SGCHPS土壤蓄熱供熱供冷效果分析

呂 超，鄭茂余

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090哈爾濱，lvchao-929@163.com)

供熱季:

太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)(Solar-ground coupled heat pump system，SGCHPS)是一種新型的供熱供冷系統(tǒng)，以太陽能和淺層地?zé)崮茏鳛閺?fù)合熱源，而淺層地?zé)崮芤仓饕獊碜杂谔栞椛鋄1].太陽能集熱器和土壤換熱器(Ground heat exchanger，GHE)的有機(jī)結(jié)合，不僅提高了系統(tǒng)的靈活性，而且彌補(bǔ)了單一熱源熱泵供熱量不足的缺點(diǎn).SGCHPS被認(rèn)為是21世紀(jì)一項(xiàng)最具有發(fā)展前途的、具有節(jié)能和環(huán)保意義的空調(diào)技術(shù).

為使SGCHPS能夠長期高效地運(yùn)行，就需要保持地下土壤以年為周期的熱平衡.特別是對于冬夏負(fù)荷不平衡地區(qū)，向土壤中補(bǔ)充熱量或冷量(輔助熱源或冷源)是非常重要的.在嚴(yán)寒地區(qū)，建筑物的熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于冷負(fù)荷，即使復(fù)合熱源也很難滿足供熱要求，這時就需要補(bǔ)熱.在SGCHPS現(xiàn)有裝置的基礎(chǔ)上，可利用季節(jié)性太陽能土壤蓄熱把除冬季外收集的太陽能通過GHE蓄存在土壤之中，冬季再用熱泵將熱量從土壤中取出進(jìn)行供熱.在夏季，由于土壤溫度較低，可以作為冷源直接對建筑進(jìn)行供冷.目前，這方面的研究主要還是集 中 于 理 論[2-4]、模 擬[5-7]和 小 型 實(shí) 驗(yàn) 研究[8-10]等方面，缺乏長期系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究.本文以實(shí)際的示范工程為平臺，對嚴(yán)寒地區(qū)獨(dú)立建筑進(jìn)行了為期3年的蓄熱、供熱、供冷長期實(shí)驗(yàn)，得到了大量反映系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過整理和分析得出的結(jié)果，可為今后此領(lǐng)域的研究提供重要的參考依據(jù).本文主要介紹實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成和運(yùn)行原理，并分析系統(tǒng)的供熱供冷效果，而土壤熱平衡和系統(tǒng)熱量利用等問題將在后續(xù)文章中繼續(xù)闡述.

1 示范工程與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2007年秋季，嚴(yán)寒地區(qū)太陽能-土壤源熱泵供熱供冷示范工程在哈爾濱市松北區(qū)(北緯45°45'，東經(jīng) 126°46')建成.示范樓共 3 層外加閣樓，為獨(dú)立式住宅，占地面積165 m2，供熱供冷面積為496 m2，外墻、屋頂和地面分別采用150 mm、150 mm和30 mm苯板保溫，外窗采用鋁塑復(fù)合三玻節(jié)能窗.

SGCHPS在夏季由于冷負(fù)荷較小，一部分GHE直接供冷，另一部分GHE進(jìn)行太陽能土壤蓄熱;春、秋過渡季節(jié)也同樣利用太陽能集熱器進(jìn)行太陽能土壤蓄熱.這樣土壤源熱泵就可以利用1年3季儲存到土壤中的熱量在冬季對建筑物進(jìn)行供熱，實(shí)現(xiàn)太陽能的多季利用.而太陽能也能夠在冬季部分時間進(jìn)行直接供熱，這樣就做到了利用全年的太陽能.

