太陽(yáng)能輔助地源熱泵供暖實(shí)驗(yàn)研究

趙忠超，豐威仙，鞏學(xué)梅，米浩君，成 華，云 龍

(1.江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

(2.寧波工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江寧波315016)

太陽(yáng)能－地源熱泵是一種使用清潔可再生能源、環(huán)保、低能耗的理想系統(tǒng).自1956年P(guān)enrod提出太陽(yáng)能集熱器與地源熱泵組合的設(shè)想［1］并于1969年給出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程和方法后［2－3］，學(xué)者們對(duì)該類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究［4－8］.進(jìn)入21世紀(jì)，隨著世界各國(guó)對(duì)能源與環(huán)境問(wèn)題更加重視，太陽(yáng)能－地源熱泵系統(tǒng)的研究得到了進(jìn)一步的發(fā)展.文獻(xiàn)［9］首次以TRNSYS為模擬平臺(tái)，證明了在寒冷地區(qū)，混合地源熱泵系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上是可行的，節(jié)能效果明顯.文獻(xiàn)［10］通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能與地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)的模擬提出了最佳配置和運(yùn)行方式.文獻(xiàn)［11］設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能－地源熱泵復(fù)合控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多能源的綜合互補(bǔ)利用，同時(shí)，系統(tǒng)將模糊PID控制算法與自動(dòng)變頻急速相結(jié)合，提高了對(duì)采暖末端溫度的控制精度，降低能耗.

目前，針對(duì)太陽(yáng)能－地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)研究技術(shù)手段主要采用理論分析和模擬分析，而采用實(shí)驗(yàn)研究較少，缺乏太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其運(yùn)行性能缺乏足夠的認(rèn)識(shí).因此對(duì)太陽(yáng)能－地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)掌握其運(yùn)行特性，具有重要意義.文中利用寧波某公用建筑的復(fù)合系統(tǒng)，對(duì)太陽(yáng)能輔助地源熱泵供暖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，獲得了SAGSHP供暖運(yùn)行特性變化規(guī)律，驗(yàn)證了太陽(yáng)能輔助地源熱泵供暖性能優(yōu)于地源熱泵單獨(dú)供暖，SAGSHP供暖在技術(shù)上是完全可行的.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了研究太陽(yáng)能輔助地源熱泵的供暖性能，文中對(duì)寧波某公用建筑的太陽(yáng)能－地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由兩套機(jī)組參數(shù)相同的獨(dú)立的太陽(yáng)能－地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)組成，如圖1.系統(tǒng)主要包括6個(gè)部分:水源熱泵機(jī)組、地埋管換熱系統(tǒng)、空調(diào)末端系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和生活熱水系統(tǒng).其中，兩套系統(tǒng)的空調(diào)末端相互獨(dú)立，GSHP系統(tǒng)對(duì)該建筑右邊9個(gè)辦公室進(jìn)行供暖，SAGSHP系統(tǒng)對(duì)左邊9個(gè)辦公室供暖，建筑左右兩邊辦公室規(guī)格及熱負(fù)荷皆相同.系統(tǒng)的主要設(shè)備及性能參數(shù)如表1.通過(guò)四通換向閥，系統(tǒng)在供暖模式和制冷模式間轉(zhuǎn)換.

圖1 太陽(yáng)能－地源熱泵復(fù)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of experimental system

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要設(shè)備與性能參數(shù)Table 1 Main characteristics of system

2 運(yùn)行模式

通過(guò)閥門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉，該空調(diào)系統(tǒng)可進(jìn)行多種運(yùn)行模式.文中主要研究冬季工況下的GSHP供暖模式和SAGSHP供暖模式.

1)GSHP供暖模式

此時(shí)，地埋管換熱器與熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器相接，空調(diào)末端與冷凝器相接，通過(guò)制冷劑循環(huán)，不斷從地下土壤中吸收熱量供暖.從圖1可看出，當(dāng)閥門(mén)1～2，8，10和 15開(kāi)啟，閥門(mén)3～7，9及 11～14關(guān)閉時(shí)，地埋側(cè)循環(huán)水僅在蒸發(fā)器和地埋管間循環(huán)流動(dòng)，熱泵只能通過(guò)地埋管換熱器從土壤中吸收熱量，地源熱泵單獨(dú)供暖.若室內(nèi)供暖要求不高時(shí)，負(fù)荷側(cè)水泵2驅(qū)動(dòng)地埋管系統(tǒng)內(nèi)水直接通過(guò)風(fēng)機(jī)盤(pán)管供暖.此時(shí)，閥門(mén)3～4，8，10和15開(kāi)啟，閥門(mén)1～2，5～7，9和12～14關(guān)閉，地埋管換熱系統(tǒng)直接供暖.

