摘要：  在天津地区针对一建筑物设计建成太阳能、蓄热与地源热泵组合系统(SGCHPSS)的示范工程与数据采集系统。结合建筑特点与用途设计太阳能热利用与蓄热利用，将夏季丰富的太阳能储存于地下土壤中，为冬季当太阳能不足时通过热泵加以提升利用，实现太阳能的转移利用。初步实验得到夏季蓄热时：集热器进、出口温度，日蓄热时间，蓄热功率及系统耗功等。

关键字：  太阳能热利用，  

在天津地区针对一建筑物设计建成太阳能、蓄热与地源热泵组合系统(SGCHPSS)的示范工程与数据采集系统。结合建筑特点与用途设计太阳能热利用与蓄热利用，将夏季丰富的太阳能储存于地下土壤中，为冬季当太阳能不足时通过热泵加以提升利用，实现太阳能的转移利用。初步实验得到夏季蓄热时：集热器进、出口温度，日蓄热时间，蓄热功率及系统耗功等。

1 引言

能源、环境与节能已是全球面临的紧迫和重要工作，要加强新能源与可再生能源的利用，减少常规能源的消耗!实施能量短期或长期蓄存以达到能量补充和再利用目的。太阳能的蓄热与向土壤跨季节蓄热利用，可加强太阳能利用的深度与广度，将太阳能热利用变为可控和可掌握。

跨季节蓄热太阳能集中供热系统(简称CSHPSS)主要是通过一定的存储媒介，如热水型蓄热、砾石-水蓄热、埋管土壤蓄热和蓄水层蓄热等，进行太阳能量存储，以补偿太阳辐射与热量需求的季节性变化，从而达到更高效利用太阳能的目的[1~2]。在欧洲，CSHPSS系统中太阳能占总热需求量的比例已达到40~60%，CSHPSS系统已成为国际上比较流行、极具发展潜力与大规模利用太阳能的首选系统之一，并相继建造了一些示范工程[3]。

以地源热泵为中心，在对埋地换热器及与地下土壤间传热研究工作的基础上，国内对土壤的蓄能也开展了初步的研究[4~6]。

2 太阳能、蓄热与地源热泵组合系统(SGCHPSS)

2.1 SGCHPSS系统简介

在天津地区针对一建筑物建成太阳能、蓄热与地源热泵组合系统(SGCHPSS)示范工程，总建筑面积5666m2，共3层。包含有办公室、图书室、会议室等常规空调区域，和篮球馆、乒乓球室、重量训练区等休闲区域，还有游泳池、洗浴等常年需要热水供应的娱乐区域。建筑物冬季设计热负荷为433.7kW，夏季设计冷负荷为461.7kW。图1为SGCHPSS系统的组成与示范工程应用。

SGCHPSS组合系统由太阳能集热系统、地下埋管、地源热泵、热水和末端系统五部分组成。SGCHPSS系统中，太阳能集热选用600m2的平板型太阳能集热器，蓄热水箱为10m3;地源热泵系统有2台水-水式水源热泵机组，负担1层的大厅、游泳池、篮球馆等大空间的采暖空调负荷;2、3层各房间的采暖空调分别由小型的水-空气式水源热泵机组来承担。地下U型埋管换热器由60口埋深20m的双U型桩埋管和48口埋深120m的双U型井埋管组成，其中井埋管中有8口为蓄热井。

2.2太阳能集热和土壤跨季节蓄热系统

SGCHPSS组合系统将太阳能蓄热与跨季节蓄热及与地源热泵有机地结合起来。充分利用太阳能和浅层地表能，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。将夏季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。

2.3数据采集与测量

根据该示范工程建设的目的和用途，开发了一套PLC自动数据采集系统，对系统温度、流量和电耗的数据进行采集与测量，有温度测点20个、流量测点4个和功率测点3个。图2为地源热泵系统测点布置与数据采集显示画面。计算机数据采集与监控画面在工控组态软件MCGS(Monitor and Control Generated System)的基础上编写。MCGS系统在基于Microsoft的平台上运行，通过硬件设备对现场数据进行采集，经过一系列用户指定的处理方式，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、报表输出等多种方式提供采集与测量数据。

3 太阳能集热实验与分析

SGCHPSS示范工程建成后于2006年7月份开始运行，本文对2006年夏季7~9月份数据进行初步分析。数据采集期间，系统每天从9点开始运行，17点停止运行，每天运行8小时。

3.1太阳能集热温度、功率与蓄热

图3为太阳能集热器进、出口温度及集热功率变化曲线。可看到，一天中太阳能集热器的出口温度先增到一个极值，然后开始逐渐减小;集热器进口温度即为集热水箱温度，表明太阳能出口温度达到最大值后，随热水的供应，集热水箱温度(进口温度)基本上稳定不变。

从图中还可以看到11点至15点左右期间集热器的出口温度均高于50℃，持续时长约为4小时。也就是说在这个阶段集热器的出口温度均高于设定的蓄热温度为50℃，可以向地下土壤蓄热。由于测试期间水箱温度测点出问题，不能准确测定集热水箱温度，近似推算出在9月初系统的日蓄热时间至少为4个小时。9月份太阳能集热器的集热功率最大值可以达到80 kW，最大值出现在11时左右。

3.2 热水负荷与蓄热功率

图4为9月份热水功率与蓄热功率的变化，可看到洗浴热水负荷一般集中在午后与晚上，而且热水需求时间分散不固定，热水负荷平均功率约为7.0 kW。说明热水需求的不连续性和分散性，因此蓄热将是较理想的节能方式和解决措施。

上午11点左右集热功率达到最大值以后开始蓄热，蓄热初始阶段，有极少一段时间蓄热功率较大能够达到50 kW以上，这是由于土壤经过1个晚上后蓄热能力得到恢复，随着运行时间的增加，这种急剧跳跃的蓄热状况逐渐消失。每天蓄热功率集中在18~36 kW之间，平均蓄热功率约为22.9 kW，每天蓄热4~6小时。

热水负荷与蓄热之间的关系，白天热水负荷较小，故太阳能的集热量大部分可通过蓄热管蓄存到土壤中去。傍晚以后太阳能水箱温度低于设定的蓄热温度，而洗浴热水用量增加，太阳能系统主要满足洗浴负荷，无蓄热能力。表明，将夏季富余的太阳能蓄存到土壤，实现跨季节蓄热是完全可能的。

4 结论

1、在天津地区设计建设了一套太阳能、蓄热与地源热泵组合(SGCHPSS)系统实现供热空调。太阳能实现常规的热水供应，还可向地下土壤进行跨季节的蓄热，为冬季热泵利用提供更高温度的热源。

2、初步实验表明：夏季太阳集热系统在只满足洗浴热水需求时，保证率可以达到90%以上;平板集热器平均集热效率约为50.1%;9月份系统的实际蓄热功率约为22.9 kW，每天蓄热4~6小时。