SGCHPS主要由4個子系統(tǒng)組成，分別為太陽能集熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組、地下土壤換熱系統(tǒng)和地板輻射供熱供冷系統(tǒng)，如圖1所示.太陽能集熱器采用自行研制的高效平板型太陽能集熱器，安裝于屋頂，正南方向布置，傾角為60°，冬季為防止太陽能集熱器和連接管道內(nèi)結(jié)冰，循環(huán)流體采用防凍液(乙二醇水溶液)，其他季節(jié)循環(huán)流體采用水.熱泵機(jī)組額定輸入功率為3.7 kW，制冷劑為R22.輻射地板內(nèi)盤管采用耐熱聚乙烯(PE-RT)管，直徑為20 mm，循環(huán)流體為水.GHE由12根垂直單 U型管組成，管材為高密度聚乙烯(HDPE)管，直徑為32 mm，深50 m，布置在建筑物正下方，換熱井鉆孔直徑為0.1 m，GHE和鉆孔之間的填充材料為沙土，間距和排列形式如圖2所示.GHE分2組并聯(lián)連接，6根一組，在夏季供冷時也可同時進(jìn)行蓄熱.位于建筑物邊界以外的鉆孔為觀測井，用于觀測土壤溫度的變化.為防止冬季熱泵取熱時蒸發(fā)溫度過低導(dǎo)致的GHE和連接管道內(nèi)結(jié)冰，循環(huán)流體采用防凍液(乙二醇水溶液).

圖1 系統(tǒng)原理圖

圖2 GHE的布置平面圖(mm)

實(shí)驗(yàn)測量的主要參數(shù)為溫度、流量、耗電量以及太陽輻照度等，測量儀器分別為銅-康銅熱電偶、流量計(jì)、電度表、凈全輻射表等.其中，各項(xiàng)溫度通過多路巡檢顯示控制儀進(jìn)行逐時采集.系統(tǒng)管路中流體的溫度測點(diǎn)均貼于管壁外，并做保溫處理，溫度計(jì)算時考慮管壁熱阻進(jìn)行修正.室內(nèi)溫度測點(diǎn)在每層陽面和陰面房間中部各布置1個，取所有測點(diǎn)的平均值;室外溫度測點(diǎn)置于百葉箱內(nèi)，并在建筑周邊不同位置布置2個，取其平均值.土壤溫度的測點(diǎn)設(shè)置于多個深度的土壤之中，換熱井內(nèi)設(shè) 5、10、20、30、40、50 m 共 6 個溫度測點(diǎn)，觀測井內(nèi)設(shè)5、30、50 m共3個溫度測點(diǎn)，且土壤中熱電偶的測頭處涂有防腐材料.

2 SGCHPS運(yùn)行模式及控制

系統(tǒng)進(jìn)行了以年為周期的蓄熱、供熱、供冷實(shí)驗(yàn)，已連續(xù)運(yùn)行3年，效果良好.系統(tǒng)3年各運(yùn)行季時間見表1.而在2008年4月份開始蓄熱前，系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了短期的供熱實(shí)驗(yàn).

表1 系統(tǒng)3年各運(yùn)行季時間

SGCHPS可以根據(jù)不同需要實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式，本實(shí)驗(yàn)中初步選定以下4種，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動控制運(yùn)行.模式1:太陽能土壤蓄熱(太陽能環(huán)路P1—SC—ET—PHE2與土壤環(huán)路 PHE2—GHE—P3運(yùn)行);模式2:太陽能直接供熱(太陽能環(huán)路P1—SC—ET—PHE1與輻射地板環(huán)路 PHE1—RF—P2運(yùn)行);模式3:土壤源熱泵供熱(土壤環(huán)路GHE—P3—HP與輻射地板環(huán)路HP—RF—P2運(yùn)行);模式4:土壤冷源直接供冷(土壤環(huán)路GHE2—P4—PHE1與輻射地板環(huán)路PHE1—RF—P2).

