天津地區(qū)太陽能-土壤源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)性能研究

馬玉國(guó) 呂 建 段月強(qiáng)

1天津城市建設(shè)學(xué)院能源與安全工程學(xué)院

2上海聯(lián)創(chuàng)國(guó)際武漢分公司

天津地區(qū)太陽能-土壤源復(fù)合式熱泵系統(tǒng)性能研究

馬玉國(guó)1呂 建1段月強(qiáng)2

1天津城市建設(shè)學(xué)院能源與安全工程學(xué)院

2上海聯(lián)創(chuàng)國(guó)際武漢分公司

北方某些地區(qū)由于冷熱負(fù)荷的不平衡性，單一的土壤源熱泵系統(tǒng)受到限制。太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)是一種有效利用可再生能源的系統(tǒng)形式。本文對(duì)天津地區(qū)太陽能輻射情況、建筑全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷量及復(fù)合熱泵系統(tǒng)的制熱機(jī)組效率進(jìn)行研究，分析在天津地區(qū)太陽能-土壤源復(fù)合熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性。

太陽能土壤源熱泵機(jī)組效率節(jié)能性

0 引言

土壤源熱泵因其節(jié)能和環(huán)保性而被廣泛應(yīng)用，但是對(duì)于寒冷地區(qū)，可能出現(xiàn)建筑的熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于冷負(fù)荷，冬季熱泵機(jī)組向地埋管的吸熱量大于夏季向地下的排熱量[1]。為了滿足冬季熱負(fù)荷的需要，勢(shì)必要加大地?zé)釗Q熱器的配置，造成系統(tǒng)初投資的增加，而且由于冬夏季冷熱負(fù)荷的不平衡造成了地下溫度場(chǎng)的變化，導(dǎo)致了熱泵機(jī)組效率的下降，所以，單一的土壤源熱泵系統(tǒng)受到限制。太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)是一種復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，既能有效解決土壤源熱泵長(zhǎng)期運(yùn)行引起土壤溫度的變化，保持土壤溫度的穩(wěn)定性，又能彌補(bǔ)太陽能的不穩(wěn)定性、間歇性的缺點(diǎn)[2]，實(shí)現(xiàn)連續(xù)供暖和供應(yīng)生活熱水。

國(guó)外對(duì)土壤源熱泵的研究較早，而對(duì)太陽能-土壤源熱泵復(fù)合熱泵系統(tǒng)的研究則不多；國(guó)內(nèi)只在近幾年才開始對(duì)土壤源熱泵、太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行基礎(chǔ)性研究，基本上處在起步階段，尤其針對(duì)北方某一確定地區(qū)的研究更少。本文以天津地區(qū)的氣候條件及建筑冷熱負(fù)荷為切入點(diǎn)分析太陽能-土壤源復(fù)合熱泵系統(tǒng)在天津地區(qū)的可行性，并通過模擬以及實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)復(fù)合熱泵的機(jī)組效率及節(jié)能性與單一土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行比較，研究復(fù)合熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的合理性。

1 天津地區(qū)太陽能資源分析

據(jù)估算，我國(guó)的陸地表面每年可接收的太陽輻射能大約為50×1018kJ，太陽能年輻射總量達(dá)335～837 kJ/cm2·a，可折算為2.4×104t標(biāo)準(zhǔn)煤，屬于太陽能資源豐富的國(guó)家。根據(jù)我國(guó)的太陽能資源分布，可劃分為五類地區(qū)[3]。天津?qū)儆诙惖貐^(qū)，近30年太陽總輻射量的平均值約為5966MJ/m2，其中太陽輻射量最大值約為6409.7MJ/m2，最少則僅為5400.4MJ/m2。天津地區(qū)太陽輻射量較大，為太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)提供了便利條件。實(shí)行土壤源熱泵和太陽能的聯(lián)合運(yùn)行，不僅充分利用太陽能這一可再生能源，彌補(bǔ)了太陽能不穩(wěn)定、密度低的缺陷，而且可解決土壤溫度下降的問題。深入研究太陽能與土壤源熱泵結(jié)合的復(fù)合源熱泵系統(tǒng)對(duì)社會(huì)節(jié)能有較為深遠(yuǎn)的意義。

2 理論分析

2.1 TRNSYS模型建立

太陽能-土壤源復(fù)合熱泵系統(tǒng)的模型建立由四部分組成分別為：建筑模型、土壤源熱泵系統(tǒng)、太陽能系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。其主要應(yīng)用的模塊有：全玻璃真空管集熱器模塊、循環(huán)水泵模塊、蓄熱水箱模塊、地埋管換熱器以及暖通HVAC等。土壤源熱泵系統(tǒng)主要有：熱泵機(jī)組模塊、循環(huán)水泵模塊、地埋管模塊。TRNSYS模型如圖1。

