太阳能-地源热泵复合系统在温室大棚的应用(能源)
太阳能-地源热泵复合系统在温室大棚的应用(能源)
刘鹏
山东同圆设计集团有限公司
摘要：本文通过分析太阳能一地源热泵复合系统在温室大棚中的应用，介绍了太阳能，地源热泵复合系统的特点与形式，并且结合实际工程案例，总结了太阳能一地源热泵复合系统在设计中应注意的问题，包括太阳能集热器容量的确定，系统的控制策略等。分析表明，太阳能．地源热泵复合系统不仅需要精确的设计计算，还需要制定合适的运行控制策略，否则太阳能季节性蓄热系统能效比大大降低。
关键词：太阳能季节性蓄热太阳能一地源热泵复合系统温室大棚控制策略能效比
1 工程案例
温室大棚又称暖房，主要用于栽培植物蔬菜，在不适合植物生长的季节为蔬菜植物提供合适温度，在冬季由于室外温度较低，对于特殊的植物蔬菜单纯靠大棚的温室效应很难满足植物所需温度要求，因此需要增加辅助热源，该工程冬季采用地源热泵系统对温室大棚提供热量，项目位于山东省章丘市，总建筑面积468 m2，其中温室大棚384 m2，由于项目地处郊区，没有集中供热，现采用太阳能．地源热泵复合系统作为项目能源中心，冬季能源中心为办公楼、餐厅、温室大棚供暖，夏季只为办公楼餐厅供冷，设计峰值热负荷200 kW，设计冷负荷10 kW。
2 系统设计
2.1太阳能集热器面积计算
通过DeST能耗软件模拟，地源侧累计取热负荷Q取热=81000 kWh，累计排热负荷Q排热=21600 kWh，全年冷热负荷不平衡率高达73.3%，严重超出规范允许范围内。采用太阳能集热器进行夏季补热。当地七月标准日太阳能气象参数如表1：
太阳能集热器在4～10月份进行季节性蓄热，蓄热天数为210天。由于本工程埋管数量较少，考虑一定的土壤自恢复能力，集热器面积计算公式如下：
中：D为蓄热天数，取210；g为日辐射总量，4.45 kWh。
代人数据得出太阳能集热器面积A =63 m2。
2.2竖直地埋管换热器的热阻计算
1)传热介质与U形管内壁的对流换热热阻可按下式计算：
4)地层热阻，即从孔壁到无穷远处的热阻可按下列公式计算：
5)短期连续脉冲负荷引起的附加热阻可按下式计算：
2.3竖直地埋管换热器钻孔的长度计算
供热工况下，竖直地埋管换热器钻孔的长度可按下列公式计算：
根据式(7)，可计算出换热器设计钻井的长度为5202 m。
2.4冷热源机房系统流程图
冬季餐厅采用地板辐射供暖，办公楼及温室大棚采用风机盘管供暖，夏季只有办公楼存在少量冷负荷，其系统流程图如图1。
2.5太阳能季节性蓄热控制策略
为了保证系统处于高效率的蓄热状态，太阳能蓄热系统必须制定严格的控制策略，太阳能回灌供热系统采用闭式系统，太阳能集热管吸收热量后，通过设置循环水泵直接与地埋管相连进行蓄热，补充地源侧冬季地下取热量。太阳能蓄热控制系统如图2。
当集热器温度与土壤初始温度之差T3-T0>10时，太阳能蓄热水泵开启；当温度T高于40℃，为了对地埋管管材保护，弱电控制系统通过温度信号自动停止太阳能蓄热水泵；为了提高水泵的输送能效系数，当太阳能集热器热量表Q<4 kW时，水泵自动关闭。
冬季开启机组采暖时，关闭阀门1和2，太阳能集热器不再进行蓄热，而是通过阀门切换到生活热水水箱，为工人提供生活热水。在非采暖季时，打开阀门1和2，进行季节性蓄热。
3 经济性环保性分析
由于工程所在地区位于城市周边，市政供热热源无法覆盖，因此在进行经济分析时，与单体空调+燃煤锅炉的热源模式进行对比，如表2。
通过计算，该项目每年可节省运行费用7908元，回收年限为9年，经济性一般，但每年可节约相当于35152 kWh电量，可减排大量的CO2，SO2，NO2，粉尘等，具有较好的环保性。
4 总结
温室大棚采用地源热泵系统受到技术上的限制，因此需要增加辅助能源系统，本项目增加了太阳能蓄热系统，太阳能蓄热系统与机组供冷系统组成并联回路，从而解决了冷热负荷不平衡的问题。
由于太阳能集热器投资较高，在确定集热器面积时，需要进行详细的冷热负荷计算，并且结合当地太阳能气象资料。本项目中非采暖季太阳能集热器只进行季节性蓄热，在采暖季，集热器加热生活热水满足工人需求，一定程度上提高了太阳能集热器的全年利用率，降低了项目初投资，整个项目的回收年限为9年，每年还可减排大量的污染物排放。
太阳能季节性蓄热系统需要考虑相应的自动控制系统，在本项目中为了提高水泵能效比，对水泵的运行策略做了相应的控制，通过检测集热器供回水温差与水泵的流量，当集热器热量表数值低于设定值时，此时水泵输送能效比偏低，停止水泵运转；当集热器温度过高可能对地埋管管材造成的损坏，此时水泵需要关闭；当集热器热水温度与周围土壤温差达到一定值时开始蓄热。