實(shí)驗(yàn)中各子系統(tǒng)的啟停均由溫度傳感器、電磁閥通過太陽能集熱器出口管外壁溫度tsco和室內(nèi)溫度ti進(jìn)行控制，具體的控制方法為

蓄熱季:

供熱季:

供冷季:

其中:tsc為太陽能集熱器出口管外壁控制溫度，在蓄熱季的6—8月設(shè)為30℃，在蓄熱季的其他時間設(shè)為25℃，在供熱季設(shè)為24℃;thl為供熱季室內(nèi)溫度控制下限，設(shè)為18℃;thu為供熱季室內(nèi)溫度控制上限，設(shè)為20℃;tcl為供冷季室內(nèi)溫度控制下限，設(shè)為24℃;tcu為供冷季室內(nèi)溫度控制上限，設(shè)為26℃.

一般認(rèn)為，在供熱季室內(nèi)溫度高于控制下限(18℃)，在供冷季室內(nèi)溫度低于控制上限(26℃)，即為滿足供熱和供冷的要求.將此溫度作為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，可以計(jì)算出供熱保證率和供冷保證率(滿足要求的時間與總時間的比值).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 整年蓄熱、供熱、供冷效果分析

土壤蓄熱的目的是為了冬季能夠更好地向室內(nèi)供熱，所以可以通過考察實(shí)際的供熱供冷效果來判斷系統(tǒng)運(yùn)行方式的合理性.這里主要針對第1年的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行宏觀分析.

由于太陽能直接供熱時太陽輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)日周期性變化，會導(dǎo)致載熱流體的溫度波動較大，所以這里不做具體分析.而熱泵供熱時流體溫度比較穩(wěn)定，蒸發(fā)器的進(jìn)出口流體平均溫度分別為4.46、0.73℃，冷凝器進(jìn)出口流體平均溫度分別為23.04、27.05 ℃.土壤源熱泵系統(tǒng)和輻射地板末端裝置的結(jié)合充分發(fā)揮了低溫供熱的節(jié)能效果.

土壤冷源直接供冷時，PHE1的GHE2側(cè)進(jìn)出口流體平均溫度分別為12.82、19.06℃，地板側(cè)進(jìn)出口流體平均溫度分別為21.53、15.94℃，兩側(cè)的進(jìn)出口溫差分別為6.24、5.59℃，換熱溫差較大，可見土壤溫度較低.為了避免地板表面出現(xiàn)結(jié)露，地板供回水管之間加旁通管以控制供水溫度不致過低，而混水后19.43℃的供水溫度也符合輻射地板高溫供冷的特點(diǎn).

圖3給出了供熱季室內(nèi)外日平均溫度的變化曲線.由圖可以看出，室內(nèi)溫度呈現(xiàn)出兩端高、中間低、其余時間較平穩(wěn)的變化趨勢.這一是由于室外氣溫的變化，二是由于系統(tǒng)的供熱能力大小和控制策略的選擇.在供熱初期和末期，基本是太陽能直接供熱，室內(nèi)溫度波動較大，由于室溫沒有控制模式2的運(yùn)行，太陽能供熱量大于熱負(fù)荷才導(dǎo)致了室溫普遍偏高.在供熱中期，由于嚴(yán)寒地區(qū)土壤溫度過低，導(dǎo)致了熱泵蒸發(fā)溫度過低，熱泵的實(shí)際運(yùn)行工況偏離名義工況，令制熱量在最冷月不能滿足建筑物的熱負(fù)荷，導(dǎo)致室溫低于控制下限.在整個供熱季，供熱保證率為74.5%.

圖3 供熱季室內(nèi)外日平均溫度

圖4給出了供冷季室內(nèi)外日平均溫度的變化曲線.由圖可以看出，室外溫度在這一階段波動比較大，而室內(nèi)溫度控制得相對較平穩(wěn)，而且供冷保證率達(dá)到了100%.

