太陽能-土壤源熱泵復(fù)合系統(tǒng)優(yōu)化與性能分析

丁力勤

（寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院；寧夏銀川 750000）

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.05.202

太陽能-土壤源熱泵復(fù)合系統(tǒng)優(yōu)化與性能分析

丁力勤*

（寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院；寧夏銀川 750000）

本文利用瞬時系統(tǒng)模擬軟件（Trnsys）搭建了常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)及太陽能-土壤源熱泵并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)的模型，并根據(jù)不同集熱器單位面積流量和水箱體積等參數(shù)進(jìn)行了模擬計算。結(jié)果表明，土壤源熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)達(dá)3.6～3.8，具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。

太陽能；土壤源熱泵；優(yōu)化

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.05.202

0　引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源消耗量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計，社會總能耗中建筑能耗所占比例約27.6%，其中建筑采暖空調(diào)能耗和熱水能耗就將近65%。由此可以看出，建筑節(jié)能具有很大空間。為實現(xiàn)空調(diào)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，學(xué)者們提出了一種高效節(jié)能的新技術(shù)——地源熱泵系統(tǒng)[1-3]。地源熱泵系統(tǒng)采用可再生清潔能源——地?zé)崮?，降低環(huán)境污染，提高能源利用率。根據(jù)冷熱源的不同可分為地表水源熱泵系統(tǒng)、地下水源熱泵系統(tǒng)和土壤源熱泵系統(tǒng)，其中，由于土壤源熱泵系統(tǒng)[4]具有取熱不取水、無水污染、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，目前被廣泛應(yīng)用。

在寒冷地區(qū)或嚴(yán)寒地區(qū)，部分建筑的總熱負(fù)荷大于總冷負(fù)荷，因此多采用太陽能與土壤源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的方式，為建筑提供所需的冷熱量，同時在非供暖和空調(diào)季還可以提供生活熱水，這樣的結(jié)合方式不僅可以降低系統(tǒng)的費用，還能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，環(huán)保經(jīng)濟(jì)，具有較好的應(yīng)用前景。

近十年來，國內(nèi)外學(xué)者才開始著重關(guān)注太陽能與土壤源熱泵復(fù)合運行的系統(tǒng)，通過實驗和模擬兩種手段進(jìn)行系統(tǒng)、部件等各方面的性能研究[5-7]。HEPBASLI等[8]為了清晰地反映系統(tǒng)熱力性能與經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系，從火用角度分析系統(tǒng)各部件的火用效率，提出改善系統(tǒng)效率的可行性措施。CHEN等[9]對不同形式的太陽能-土壤源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)進(jìn)行建模，實現(xiàn)雙熱泵機(jī)組與太陽能集熱器動態(tài)結(jié)合的模擬計算。但由于地理位置、氣候條件及系統(tǒng)的特點不同，一般很難獲得普遍的適用方案。因此，針對不同地區(qū)、不同建筑，必須對相應(yīng)的系統(tǒng)進(jìn)行模型搭建，模擬系統(tǒng)的動態(tài)運行情況，從而獲得最優(yōu)配置。

1　系統(tǒng)模型的簡介

本文中建立了常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能‐土壤源熱泵并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)，所用到的模塊部件主要有以下6個。

1）Type 668：水‐水源熱泵機(jī)組模塊。此部件工作狀態(tài)為制熱和制冷兩種模式，即制熱模式下從土壤中吸取熱量，制冷模式下向土壤釋放熱量。水‐水源熱泵機(jī)組的制冷制熱能力是由源側(cè)和負(fù)荷側(cè)水的入口溫度決定的，因此用戶需要自己輸入兩個外部條件，即在不同源側(cè)和負(fù)荷側(cè)入口溫度下對應(yīng)的制冷量、制熱量和功率。

2）Type 747：水泵模塊。Trnsys中有很多根據(jù)不同原理編制建立的水泵部件，如定速水泵、變速水泵、變頻水泵等。這里使用的是定速水泵模型，但是需要用戶輸入外部條件，即不同流量下對應(yīng)的水頭和泵效率。

