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太阳能-
地源热泵的热源性能
Y. Bi1,2, L. Chen1* and C. Wu3
本论文研究了中国天津冬季里的太阳能-地源热泵的太阳能与地源性能。结果被用于设计和
分
析的太阳能集热器和地面热交换器。太阳能-地源热泵在这个地区的使用可行性是成立的。
关键词：太阳能，地源热泵，可行性。
介绍
地源热泵（GSHP）利用地下相对稳定的温度作为热源或水槽提供热源或调节空气。
GSHP 系统寻求利用常规空气-空气热泵系统的两方面可用的功能。首先，地下环境温度缓
慢地变化，归结于其高的热质量，导致了相对稳定的源或者散热器的温度而不受较大的极
限。其次，被地面吸收的太阳能在整个冬季可以热源。
自从地源热泵的观念在二十世纪四十年代被发展，大量的理论和实验工作都完成了，实
验研究审查了具体的地源热泵系统和现场数据。理论研究已经集中于用数值方法模拟地下
盘管换热器以及研究参数对系统性能的影响。太阳能-地源热泵（SGSHP）采用太阳能集热
器和大地作为热源开始发展于 1982 年。热泵实验系统用垂直双螺旋线圈（VSDC）地下换
热器（GHX）为太阳能-地源热泵（SGSHP）利用低品位能源，这种方法已经被作者们所创
造。（图 1）
蒸汽压缩热泵的加热负荷和性能系数（COP）取决于蒸发温度和热源温度。SGSHP 采用
太阳能集热器和大地作为热源，因此，其应用主要是依靠太阳能和土壤源性能。在本论文
中，中国天津的气象数据被用来分析 SGSHP 在该区域的应用可行性。
太阳能源分析
天津的太阳能在中国处于中等水平。1966-1976
年期间天津的太阳能辐射月平均变化如
图 2
所示。结果表明，该太阳能集热器在夏天可以直接用于提供热水。在冬季，当只有太
阳能集热器收集太阳能的时候，集热效率可能太低。如果太阳能水源热泵(SSHP)被使用，
集热器将会有更高的效率，单位面积会有更多的热量被收集。在这种情况下太阳能集热器
每年都可以用于不同的季节。因此，集热器的利用效率会被提高。在供暖季节（十一月至
翌年二月），天津平均每小时太阳辐射值变化如图 3 所示。最大的太阳辐射发生在 1 月至 3
的正午 12 点以及 11 月至 12 月的上午 11 点。
保持太阳辐射和环境温度恒定，集热效率随着集热介质入口温度的降低而增加。SSHP
可降低入口温度而提高集热效率。然而，入口温度的降低意味着热泵的蒸发温度减少，导
致蒸汽压缩热泵的 COP 减少。对应 SSHP 系统的最大 COP
存在着集热介质一个最佳的入口
温度。
地源的自然温度
地源的自然温度取决于地表的温度，即太阳辐射。天津地源不同深度的自然温度如图表
4
所示。结果表明，地表温度变化与气温变化相吻合。地下温度变化滞后于气温变化，地
面温度波动小于气温波动。气温在-5℃至 26℃范围内变动，然而地表（1.6m）的温度仅仅
在 9℃至 28℃范围内变化。从 11 月到次年 2
月，地下（<1.6m）的平均温度至少比气温高
5℃。
周期性热作用下的地面温度计算的指数行为模式：
天津地表不同深度下的温度变化计算方程，结果见表 1
地下温度低于并且滞后于地表温度。滞后时间取决于深度和时间。在 2 米深的地下，在
供暖季节（11 月至次年 3 月），天津市的自然地下温度是有 39 天前的地球温度所决定的。
这表明，地源热泵系统可以最佳地匹配建筑采暖需要。
地下温度自然恢复过程中的测量结果
当换热器安装在地下，地下温度有一个自然恢复的过程，这是当换热器安装在地下时地
面温度返回到原来温度被推迟的时间。一个垂直双螺旋塑料线圈地下换热器已经被设计师
们所设计和安装。线圈管的总长度确定于 60 米以满足在冬季加热模式的需要。内部和外部
线圈的螺旋直径，就如同线圈的场地由内部和外部线圈的长度所决定的，被定为 800mm.
