分區(qū)串并聯(lián)式 SGCHPSS 組合系統(tǒng)容量匹配與運行優(yōu)化研究

宋夢瑤 周勇 劉艷峰 ，2 田師果 楊靈艷 劉延柱

1 省部共建西部綠色建筑國家重點實驗室

2 西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

3 中國建筑科學(xué)研究院有限公司

4 山東濟(jì)安工程項目管理有限公司

0 引言

太陽能-地源熱泵跨季節(jié)蓄熱（SGCHPSS）系統(tǒng)可將太陽能通過地埋管儲存在土壤中，使土壤溫度較快恢復(fù)并提高系統(tǒng)效率[1-2]。管群串聯(lián)式SGCHPSS 系統(tǒng)換熱效率較高，且管路初投資較小[3]，但易產(chǎn)生水力不平衡[4]，且整體換熱溫差小。并聯(lián)式 SGCHPSS 系統(tǒng)換熱溫差大，且鉆孔內(nèi)熱阻小[5]，但整體換熱效率低。

為克服傳統(tǒng)SGCHPSS 系統(tǒng)的不足，本文提出管群分區(qū)串并聯(lián)式 SGCHPSS 系統(tǒng)，以提高管群換熱溫差與換熱效率，從而提高系統(tǒng)綜合性能。劉艷峰等[6]對管群分區(qū)串并聯(lián)后土壤的蓄/ 放熱特性進(jìn)行了研究，證明該形式下管群換熱性能更高。但目前管群分區(qū)面積與熱量分配對分區(qū)串并聯(lián)式SGCHPSS 系統(tǒng)性能的影響尚不明確，且系統(tǒng)在不同地區(qū)的適用性與優(yōu)化研究尚未出現(xiàn)。因此本文將針對以上兩個問題進(jìn)行研究與分析。

1 系統(tǒng)描述

分區(qū)串并聯(lián)式SGCHPSS 組合系統(tǒng)的主要組成部件及原理如圖 1（a）所示，管群連接形式如圖 1（b）所示。在非供暖季，太陽能集熱器吸收太陽輻射將循環(huán)水加熱，與供熱回水換熱后進(jìn)入蓄熱水箱，若水箱頂部高溫水達(dá)到蓄熱溫差要求，不同流量的高溫水分別進(jìn)入串聯(lián)與并聯(lián)區(qū)域的地埋管，將熱量儲存在土壤蓄熱體中，最后回到蓄熱水箱底部。在供暖季，熱量使用優(yōu)先級為：優(yōu)先采用需熱水箱直接供熱，若不滿足則開啟地源熱泵，優(yōu)先使用高溫區(qū)，待高溫區(qū)與低溫區(qū)溫度一致后，地源熱泵全管群運行，直至供熱季結(jié)束。

圖1 分區(qū)串并聯(lián)式SGCHPSS 系統(tǒng)原理圖

由于本文主要研究分區(qū)串并聯(lián)式SGCHPSS 組合系統(tǒng)的供熱性能，因此將系統(tǒng)設(shè)置于嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)，僅做冬季供暖用途，不提供生活熱水，設(shè)定供暖時間為11 月15 日至次年3 月15 日，供暖末端設(shè)計溫度為50/40 ℃，其余時間進(jìn)行太陽能跨季節(jié)蓄熱。

2 系統(tǒng)物理模型建立及供熱性能

如圖 2 所示，基于 TRNSYS-18 建立分區(qū)串并聯(lián)式SGCHPSS 組合系統(tǒng)物理模型，可通過改變地埋管的數(shù)量與連接形式和太陽能集熱面積以實現(xiàn)串聯(lián)與并聯(lián)區(qū)域以及蓄熱量差異，進(jìn)行分區(qū)串并聯(lián)式 SGCHPSS 系統(tǒng)性能模擬。

圖2 傳統(tǒng)SGCHPSS 系統(tǒng)TRNSYS 仿真模型圖

設(shè)置模擬時間步長為1 小時，則系統(tǒng)蓄熱與取熱工況的操作時間如表1 所示。

表1 操作時間表

定義 SCOP[7]為系統(tǒng)中來自太陽能與熱泵的總熱量之和與系統(tǒng)總耗電量之比：

式中：QS+H為系統(tǒng)中來自太陽能與熱泵的總熱量；Wall為SGCHPSS 系統(tǒng)在一個使用周期內(nèi)所有耗電部件的耗電量之和，包括一年內(nèi)太陽能集熱器側(cè)循環(huán)泵，蓄熱循環(huán)泵，負(fù)荷側(cè)循環(huán)泵以及地源熱泵耗電量。