3）Type 557：地下?lián)Q熱器模塊。模型假設(shè)埋管均勻布置在蓄熱體內(nèi)，考慮了埋管內(nèi)的對流傳熱和蓄熱體的導(dǎo)熱傳熱，通過計算總體、局部、穩(wěn)定通量的溫度進(jìn)行疊加而獲得土壤溫度。此部件需要設(shè)置的參數(shù)有44個，如埋管尺寸參數(shù)、土壤物性參數(shù)和土壤初始溫度等。

4）Type 73：太陽能集熱器模塊。本研究使用的是平板型集熱器模型，由Hottel-whillier的穩(wěn)態(tài)傳熱模型計算集熱器的熱效率，并采用流量修正、串聯(lián)修正和入射角修正法對熱效率方程進(jìn)行修正。

5）Type 4：蓄熱水箱模塊。模型將水箱內(nèi)的溫度視為時間和空間上的函數(shù)，沿豎直方向?qū)⑺浞殖蒒層，每層內(nèi)部的溫度均勻，層層之間存在溫差，然后采用集總參數(shù)法對水箱內(nèi)的溫度進(jìn)行計算。

6）Type 2：溫差控制模塊。此模塊可根據(jù)設(shè)定的上下限監(jiān)測某個值的變化范圍，形成自動反饋，從而控制相關(guān)部件的啟停。

2　仿真系統(tǒng)的建立

2.1太陽能-土壤源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)的分類及原理

太陽能與土壤源熱泵相結(jié)合的復(fù)合式系統(tǒng)可以根據(jù)結(jié)合的方式分為3類。一種是串聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)，即熱泵源側(cè)的循環(huán)流體經(jīng)過埋管換熱后再進(jìn)入集熱器，如圖1；一種是并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)，即熱泵源側(cè)的循環(huán)流體一部分通過埋管換熱，另一部分通過集熱器換熱，如圖2；還有一種是混聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)，這種系統(tǒng)比較復(fù)雜，即一部分埋管利用太陽能來蓄熱，另一部分埋管給建筑提供熱量，兩部分埋管交替使用，如圖3。

圖1　串聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)

圖2　并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)

圖3　混聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)

2.2常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)及太陽能-土壤源熱泵并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)的建模

2.2.1建筑負(fù)荷計算

本文選用位于中國寒冷地區(qū)的一座辦公建筑，其空調(diào)面積為1,586.44 m2左右。設(shè)計空調(diào)季節(jié)時間為6月1日到8月31日，供暖季節(jié)時間為11月15日到次年的3月15日。利用Dest能耗軟件進(jìn)行全年動態(tài)負(fù)荷計算（見圖4），計算得總熱負(fù)荷為總冷負(fù)荷的1.73倍，見表1。

圖4　建筑全年動態(tài)負(fù)荷

表1　建筑負(fù)荷相關(guān)數(shù)據(jù)

2.2.2常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)的建模

根據(jù)建筑負(fù)荷特點，選擇符合要求的熱泵機(jī)組，需要計算出熱泵機(jī)組制冷工況下不同蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對應(yīng)的制冷量和功率，以及制熱工況下不同蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對應(yīng)的制熱量和功率。其相關(guān)性能曲線根據(jù)廠家給出的臺佳地源熱泵機(jī)組修正系數(shù)計算獲得，見圖5和圖6。

圖5　熱泵機(jī)組制冷工況性能數(shù)據(jù)

圖6　熱泵機(jī)組制熱工況性能數(shù)據(jù)

利用Trnsys中的模塊部件，搭建土壤源熱泵系統(tǒng)模型，在建立常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)模型過程中，對熱泵機(jī)組和水泵的控制至關(guān)重要。熱泵機(jī)組的制熱制冷信號切換由季節(jié)運行時間控制。而熱泵機(jī)組和水泵的運行控制由日運行時間以及系統(tǒng)回水溫度范圍決定。本文建立的系統(tǒng)中，采用軟件自帶的控制器進(jìn)行回水溫度的自動控制，使得系統(tǒng)的回水溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)變化。如冬季供暖期，當(dāng)系統(tǒng)回水溫度超過限定的溫度上限，則控制器輸出信號使得機(jī)組停止運行；當(dāng)系統(tǒng)回水溫度低于限定的溫度下限，則控制器輸出信號使得機(jī)組開啟。同理可知夏季的系統(tǒng)回水溫度對機(jī)組的啟停影響，這里不加贅述。

