独立建筑“GSHP ASHP 太阳能”多能互补供热供冷特性研究.pdfVIP

摘要

绿色、清洁能源是实现我国“双碳”目标的必由之路。本文以郑州市郊区某铁路道

班综合楼为研究对象，构建了一种“GSHP+ASHP+太阳能”多能互补系统——土壤源热

泵（GSHP）负责供暖，太阳能和空气源热泵（ASHP）协同制取生活热水，冬季太阳能

有效余热补充至土壤源热泵（GSHP）取热侧以提高蒸发器入口温度，为具有冬季供暖、

夏季供冷和全年生活热水需求且土壤源热泵制热时地下取热量远大于制冷释热量的建

筑或综合体，提供了一种有效解决冷热源问题的途径和方法。研究主要内容及结论如下。

（1）以冬季生活热水需热量确定的最佳太阳能集热面积（简称以热定板）为出发

点，对“GSHP+ASHP+太阳能”多能互补供热供冷系统运行特性研究结果显示：在短期

（第一年）运行工况下，太阳能供暖季平均集热效率为32.87%，太阳能余热有效补热情

况下地埋管进出水最低温度差值为2.67℃，供暖季平均补热率为6.41%，最高月份为

11.4%，土壤平均温度升高了0.17℃，土壤源热泵COP最大为4.48，提升了5.4%；在长

期运行工况下，以热定板余热有效补热相较于无补热系统，第10年和15年后地埋管出

水温度分别提升了0.52℃和0.71℃，土壤平均温度分别提升了0.40℃和0.61℃。以第一

年全年运行为研究对象，得出以热定板补热系统供暖季总能耗占全年总能耗的60.46%，

供冷季总能耗约占全年总能耗的25.83%；相较于无补热系统，本系统供暖季期间节电量

为521.77kW·h，土壤源热泵制热能力得到了提升；相较于无太阳能互补的空气源生活热

水系统，本系统供暖季空气源热泵节能率为8.79%。

（2）以全年土壤热平衡为基准确定的最大太阳能集热面积（简称以热平衡定板）为

出发点，对“GSHP+ASHP+太阳能”多能互补供热供冷系统运行特性进行了分析。利用

Origin中的ExpDec3目标函数对集热器面积进行拟合寻优，计算所需太阳能集热器面积

为285㎡。系统运行10年后，以热平衡定板土壤温度相较于以热定板升高了1.03℃；

15年后，相较于以热定板补热及无补热的土壤温度分别提升了1.21℃和1.82℃。首年运

行期，以热平衡定板优化后相较于以热定板，系统供暖季节电量提升了140.66%，其中

供暖季土壤源热泵节电量是优化前的2.67倍；全年生活热水平均节能率提升9.23%。

（3）对“GSHP+ASHP+太阳能”多能互补供热供冷系统研究成果进行了工程应用

分析。以拉萨地区为例，供暖季土壤源热泵节能量是郑州地区的3.97倍，以热定板和以

热平衡定板计算太阳能集热器面积分别为34.32㎡和51.00㎡，缩减了40.50%和82.10%，

太阳辐照量强度越高，冬季日照时间和采暖期越长，特别是对于我国太阳能资源丰富的

Ⅰ区和Ⅱ区，本研究越具有显著工程应用价值。相较于此，郑州地区采用本系统性价比

并不显著。

在工程化应用时，在综合考虑初投资成本和满足太阳能板放置面积的前提下，在特

定地区和场合，在以热定板和热平衡定板之间，可选取适当的太阳能集热器面积作为供

热辅助热源。此方案可缓解常年运行后由于地下取热、释热不平衡产生较大温降导致土

壤源热泵制热性能下降等问题。

关键词：GSHP+ASHP+太阳能；供热供冷；以热定板；以热平衡定板；即时补热

项目来源：河南省重大科技专项（221100320102）

Abstract

GreenandcleanenergyistheonlywaytoachieveChinasdoublecarbongoal.This

papertakesarailwayblockbuildinginthesuburbsofZhengzhoucityastheresearchobject,

andconstructsaGSHP+ASHP+solarenergymulti-energycomplementarysystem-soil

sourceheatpump(GSHP)isresponsibleforheating,solarenergyandairsourceheatpump

(ASHP)cooperateto