同樣，定義熱泵 COP 為即地源熱泵供熱量與耗電量之比，可衡量地源熱泵機(jī)組性能。

按照如表 2 所示的串并聯(lián)面積比及蓄熱量之比進(jìn)行系統(tǒng)性能模擬，各個工況的系統(tǒng)性能如圖3。

表2 模擬工況設(shè)置表

假設(shè)土壤初始溫度 14.8 ℃，對上述各種工況分別進(jìn)行一個蓄/取熱周期內(nèi)的蓄熱與取熱工況模擬，規(guī)定取熱工況下直接取熱溫差為10 ℃，即蓄熱結(jié)束后土壤平均溫度達(dá)50 ℃以上時，采用換熱器將經(jīng)過地埋管群的熱水直接與供暖末端換熱，不滿足該條件時，開啟地源熱泵。

圖3 各工況系統(tǒng)綜合性能對比

系統(tǒng)SCOP 最高的工況為串并聯(lián)分區(qū)1:4，熱量配比3:2 的工況，此時 SCOP 為 5.2，對應(yīng)熱泵 COP 為 4.5，均高于傳統(tǒng)系統(tǒng)。故綜合來看，串并聯(lián)分區(qū)面積1:4，熱量配比3:2 時，系統(tǒng)具有較高的綜合性能。此時系統(tǒng)SCOP 較傳統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng)提高 13.0%，較傳統(tǒng)串聯(lián)系統(tǒng)提高18.1%。因此，本文在將以串并聯(lián)分區(qū)1:4，熱量配比 3:2 的設(shè)計工況進(jìn)行分區(qū)串并聯(lián)式SGCHPSS 組合系統(tǒng)的容量匹配與運行優(yōu)化研究。

3 系統(tǒng)優(yōu)化模型建立

3.1 優(yōu)化變量的確定

由于太陽能集熱面積、蓄熱水箱容積、熱泵機(jī)組容量具有耦合性，且均為主要影響分區(qū)串并聯(lián)式 SGCHPSS 組合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的容量參數(shù)[8]，因此本研究選取這3 個關(guān)鍵容量變量作為容量匹配優(yōu)化變量。另外，由于太陽能集熱器在工程中常用溫差控制法控制啟停，且集熱器側(cè)循環(huán)泵（水泵-1）開啟頻繁，直接影響系統(tǒng)運行費用，因此本文選取集熱器啟停溫差 Δt1為第一個運行優(yōu)化變量。根據(jù)分區(qū)串并聯(lián)式 SGCHPSS 組合系統(tǒng)各部分的使用原則，第 Δt1直接影 響蓄熱水箱的溫度，因此本研究將管群長期蓄熱溫差——蓄熱水箱與土壤平均溫度的溫差 Δt2作為第二個運行優(yōu)化變量。根據(jù)熱量平衡原理，當(dāng)供熱溫度高于供熱回水溫度，只要供水流量合適，即可滿足供暖負(fù)荷要求，由于系統(tǒng)設(shè)計采暖供回水溫度為 40/50 ℃，故地源熱泵的開啟溫差 Δt3為第三個運行優(yōu)化變量。容量匹配與運行優(yōu)化變量的變化范圍及計算依據(jù)如表3 所示。

表3 優(yōu)化變量的確定

表3 中：QJ為建筑耗熱量，W；f為太陽能保證率，%；Ds為當(dāng)?shù)夭膳谔鞌?shù)；Ja為當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗栞椛湔樟?，J/(m2·d)；ηcd為基于總面積的集熱器平均集熱效率，經(jīng)驗值為 30%～50%，本研究取50%；ηL為管路及蓄熱裝置熱損失率，%。根據(jù)經(jīng)驗季節(jié)性蓄熱太陽能采暖系統(tǒng)取 10%～15%，本研究取 10%；ηs為季節(jié)蓄熱系統(tǒng)效率，可取 0.7～0.9，本研究取 0.8。

3.2 優(yōu)化算法

本文的優(yōu)化算法選用遺傳算法，借鑒生物進(jìn)化優(yōu)勝略汰的自然選擇機(jī)理和生物界繁衍進(jìn)化的機(jī)理和生物界繁衍進(jìn)化的基因重組、突變的遺傳機(jī)制的全局自適應(yīng)概率搜索算法[13-14]?；谶z傳算法的基本原理，本文目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化流程為：首先采用二進(jìn)制編碼隨機(jī)生成一個包含若干個體的初始群體，每個個體由設(shè)定的優(yōu)化變量來表示其特征。接下來將每個個體帶入優(yōu)化目標(biāo)（適應(yīng)度函數(shù)），計算出其全生命周期運行費用（適應(yīng)度值），并判斷是否滿足終止條件，若滿足則輸出最佳個體及對應(yīng)的最優(yōu)解，并結(jié)束優(yōu)化過程。否則按照適應(yīng)度值進(jìn)行選擇，淘汰適應(yīng)度低的個體，選擇適應(yīng)度高的個體，再經(jīng)過交叉和變異獲取新一代的個體，之后用適應(yīng)度函數(shù)來計算新個體的適應(yīng)度值，直至滿足條件。遺傳算法的優(yōu)化計算過程如圖4[15]：