2)SAGSHP供暖模式

在此模式下，太陽(yáng)能集熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能并將熱量轉(zhuǎn)移至生活熱水箱的熱水中.太陽(yáng)能部分的換熱采取溫差控制，即系統(tǒng)的啟停取決于熱水溫度(Thw)和地埋管回水溫度(T2).當(dāng)T2＜Thw時(shí)，閥門(mén)1～2，8，10和 13～14開(kāi)啟，閥門(mén) 3～7，9，12及15關(guān)閉，閥門(mén)11開(kāi)度由 T3，T4兩處的溫度控制，確保 T3≤60℃，T4≤25℃.如圖 1，循環(huán)水經(jīng)蒸發(fā)器換熱后，先進(jìn)入地埋管與土壤換熱，再進(jìn)入生活熱水箱中從熱水中吸收熱量，最后回到蒸發(fā)器，熱泵可從土壤和熱水中吸收熱量，太陽(yáng)能輔助地源熱泵供暖.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在冬季工況下，對(duì)GSHP供暖以及SAGSHP供暖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)期為2011年11月30日～2012年2月30日.每天早上8∶30同時(shí)啟動(dòng)兩套系統(tǒng)，分別按GSHP供暖模式以及SAGSHP供暖模式連續(xù)運(yùn)行8 h，16∶30同時(shí)關(guān)閉系統(tǒng).計(jì)量設(shè)備的性能參數(shù)見(jiàn)表2，該工程配備一個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置.運(yùn)行期間，采集裝置每隔30s自動(dòng)采集一次負(fù)荷側(cè)供回水溫度和流量、地埋管側(cè)供回水溫度和流量、熱泵機(jī)組功率及太陽(yáng)輻照度等模擬信號(hào)，通過(guò)組態(tài)軟件中的顯示模塊將采集數(shù)據(jù)圖形化.由于數(shù)據(jù)龐大，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)每天系統(tǒng)的參數(shù)變化曲線趨勢(shì)相同，故選取系統(tǒng)運(yùn)行期間具有代表性時(shí)間段(8∶30～12∶00)進(jìn)行分析.兩系統(tǒng)的地埋管回水溫度(T)隨時(shí)間變化規(guī)律如圖2.圖3為熱泵機(jī)組的某一時(shí)段的平均功率(W).表3為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中T1～T6為某一時(shí)段的平均溫度(T1為GSHP供暖地埋管供水溫度，T2為回水溫度;T3為SAGSHP供暖地埋管供水溫度，T4為回水溫度;T5為室內(nèi)供水溫度，T6為回水溫度)，v1～v2為某一段時(shí)間的平均流量(v1為負(fù)荷側(cè)流量，v2為地源側(cè)流量)，Whp1～Whp2為某一時(shí)段熱泵機(jī)組的平均功率(Whp1為GSHP供暖時(shí)機(jī)組的功率，Whp2為SAGSHP供暖時(shí)機(jī)組的功率)，G為某一時(shí)段內(nèi)太陽(yáng)輻照度.

表2 計(jì)量設(shè)備性能參數(shù)Table 2 Characteristics of measure equipments

圖2 地埋管側(cè)回水溫度Fig.2 Inlet water temperature of ground heat exchanger

圖3 熱泵機(jī)組的功率Fig.3 Power of heat pump units

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果Table 3 Experimental datum and the calculated values

從圖2可看出，SAGSHP供暖時(shí)的地埋管側(cè)回水溫度明顯高于GSHP單獨(dú)供暖.這是由于單一熱源的地源熱泵系統(tǒng)地埋管側(cè)循環(huán)水僅在蒸發(fā)器與地埋管間循環(huán)流動(dòng)，而加入太陽(yáng)能輔助熱源后循環(huán)水除了與土壤換熱外，還可從生活熱水箱的熱水中吸收熱量.地源熱泵單獨(dú)供暖時(shí)，地埋管側(cè)回水(進(jìn)入蒸發(fā)器)的平均溫度為18℃，而加入太陽(yáng)能作為輔助熱源后，地埋管側(cè)回水平均溫度升至20.4℃.