内
部和外部螺旋线圈都是六个环，内部和外部螺旋直径分别为 0.8m 和 2.4m。热交换器的
间
距是 0.366,高为 2.2m。GHX 所占地表面积是 4.52 平方米（参考文献
13）。热交换器如图 5
所示。
实验系统是根据加热和冷却方式而设计。该系统包括一个热泵机组，一个测量控制系统，
一个
GHX，和一个太阳能模拟系统。热泵机组是一个额定冷却负荷为 1160 瓦的商用制冷机。
有
43 个热电偶来测量制冷剂的温度，水循环以及地下温度。
在冬季基本操作方式是 SSHP
和地源热泵（GSHP）交替加热模式，即在晴天时利用
SSHP，在夜晚和阴雨天气时利用
GSHP。运作时间是从 11 月到次年 3 月。一般来说，地源
热泵运行时脉冲模式，即地源热泵运行 8 小时（16:00--24:00），地下温度恢复 12
小时
（24:00--16：00）。
地面自然温度测量点如图 5 和图 6
所示。地面温度自然恢复过程的测量结果显示在图
7-10 上。图 7 显示了深度为 1.9
米水平面上不同点的温度变化情况。请注意最初的地面温
度是在深度为 0 米。Tmax 和
Tmin 是指高和最低温度。热交器距离原地面越远，测量点和
原地面之间温度差异越大，地面温度自然恢复的过程越缓慢。图 8 反映了内部螺旋在不同
深沿径向方向的温度变化。深度较浅地面温度降低，测量点和原地面之间的温差不同程度
低增大。随着深度的减少，地面温度自然恢复的过程减缓。沿垂直方向的温度恢复率大于
沿水平方向。图 9 显示了不同深度的线圈的核心温度变化。距离初始地面越远，自然恢复
的过程越缓慢，地面温度越低。图 10 显示了原地面温度变化。
应用
SGSHP 的地面源的太阳能资源及性能分析的结果被用于
SGSHP 系统。一个由 SSHP 和
地源热泵组成的交替使用加热模式的 SGSHP
已经被研制出来并且进行了实验研究。
太阳能源分析用于太阳能集热器的设计。利用天津当地的气象数据，水平表面上一天
中不
同时刻的月平均太阳辐射是由曲线拟合方法获得的。然后，加热表面上的太阳辐射和
有效
太阳辐射能够被评估。就有效的太阳辐射而论，进入流体工作介质温度和环境温度
（白天
中后两者的可变参数），收集效率便可得到。最后，就有效辐射而言，集热器效率和
收集表
面面积，换热器的输出便可确定。计算结果已经在 SGSHP 实验系统中用于调节电热
水器的
加热负荷以及对 SGSHP 性能的实验研究。
地面源的自然温度分析是用来调整垂直 VSDC GHX 的设计参数。线圈管的总长度 Lp 取决
于 GHX 中地面和二回路之间的热传递效率。Q0 是在冬季 GSHP
处于加热模式时热量从地面
的吸收速度。Qk
是在夏季地源热泵处于冷却模式热量释放到地面的速率。Q 影响地源热泵
的经济效率。冬天加热模式时，数额较大的 Q0 会导致线圈管周围地面温度的降低，反过
来导致出口温度和蒸发温度的降低。这样结果是降低了热负荷和 COP，增加了运作成本。
同时，少量的 Q0 线圈管数量和主要投资成本的增加。Q0 和 Lp 必须由匹配压缩机和盘
管而确定的，同时要符合运作和投资成本。用一下方程：
Q。=K1K2K3KQ。a
Q。a 是制冷压缩机的制冷负荷
K 是冷负荷转换系数
K1
压缩机质量系数
K2 系统保温系数
K3 蒸发温度降低系数
K1
取决于蒸发温度 T0 和冷凝温度 TK
这里的 T。由方程（1）确定
地下温度自然恢复过程的分析作为确定 GHX 的动态温度场的边界条件。
当交替使用的
SSHP 和地源热泵符合表 2，SGSHP 性能的实验结果，即供暖季节的总
平均成绩如下：SSHP 系统的平均热负荷是 2334 瓦，平均 COP 是
2.3,；地源热泵系统对应
是 2298 瓦和 2.83；SGSHP 对应的是 2316
瓦和 2.78。
(2)
结论
中国天津冬季里，太阳能与地源能的性能在本论文中被研究。研究结果用于设计和分
析太阳能集热器和 GHX。SGSHP 性能的实验结果表明 SGSHP 在这个地区是可行的。
鸣谢
本论文得到了中国大学新世纪优秀人才计划以及中国北京理工大学博士创业基金会的
大力支持
参考文献
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13. Y. Bi Y,
L. Chen and C. Wu: Int. J. Power Sys. 2000, 20,
(3), 119-
122.
9 Temperature variations at
coil centre
10 Original ground temperature
variation
Table 2 Operation time expressed as
a percentage of available time for SSHP and GSHP
Heat pump November December January February
March Mean
SSHP 50% 31% 41% 56% 63% 50%
GSHP 50% 79% 59% 44% 37% 50%
Bi et al.
Heat source performance for solar-ground source
heat pump
Journal of the Energy Institute 2005
VOL 78 NO 4 189
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日
1