2.2.3太陽能-土壤源熱泵并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)的建模

在常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上并聯(lián)太陽能集熱系統(tǒng)，構(gòu)成太陽能‐土壤源熱泵并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)。

太陽能‐土壤源熱泵并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)模型中利用控制部件，實現(xiàn)熱泵源側(cè)的循環(huán)流體在規(guī)定的時間段按比例分配到埋管和集熱系統(tǒng)中，進(jìn)行熱量交換。而為防止在太陽輻射不足時循環(huán)流體通過集熱器向外放熱，必須增加一個溫差循環(huán)運行控制器。一般在集熱器出口和蓄熱水箱底部設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)集熱器出水和蓄熱水箱底部的溫差大于設(shè)定值（取5℃～10℃）時，控制器啟動循環(huán)水泵運行，集熱器可將熱量傳輸給蓄熱水箱；當(dāng)兩者的溫差小于設(shè)定值（取2℃～5℃）時，控制器控制循環(huán)水泵停止運行，即集熱系統(tǒng)停止運行。

3　系統(tǒng)性能的優(yōu)化與分析

本文在搭建太陽能‐土壤源熱泵并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)模型過程中，太陽能集熱系統(tǒng)的集熱器面積可以根據(jù)建筑負(fù)荷而確定。利用Trnsys動態(tài)模擬軟件[11-15]對太陽能‐土壤源熱泵并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)及常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行模擬計算，分別比較太陽能集熱系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)計參數(shù)取不同值時（即集熱器單位面積流量和水箱體積），供暖期間兩種系統(tǒng)的熱泵機(jī)組月平均性能系數(shù)（COP）、系統(tǒng)月平均COP以及熱泵機(jī)組和系統(tǒng)能耗等參數(shù)的變化情況，從而獲得系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)配置。

1）集熱器面積為144 m2，集熱器單位面積流量取50 kg/(h·m2)，水箱體積按照規(guī)定的集熱器‐水箱比例范圍[10]取值。比較常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)與并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)的運行性能和能耗。

圖7和圖8分別對應(yīng)水箱體積為3 m3、7.5 m3、10.5 m3和13.5 m3時，供暖期并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)與常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)的運行性能。由圖可知，供暖期并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)，熱泵機(jī)組月平均COP提升值在0.3～0.7。并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)中，當(dāng)水箱體積較小時，太陽能對熱泵機(jī)組月平均COP和系統(tǒng)月平均COP的提升效果也較小。隨著水箱體積的增大，集熱系統(tǒng)中的循環(huán)流體與熱泵源側(cè)出口的循環(huán)流體在水箱中混合更充分，換熱效果有一定的提升。當(dāng)水箱體積增加到13.5 m3時，熱泵機(jī)組和系統(tǒng)的月平均COP提升最大，最大可達(dá)到4.98和4.21左右。

圖7　集熱器單位面積流量為50 kg/(h·m2) 時熱泵COP比較

圖8　集熱器單位面積流量為50 kg/(h·m2) 時系統(tǒng)COP比較

由圖9和圖10可以看出，供暖期太陽能‐土壤源熱泵并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)的熱泵能耗和系統(tǒng)能耗都有不同幅度的降低。而在不同水箱體積參數(shù)下，當(dāng)水箱體積取13.5 m3時，由于此時的并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)的運行性能最優(yōu)，因此熱泵能耗和系統(tǒng)能耗減小的幅度達(dá)到最大。供暖期，太陽能‐土壤源熱泵并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)相比于常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)，此時并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)的熱泵機(jī)組能耗的減小值達(dá)到1,639.98 kW·h，系統(tǒng)能耗的減小值則達(dá)到2,043.57 kW·h。

圖9　集熱器單位面積流量為50 kg/(h·m2) 時熱泵能耗比較

圖10　集熱器單位面積流量為50 kg/(h·m2) 時系統(tǒng)能耗比較

2）集熱器單位面積流量取72 kg/(h·m2)，其他參數(shù)如上設(shè)置，比較供暖期間太陽能‐土壤源熱泵并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)與常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)的運行性能和能耗情況。