熱泵機(jī)組的功率隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖3，兩種運(yùn)行模式下的熱泵耗功曲線變化基本相同，均是隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，耗功量逐漸增大，至10∶30左右時(shí)達(dá)到最大值(SAGSHP供暖時(shí)，機(jī)組功率為4.8 kW，GSHP供暖時(shí)，機(jī)組功率為5.5 kW)，機(jī)組停止運(yùn)行30 min，之后重新啟動(dòng).地源熱泵單獨(dú)供暖時(shí)，供暖負(fù)荷主要由土壤和電能承擔(dān)，而如上所述使用太陽(yáng)能作為輔助熱源后地埋管回水溫度升高，故土壤負(fù)荷銳減，熱泵耗功也隨之減少，使用太陽(yáng)能輔助熱源供暖時(shí)的耗功量明顯少于地源熱泵單獨(dú)供暖時(shí)熱泵耗功量.地源熱泵單獨(dú)供暖時(shí)，熱泵機(jī)組的平均功率為5.3 kW，而加入太陽(yáng)能作為輔助熱源后，熱泵機(jī)組的平均功率降至4.5 kW.

熱泵機(jī)組能效比COP計(jì)算公式:

式中，Q為運(yùn)行期間供給室內(nèi)的總熱量，J;Whp為熱泵機(jī)組的瞬時(shí)功率，W.

系統(tǒng)COP計(jì)算公式:

式中:WΣP為水泵等其他設(shè)備的瞬時(shí)功率，W.供給室內(nèi)熱量的計(jì)算公式:

式中:c為負(fù)荷側(cè)循環(huán)水的比熱容，J/(kg·℃);v為負(fù)荷側(cè)循環(huán)水流量，m3/h;ρ為循環(huán)水的密度，kg/m3;T5為負(fù)荷側(cè)供水溫度，℃;T6為負(fù)荷側(cè)回水溫度，℃.

太陽(yáng)能作為輔助熱源，可利用式(4)計(jì)算集熱系統(tǒng)總集熱量［12］:

式中:Q1為太陽(yáng)能集熱器的集熱量，J;η為太陽(yáng)能集熱器的效率，η =0.8005－5.56Ti，Ti為歸一化溫差，根據(jù)參考文獻(xiàn)［13］，Ti=0.026 9;A為太陽(yáng)能集熱器采光面積，m2;G為輻照度，W/m2;t為系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間，s.

表4為實(shí)驗(yàn)研究中獲得的太陽(yáng)能輔助地源熱泵的計(jì)算結(jié)果.

表4 計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculated results

由表4可以看出，SAGSHP供暖時(shí)其機(jī)組COP以及整個(gè)系統(tǒng)的COP均比GSHP單獨(dú)供暖高，即SAGSHP供暖運(yùn)行模式的性能要優(yōu)于GSHP.SAGSHP供暖時(shí)機(jī)組和系統(tǒng)的平均COP分別為3.8和2.8，GSHP單獨(dú)供暖時(shí)機(jī)組和系統(tǒng)的平均COP分別為3.3和2.6.進(jìn)一步分析表4可得，當(dāng)土壤與太陽(yáng)能所承擔(dān)的負(fù)荷比例分別為58.1%(2408.69 kJ)與41.9%(1 736.07 kJ)時(shí)，使用太陽(yáng)能作為輔助熱源，機(jī)組和系統(tǒng)的平均 COP分別提高了15.1%和7.7%.比較空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際供熱量與理論供熱量(熱泵的能耗與地埋管吸熱量之和)，獲得熱不平衡率為7.5%，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)手段較為合理.總之，增加太陽(yáng)能輔助加熱設(shè)備后，冬季地埋管換熱器回水溫度和能效比均有較大提高.所以，從技術(shù)上來(lái)講，增加輔助加熱設(shè)備是完全可行的.

4 結(jié)論

文中采用寧波某公用建筑的太陽(yáng)能－地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)GSHP單獨(dú)供暖及SAGSHP供暖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，獲得以下結(jié)論:與單一的地源熱泵相比，當(dāng)太陽(yáng)能承擔(dān)41.9%負(fù)荷時(shí)，地埋管側(cè)回水溫度提高了2.4℃，熱泵機(jī)組耗功量減少了0.8 kW，熱泵機(jī)組的COP提高了15.1%，整個(gè)系統(tǒng)的COP提高了7.7%，SAGSHP運(yùn)行模式具有明顯的性能優(yōu)勢(shì).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SAGSHP供暖節(jié)能效果顯著，增加輔助加熱設(shè)備在技術(shù)上是完全可行的.

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