时，先停止空调供热，待热水“烧”好后，再继续供热。因建筑物有一定的蓄热性和热惰性，所以室内温度不会有明显降低。
2.3.2地源热泵供空调冷热水及生活热水，设置冷却塔
该方式适用于酒店、会所等公共建筑。由于酒店常年需要生活热水且需求量较大，如果设置太阳能热水系统，将占用很大的建筑面积。考虑到热回收型地源热泵回收冷凝热时恶化了制冷工况，影响空调制冷效率，所以夏季设置一台热泵专门制热用于生活热水，其余机组全部运行制冷工况，这样虽然会增加一些初投资，但是通过冷却水的混合回收热量，这样既保证了热水的稳定供应，热回收时还能改善空调制冷工况，同时，过渡季节也可以单独启动制取生活热水；冬季同样利用该台热泵专门制热用于生活热水，其余制热提供空调热水。
由于该类建筑冬夏季负荷差值较大，需要计算建筑的全年动态负荷，并对土壤做热平衡分析，同时设置冷却塔做全年热平衡，保证计算周期内地埋管换热系统总释热量与总取热量应基本平衡。该系统夏季通过对地下温度场的监测，考虑优先使用地埋管还是冷却塔散热，冬季制热运行，切换管路，冷水机组冬季蒸发器侧则全部向土壤取热。
2.3.3地源热泵供空调冷热水，设置冷却塔，太阳能供生活热水
该方式适用于办公、12层及以下住宅等生活热水需求较少的建筑。平时空调系统通过地源热泵系统提供冷热量，生活热水通过设置太阳能系统就能满足需求，在太阳能不充足的天气里由其他热源进行补充。地源热泵系统热源侧设置方式与酒店设置一样，均需设置冷却塔。单设一台地源热泵机组用来夏季供冷，也可平衡土壤换热量。另设2台机组，冬季用来供热，夏季根据情况在启用冷却塔前提下部分开启地源热泵。
2．4地源热泵全年热平衡的解决
针对温度场的恢复问题，某项目采用了目前国际上最流行及权威的地埋计算软件美国GAIA公司出品的GLD2009软件进行不同情况的地埋管模拟系统运行。
三、工程概况
该工程地处夏热冬冷的长三角区域，建筑面积约为7971.74㎡，地上三层，主要功能为办公。经过鸿业暖通空调负荷计算5.0计算，空调设计计算冷负荷约为1086kW，空调设计计算热负荷约为924kW，空调系统采用地源热泵机组，空调主机采用水冷螺杆冷水机组，主机布置在地下机房内，冷媒采用R134A。
四、模拟运行各种系统形式，结果如下：
1、按252口地埋井计算，采用单UDe32地埋形式，120米井深的地埋系统。通过模拟系统运行25年计算，土壤热平衡还是可以，但土壤温度逐年上升趋势。
2、以252个90米深地埋单UDe32系统软件计算，夏季系统运行工况相当不利，地埋进机组温度为34.2°C，严重影响机组及系统能效。通过系统运行25年的模拟，土壤热平衡不是很好，土壤温度存在逐年上升趋势。
3、采用冷却塔主混合地源热泵系统，采用28%的冷负荷通过冷却塔排热，252口84米深，单UDe32地埋系统。通过模拟系统运行25年计算，系统热平衡非常好，不存在热平衡问题。
4、全部采用地埋系统，需288口101米深，单U32地埋系统。通过系统运行25年计算，热平衡还是可以，土壤温度25年内有上升趋势，但总体风险可控。
通过本试验项目，得出以下结论：
1、岩土温度监测井应尽量布置在埋管区域的中央，如埋管区域对角线的交叉点上。岩土温度监测井深度与换热井深度相当，每个监测井在不同深度布置3~4组温度传感器。
2、室内负荷计算准确性，提供年度逐时负荷计算，决定着整个项目成功几率。
3、土壤的热物参数准确性，应要求业主提供热响应测试报告，以便校核计算。
4、酒店、会所、办公、12层以下的高层住宅宜采用冷却塔主混合地源热泵系统，该方式是几种方案中热平衡最好的，宜推荐使用。
五、结论
太阳能、地热能作为可再生能源，在建筑领域的能源利用中发挥着越来越重要的作用，它们的应用是解决我国能源和环境问题的重要措施之一。地源热泵与太阳能等可再生能源在建筑中的应用运行模式，为可再生能源的合理利用提出了建议。