现代建筑为满足居住者的舒适要求和使用需要，应具备供暖、空调、热水供应等一系列功能。我国民用建筑的整体舒适度低于世界各发达国家，但建筑能耗已占全国能源消费总量的25%以上，接近发达国家建筑用能占全社会能源消费量1/3左右。随着经济的发展和人民生活的提高，建筑能耗还将大幅度增长。

因此，必须发展循环经济，建设节约型社会，开发利用清洁可再生能源，加快可再生能源在建筑中的应用和发展。我们通过深入的调查，潜心研究，设计出了太阳能热泵耦合跨季节蓄热供热系统。本系统不但能够满足用户冬季采暖、夏季制冷的需求，还能四季提供日常生活热水。现根据在北京市大兴区榆垡镇某村实施的工程项目案例进行浅析。

1项目概况

1.1项目背景

北京市大兴区榆垡镇某村位于永定河畔，现有农户110户，农村人口约400多人，是京郊以梨文化为特色的民俗旅游接待村。目前农户基本采用多设施、多操作点的能源供给方式：燃煤锅炉（土暖气）采暖、空调制冷、太阳能热水器供生活热水。这种传统的用能方式每年约耗煤3t以上，耗电1万kW·h以上，燃煤锅炉采暖，室内温度一般在12～15℃之间，最高可达16～17℃，不但使用效果差，污染严重，而且运营费用高。为了响应大兴区“宜居宜业”的号召，倡导低碳减排的生活方式，改善人类的生态环境，同时也为了建立农村建筑节能运行及节能技术改造的示范，榆垡镇政府将某村作为一个试点，进行无煤村改造。（无煤村即用清洁能源取代不可再生的能源——煤为人们提供生活能源，既节能又环保。）

1.2项目简介

本项目拟通过太阳能集热蓄热循环和土壤储热取热循环两大系统为村民提供供暖及热水供应热源，空调冷源。具体地源热泵、太阳能系统情况介绍如下。

1.2.1地源热泵

地源热泵是利用地球土壤所储藏的太阳能资源作为冷、热源，既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温品位热能向高温品位热能的转移，从而达到建筑空调的效果。地源热泵是一项高效节能型、环保型并能实现可持续发展的新技术，既不会污染地下水，又不会影响地面沉降。在冬天，管道内的热媒将地下的热量带出，然后通过系统导入建筑物内，同时蓄存冷量，以备夏天使用；在夏天，热量从建筑物内带出，通过系统排入地下，同时蓄存热量，以备冬天用。地源热泵在冬夏季节均能可靠地提供高品质的冷暖空气，营造一个非常舒适的室内环境。系统充分利用了地下土壤温度恒定、热能可循环再生的特点，并通过电力这一清洁能源，实现了冬季采暖、夏季制冷的两项功能。图1是地源热泵设备机房效果。

　　图1设备机房效果图

因此，选用地源热泵这一清洁能源，有利于保护人们赖以生存的环境，有利于我国环保问题的解决。

1.2.2太阳能

太阳能是可再生能源中最为普遍的一种，其利用大致可以分为热利用与光伏转换两个方向。我国在太阳能热利用技术方面已有多年的开发、利用经验。目前，我国已成为太阳能热水器生产和应用大国。

对于年日照时数大于1200h，年太阳辐照量大于3500MJ/㎡的地区，宜设计、选用太阳能热水系统。遵照的基本原则是：对太阳能资源丰富和较为丰富的地区，应在有热水供应需求的民用建筑上推广使用太阳能热水系统；对资源一般地区，应优先考虑和选择使用太阳能热水系统；资源贫乏的地区，应进行投资收益分析，并在合理的前提条件下，优先选择使用太阳能热水系统。

太阳能热水系统，是利用太阳能集热器生产热水的一种集成技术，根据其规模大小又可以分为家用太阳能热水器与太阳能热水系统。太阳能热水系统具有运行成本低、安全、清洁等优点，相对于家用太阳能热水器，运行效率及可靠性高，适合于宾馆、学校等热水需求量大的场所。国家各部委和北京市政府对太阳能热水系统的发展也给予了大力支持。

本项目通过太阳能全年集热补充常规热泵工作时造成地下土壤温度逐年降低的不足，同时提高热泵能源转换效率，节约电能，甚至随着系统使用年限的增加，冬季采暖不再使用热泵机组。