圖1 Trnsys模型建立

2.2 模擬結(jié)果分析

本文選取的建筑位于天津地區(qū)，建筑面積為1600m2。用TRNSYS模擬軟件模擬天津地區(qū)該建筑的全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷，根據(jù)天津地區(qū)的氣候特點(diǎn)設(shè)定其供暖季為：11月15日到第二年的3月15日總計(jì)為120天，夏季空調(diào)季為6月15日到9月13日，共計(jì)90天，其他時(shí)間為過渡季節(jié)。供暖季室內(nèi)的設(shè)定溫度為18℃；其通風(fēng)次數(shù)為0.5次/h。其冬季模擬結(jié)果如圖2?？照{(diào)季室內(nèi)的設(shè)定溫度為26℃，其通風(fēng)換氣次數(shù)為1.0次/h。夏季冷負(fù)荷的模擬如圖3。

圖2 夏季冷負(fù)荷模擬結(jié)果

圖3 冬季熱負(fù)荷模擬結(jié)果

由圖2、3可知空調(diào)季的冷負(fù)荷峰值比較大，但是其高峰值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)比較少，而且冷負(fù)荷波動(dòng)比較大；而冬季的熱負(fù)荷峰值小于夏季的冷負(fù)荷峰值，但冬季比較穩(wěn)定，甚至連續(xù)幾天的負(fù)荷值都接近，這樣就造成了冬季的累計(jì)熱負(fù)荷要遠(yuǎn)大于夏季的累計(jì)冷負(fù)荷如表1。

表1 建筑物冬夏季負(fù)荷比較

建筑物冬季累計(jì)熱負(fù)荷為3996.8kW·h，夏季的累計(jì)冷負(fù)荷為1630.5kW·h；根據(jù)土壤源熱泵冬季設(shè)計(jì)工況COP=3.5、夏季設(shè)計(jì)工況COP=4可得：冬、夏季吸排熱量累計(jì)分別為：2854.6 kW·h、2039.2kW·h，冬夏季的吸熱量與排熱量之差是815.4 kW·h，其不平衡率為39.9%。

由于天津地區(qū)的冷熱負(fù)荷不平衡，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致土壤溫度下降從而破壞土壤層溫度場(chǎng)，土壤源熱泵長(zhǎng)期單獨(dú)運(yùn)行就會(huì)使土壤溫度下降，甚至土壤中的水分結(jié)冰從而造成植物的死亡、破壞生態(tài)平衡[4]。以20年為運(yùn)行周期，通過TRNSYS軟件建立的土壤源熱泵運(yùn)行模型，連續(xù)運(yùn)行20年后土壤平均溫度和地埋管出水溫度見圖4。

圖4 單一土壤源熱泵運(yùn)行20年地下溫度變化情況

由圖4可以看出，長(zhǎng)期單獨(dú)運(yùn)行土壤源熱泵時(shí)土壤溫度是逐年下降的，充分利用天津地區(qū)豐富的太陽能資源，不僅克服熱泵長(zhǎng)期運(yùn)行造成土壤溫度的下降問題，給土壤溫度一個(gè)恢復(fù)期，而且可達(dá)到節(jié)能的目的。

圖5、6分別為土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能-土壤源復(fù)合熱泵系統(tǒng)的COP隨時(shí)間變化的模擬結(jié)果，由圖可看出太陽能-土壤源復(fù)合熱泵系統(tǒng)的COP明顯要比單一土壤源系統(tǒng)的COP高，復(fù)合源熱泵的COP值最大可達(dá)到4.7左右，而土壤源熱泵的COP值最高才達(dá)到3.3左右，由此可以看出復(fù)合源熱泵相對(duì)于單熱源的熱泵的節(jié)能性有明顯的優(yōu)勢(shì)，通過計(jì)算，其節(jié)能率可達(dá)到30%左右。

圖5 單一土壤源熱泵系統(tǒng)COP隨時(shí)間變化曲線

圖6 太陽能-土壤源復(fù)合熱泵系統(tǒng)的COP隨時(shí)間變化曲線

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)建立

試驗(yàn)系統(tǒng)主要有四部分組成：熱泵機(jī)組、測(cè)量控制系統(tǒng)、地埋管及太陽能集熱器。系統(tǒng)圖如圖7。末端裝置為采暖地盤管。