圖4 供冷季室內(nèi)外日平均溫度

本實(shí)驗(yàn)建筑暫時無人居住，僅供實(shí)驗(yàn)用，也就是說室內(nèi)沒有來自人員、照明、設(shè)備等帶來的熱量，這也會導(dǎo)致無論冬季還是夏季，室內(nèi)溫度都會偏低，所以應(yīng)將室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度適當(dāng)調(diào)低，才更具合理性.另外，系統(tǒng)末端裝置為輻射地板，其供熱的效果及舒適性要優(yōu)于供冷.所以可將供熱季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度調(diào)低1.5℃，即為16.5℃;將供冷季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度調(diào)低1℃，即為25℃.這時的供熱保證率和供冷保證率分別為92.0%和84.1%.

3.2 3年供熱供冷效果分析

表2列出了3年供熱供冷季室內(nèi)外的平均溫度.可以看出，雖然各年的室外溫度有所波動，但供熱季室內(nèi)平均溫度均高于室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度16.5℃，供冷季室內(nèi)平均溫度均低于室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度25℃，說明本系統(tǒng)可以滿足在哈爾濱這種嚴(yán)寒地區(qū)獨(dú)立建筑的供熱供冷需求.

表2 3年供熱供冷季室內(nèi)外平均溫度

性能系數(shù)(COP)和能效比(REE)的概念本質(zhì)是一樣的，為避免表述混亂，本文統(tǒng)一將這一概念命名為能效比，用符號ε表示.其作為一項(xiàng)重要的指標(biāo)可以用來評價系統(tǒng)的效率和節(jié)能效果，熱泵及系統(tǒng)的能效比計(jì)算公式為

式中:Q為熱量或冷量，GJ;W為耗電量，kWh;ρ為載熱流體的密度，kg/m3;V為載熱流體的體積流量，m3/h;cp為載熱流體的定壓比熱，kJ/(kg·K);Δt為進(jìn)出口載熱流體的逐時溫差，℃;τ為運(yùn)行時間，h，以整數(shù)計(jì).

表3列出了系統(tǒng)3年各項(xiàng)能效比，即熱泵供熱能效比εhp、熱泵供熱系統(tǒng)能效比εhs、太陽能供熱能效比εso、總供熱能效比εhe、含蓄熱能耗的全年供熱能效比εah、太陽能土壤蓄熱能效比εst和供冷能效比 εco.其中，εhp達(dá)到了4.3 左右，這也高于文獻(xiàn)[11]中的能效比，說明季節(jié)性太陽能土壤蓄熱和供冷排熱提高了土壤溫度，有利于冬季熱泵高效運(yùn)行.而只有循環(huán)水泵運(yùn)行的系統(tǒng)能效比更高，特別是εst已接近40，意味著只用很少的能量就能換取大量的可利用能源，這使得綜合利用太陽能和土壤源熱泵的εah也能達(dá)到6左右.同時，由于冬季取熱(相當(dāng)于蓄冷)后土壤溫度很低，土壤可以作為冷源直接供冷，不用啟動制冷機(jī)，εco可達(dá)到20以上.

表3 系統(tǒng)3年各項(xiàng)能效比

4 結(jié)論

1)在常規(guī)SGCHPS的基礎(chǔ)上，通過增加季節(jié)性太陽能土壤蓄熱的方法，維持土壤熱平衡、提高系統(tǒng)效率.經(jīng)過3年的長期系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)季節(jié)性蓄熱SGCHPS保持長期穩(wěn)定運(yùn)行，可以滿足嚴(yán)寒地區(qū)(如哈爾濱)獨(dú)立建筑的供熱供冷需求.在考慮到建筑物沒有內(nèi)熱源的熱量及輻射地板的特點(diǎn)時，該系統(tǒng)供熱供冷能夠達(dá)到室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，供熱保證率和供冷保證率分別為92.0%和84.1%.

2)季節(jié)性蓄熱SGCHPS運(yùn)行效率很高，熱泵能效比為4以上，含蓄熱能耗的全年供熱能效比達(dá)到6左右，而供冷能效比可高達(dá)20以上.

3)季節(jié)性蓄熱SGCHPS以土壤為載體，充分利用了全年的太陽能，其低品位能源的特點(diǎn)與供熱的需求匹配良好，節(jié)能效果明顯.

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