因此，选用太阳能地源热泵系统无论从经济性还是环保性，都具有十分重要的意义，夏季太阳能设备不再处于浪费状态，充分利用其功效，太阳能和热泵的组合，在地下土壤储能的帮助下，彻底实现全年能源平衡利用，而且完全使用清洁能源，对当地生态保护和环境建设是一个突破性的创新。

1.2.3设计原则

1.节约日耗费用，充分利用太阳能；

2.倡导环保；

3.节省投资，具有良好的设备投资性能价格比；

4.方便用户，所有操作全自动控制执行；

5.系统运行安全可靠，故障率低；

6.系统符合国家产业政策和技术标准，一次通过规范的检测验收。

1.2.4设计原理

由于太阳能分布与季节不匹配的特点使得太阳能利用受到限制，太阳能和地源热泵相结合，能够弥补太阳能不稳定性和间歇性的缺点，并减小太阳能集热器和地埋管换热器面积，二者联合运行能满足一定供暖要求。所以本项目通过地源热泵利用地球土壤所储藏的太阳能资源作为热泵热源，空调冷源。系统可分为太阳能集热蓄热循环和土壤储热取热循环两大系统，由地源热泵、太阳能集热器、热水箱、连接管道、控制系统等部分构成。

在冬天，管道内的液体将地下的热量抽出，然后通过系统导入建筑物内，由于冬季土壤温度较低，系统运行初期地埋管换热器周围土壤温度场得不到有效恢复，热泵效率也将降低，因此采用太阳能季节性土壤蓄热，把除冬季外收集的太阳能热量通过地埋管换热器蓄存在土壤之中，冬季再用热泵将热量从土壤中取出的补热方式进行供暖。同时蓄存冷量，以备夏季使用。在夏天，热量从建筑物内抽出，通过系统排入地下，同时蓄存热量，以备冬季使用。系统将太阳能转换成热水，将热水储存在水箱内，然后通过热水输送到发热末端（风机盘管散热器采暖、制冷），提供建筑采暖、制冷和生活热水。

1.3设计参数

1.3.1空气计算参数（见表1）

2效益分析

2.1经济性分析

该项目改造工程按每户投资约9万元，制冷和采暖年运行费用约0.25万元，采用太阳能供生活热水，完全免费，无需另外投资。按照传统方式用能的土暖气采暖装置、空调机组和热水器的费用约为4万元，制冷、采暖和生活热水的供应年运行费用约为1.13万元。通过两者对比可发现，本方案每年可节约用能费用约9千元，预计5～6a即可回收投资。

2.2环境效益分析

本工程以太阳能和地源热泵作为热泵热源、空调冷源，从能源利用的角度来讲，节能效果显著；从用户运营成本的角度来讲，明显降低了运行成本。项目实施后可减少由于燃煤所产生的粉尘、二氧化硫、氮氧化物等污染物的排放量，从而促进了社会环境保护，有利于社会的可持续发展。

根据相关数据测算，太阳能地源热泵系统使用时每户每年可节省约7.36t标准煤。本项目安装太阳能集热器和地埋管换热器系统110套，其太阳能集热器面积共2640㎡。每户每年可减少二氧化碳的排量约18.36t，减少二氧化硫排量约0.405t、减少氮氧化物排量约0.184t。

系统运行无任何污染，无燃烧、无排烟，不产生废渣、废水、废气和烟尘，不会产生城市热岛效应。

3结论

作为大兴区首个“无煤村”试点，通过地源热泵耦合太阳能供热系统储蓄能量供暖、制冷项目的设计实施，意在寻求一种新的民用采暖致冷用能方式，改变现有非环保型的采暖用能模式，建立能源利用的新体系，且本项目采用的技术符合国家和北京市关于节能、环境保护的有关规定。利用成熟的可再生能源技术，既节省了常规化石能源消耗，降低了运营成本，又有利于周边地区的大气环境治理，为在大兴地区推广使用太阳能综合利用技术，提供良好的示范作用。该项目的实施不仅是现代科学技术水平进步的重要体现，而且实现自然生态平衡、环境保护，减少了常规能源消耗，保障能源供应安全，更有利于北京市及区县的可持续发展，促进了新农村建设。