圖7 太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供暖系統(tǒng)圖

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

由天津地區(qū)太陽能資源分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知天津地區(qū)的太陽能輻照強(qiáng)度在11:00～13:00時(shí)為最強(qiáng)的，在此時(shí)間段如果條件允許可以采用太陽能供暖，在7:00～9:00、14:00～19:00時(shí)由于太陽輻照強(qiáng)度比較弱此時(shí)段必須運(yùn)行土壤源熱泵以保證用戶需求，夜間需單獨(dú)運(yùn)行土壤源熱泵系統(tǒng)供暖。圖8可以看出太陽能側(cè)的回水溫度在8.2℃左右，在11:00后水溫開始趨于穩(wěn)定狀態(tài)，溫度波動(dòng)變化不大穩(wěn)定在20℃左右，在15:30以后由于太陽輻照強(qiáng)度的下降，集熱器的產(chǎn)熱也開始下降。

圖8太陽能集熱器的進(jìn)出口水溫圖

圖9 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)，熱泵機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)的出水溫度為6.5℃，蒸發(fā)器側(cè)的進(jìn)水溫度為10.6℃。由圖9可以得到地埋管系統(tǒng)在初運(yùn)行時(shí)地埋管系統(tǒng)內(nèi)水的溫度較高，分析其原因主要是：剛開始運(yùn)行土壤中儲(chǔ)蓄的熱量充足以致水溫接近土壤的溫度，造成了淺層地埋管內(nèi)水的溫度較高。由圖9可以看出進(jìn)出口水溫波動(dòng)比較大其主要原因是：其熱源的不穩(wěn)定性，造成了水溫波動(dòng)比較大。

圖9 土壤源蒸發(fā)器側(cè)的供回水溫度

由圖10實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知熱泵機(jī)組蒸發(fā)器平均出水溫度為8.2℃，蒸發(fā)器平均進(jìn)水溫度為13.2℃，采用太陽能-土壤源復(fù)合熱泵的系統(tǒng)的蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)水溫度明顯要高于單獨(dú)的土壤源側(cè)，這就使系統(tǒng)的COP值提高，而且其波動(dòng)的頻率小于單獨(dú)的土壤源說明太陽能的加入提高了系統(tǒng)熱源的穩(wěn)定性。

圖10 復(fù)合源側(cè)的供回水溫度

圖11所示土壤源與復(fù)合源熱泵系統(tǒng)的COP值。由圖11可知太陽能-土源熱泵的COP明顯高于土壤源熱泵，當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度在最大值時(shí)兩種運(yùn)行方式的COP差值明顯增大如圖所示即：兩曲線的間距比曲線兩端較大，當(dāng)輻射角度較弱時(shí)，兩曲線之間的間距減小，兩種運(yùn)行模式的COP差值減小，由此可以推出太陽能輻射強(qiáng)度的大小對(duì)太陽能-土壤源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用以及其節(jié)能性起著至關(guān)重要的作用。從節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用的角度考慮復(fù)合源熱泵系統(tǒng)明顯優(yōu)于土壤源熱泵系統(tǒng)。

圖11 復(fù)合源熱泵與土壤源熱泵的COP

4 結(jié)論

1）從天津地區(qū)的太陽輻射情況及天津地區(qū)建筑全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷量為切入點(diǎn)，太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)存在必要性。

2）通過分析天津地區(qū)太陽能資源與實(shí)測(cè)太陽能輻射值，在冬季初期，可以單獨(dú)采用太陽能采暖，不僅充分利用這一可再生能源，達(dá)到節(jié)能的目的，而且給土壤溫度場(chǎng)一個(gè)恢復(fù)期。

3）通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)COP要高于單一土壤源熱泵系統(tǒng)，復(fù)合源熱泵系統(tǒng)比單一土壤源熱泵系統(tǒng)更節(jié)能，其節(jié)能率可達(dá)到30%左右。

[1]王雁生,王成勇.太陽能+地源熱泵并聯(lián)熱水系統(tǒng)冬季運(yùn)行特性研究[J].通空調(diào),2009,39(9):70-74

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The Pe rfo rm an c e Ana lys is o f So la r Ene rgy-G round Sou rc e Com b ined w ith Hea t Pum p Sys tem in Tian jin Reg ion

MA Yu-guo1,LV Jian1,DUAN Yue-qiang2
1Schoolof Energy and Safety Engineering,Tianjin InstituteofUrban Construction
2 ShanghaiNew InternationalWuhan Branch

Because of the imbalance in cold and hot load in northern China,the application of single soil source heat pump system is lim ited.The solar energy assisted heat pump system is a kind of effective form to take advantage of renewable energy source.The solar radiation,building all-year hourly cooling and heat load and the unitefficiency of composite heatpump were discussed,and the performance of solarenergy-ground source combined heatpump system in Tianjin regionwasanalyzed.

solarenergy,soilsource heatpump,unitefficiency,energy-saving

1003-0344（2014）02-044-4

2013-4-23

馬玉國(guó)（1987～），男，碩士研究生；天津市西青區(qū)津靜公路26號(hào)天津城市建設(shè)學(xué)院能源與安全工程學(xué)院（300384）；E-mail:cjmyg1987@163.com