圖11和圖12分別是集熱器單位面積流量取72 kg/(h·m2)時，太陽能‐土壤源熱泵并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)與常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)在供暖期間的熱泵機(jī)組月平均COP及系統(tǒng)月平均COP的變化情況。由圖可以看出，供暖期，隨著水箱體積的增大，并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)的熱泵機(jī)組月平均COP及系統(tǒng)月平均COP都有不同幅度的增加，增加幅度最大分別可達(dá)到0.63及0.55左右。

圖11　集熱器單位面積流量為72 kg/(h·m2) 時熱泵COP比較

圖12　集熱器單位面積流量為72 kg/(h·m2) 時系統(tǒng)COP比較

由圖13和圖14可以看出，供暖期，當(dāng)水箱體積為13.5 m3時，熱泵機(jī)組及系統(tǒng)的月平均性能系數(shù)最大，所以此時并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)的能耗達(dá)到最低。這是因為水箱體積增大，從熱泵源側(cè)進(jìn)入水箱的循環(huán)流體與集熱系統(tǒng)內(nèi)的流體換熱更充分，增加了熱泵源側(cè)的進(jìn)口溫度，從而提高熱泵機(jī)組及系統(tǒng)的運行性能。

圖13　集熱器單位面積流量為72 kg/(h·m2) 時熱泵能耗比較

圖14　集熱器單位面積流量為72 kg/(h·m2) 時系統(tǒng)能耗比較

3）選定水箱體積為13.5 m3，比較不同集熱器單位面積流量時的系統(tǒng)性能（見圖15）。

圖15　不同集熱器單位面積流量下的系統(tǒng)COP比較

由模擬結(jié)果可知，供暖時期并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)的性能優(yōu)于常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)，而當(dāng)集熱器單位面積流量取較小值、水箱體積取較大值時，熱泵機(jī)組及系統(tǒng)的運行性能更優(yōu)。這是因為集熱器內(nèi)循環(huán)流體流動速度減慢，吸收的太陽輻射量增加，從而提高換熱效率；而水箱體積在一定范圍內(nèi)取較大值時，熱泵源側(cè)的循環(huán)流體會從太陽能集熱系統(tǒng)中吸收更多熱量，提高源側(cè)的進(jìn)口溫度，從而提升系統(tǒng)的運行性能。

通過表3可以看出，并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)的初投資相同時，當(dāng)集熱系統(tǒng)中的設(shè)計參數(shù)取值不同，相對的系統(tǒng)能耗和能源節(jié)約率都會有所變化。結(jié)果表明，集熱器單位面積流量較小時系統(tǒng)的能源節(jié)約率較高，收益也較大。

表3　不同集熱器單位面積流量的并聯(lián)復(fù)合式系統(tǒng)與常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)比較

4　結(jié)論

1）從供暖季節(jié)模擬結(jié)果看，常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)的熱泵機(jī)組COP高達(dá)4.2～4.5，而系統(tǒng)的運行性能也在3.6～3.8左右，相比一般的空調(diào)系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢，同時因?qū)Νh(huán)境無氣體水污染，環(huán)保性能也很高。

2）針對特定地區(qū)、特定建筑，建立太陽能‐土壤源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計規(guī)范來選擇相關(guān)設(shè)備的參數(shù)并不會使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳，必須進(jìn)行多組參數(shù)的模擬計算。由本文的結(jié)果表明，集熱器面積為144 m2，集熱器單位面積流量在50 kg/(h·m2)，水箱體積為13.5 m3時，系統(tǒng)及熱泵機(jī)組的運行性能更優(yōu)，能源節(jié)約率更高。

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System Optimization and Performance Analysis of Solar Energy and Ground-source Heat Pump Hybrid System

DING Li-qin*
(Ningxia Construction Vocational and Technical College,Yinchuan,Ningxia 750000,China)

The models of ground-source heat pump system and the solar energy and ground-source heat pump shunt-wound hybrid system have been built by transient system (Trnsys) simulation software,and the simulation calculation has been processed according to the flow rate per unit area and water tank volume for different collectors. According to the simulation results,the coefficient of performance of the ground-source heat pump system is 3.6～3.8,and the system has advantages on energy saving,

Solar energy； Ground-source heat pump system； Optimization

*丁力勤（1988-），女，助教，碩士。研究方向：新能源。聯(lián)系地址：寧夏回族自治區(qū)銀川市西夏區(qū)寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，郵編：750000。聯(lián)系電話：18408409552。E-mail：dlqhaidai@126.com。