圖4 遺傳算法的優(yōu)化計算過程

3.3 數(shù)學(xué)模型 3.3.1 目標(biāo)函數(shù)

本研究以分區(qū)串并聯(lián)式 SGCHPSS 組合系統(tǒng)全生命周期費用最小作為目標(biāo)函數(shù)：

式中：CCO為太陽能集熱器的單價，元/m2；RHP為地源熱泵的額定制熱量，kW；CHP為地源熱泵機(jī)組單位制熱量的設(shè)備費用，元/kW；CFJ為管路附件、水泵等成本費用，元；CGQ為地埋管群初投資，元。

集熱系統(tǒng)的運行費用由集熱循環(huán)泵耗電量決定，地源熱泵機(jī)組的運行費用由其機(jī)組和熱泵循環(huán)耗電量決定，用戶側(cè)的運行費用由用戶側(cè)循環(huán)水泵的耗電量決定。故系統(tǒng)運行費用如下：

式中：WCO為集熱器側(cè)循環(huán)泵-1 耗電量，kWh；WST為水箱側(cè)循環(huán)泵-2 耗電量，kWh；WGQ為管群前側(cè)加壓泵-3 耗電量，kWh；WHP為熱泵機(jī)組耗電量，kWh；WHPX為熱泵循環(huán)耗-4 電量，kWh；WMD為系統(tǒng)末端循環(huán)泵-5 耗電量，kWh；ME為系統(tǒng)所在地區(qū)電價，元/kWh。

3.3.2 約束條件

3.3.2.1 熱平衡約束

熱平衡約束表示熱量供給和需求之間的關(guān)系，系統(tǒng)的每個時刻都要滿足熱平衡。

式中：QHX為集熱系統(tǒng)經(jīng)換熱盤管與水箱的有效換熱量，W；QHP為地源熱泵制熱量，W；QBD為建筑熱負(fù)荷，W；QST為蓄熱水箱蓄熱量，W；QE為系統(tǒng)熱損失，W。

3.3.2.2 太陽能集熱器約束

1）有效集熱量約束

太陽能集熱器制熱量受限于太陽能集熱器面積、太陽能集熱器采光面太陽輻射量。

式中：FR為集熱器熱轉(zhuǎn)移因子，無量綱；ACO為集熱器總面積，m2；G為太陽能集熱器采光面的太陽輻照強(qiáng)度，W/m2；(τ α)e為有效投射吸收積，無量綱；UL為太陽能集熱器的總熱損失系數(shù)，W/(m2·℃)；TCO,i為逐時集熱器進(jìn)水溫度（逐時蓄熱水箱底部溫度），℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；cf為集熱工質(zhì)的比熱，J/（kg·℃）；mJR為集熱循環(huán)質(zhì)量流量，kg/m3；TCO,o為逐時集熱器出水溫度，℃。

2）有效換熱量約束

式中：KHX為水箱中換熱盤管的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；AHX為水箱中換熱盤管的換熱面積，m2；TST,l為蓄熱水箱底部水溫，℃。

3）集熱器啟停約束條件

本研究中對于集熱器的循環(huán)控制采用溫差控制的方式，即集熱器出口溫度與入口溫度高于某一定值時，集熱器側(cè)循環(huán)水泵（水泵-1）開啟，采用強(qiáng)制循環(huán)使集熱器高溫水與供熱回水換熱以帶走集熱器內(nèi)的熱量。由于循環(huán)水泵的開啟直接影響系統(tǒng)運行費用與蓄熱效率，現(xiàn)認(rèn)為集熱循環(huán)泵的停機(jī)溫差為1 ℃，并將集熱器啟動溫差Δt1設(shè)置為待優(yōu)化變量，則集熱器循環(huán)泵（水泵-1）的啟停條件為：

式中：S1(τ)為集熱器循環(huán)泵啟停信號，無量綱，取值 0/1，1 為開啟，0 為停機(jī)；TCO,o為集熱器出口水溫，℃ ；TCO,i為集熱器入口水溫，℃ 。

4）集熱器安全溫度限值

本研究設(shè)定分區(qū)串并聯(lián)式SGCHPSS 組合系統(tǒng)位于寒冷地區(qū)，因此為防止集熱器凍裂，在集熱器控制中設(shè)計自動排空方法[11]，以便在日落后或者在多云的天氣條件下將水從太陽能集熱管道中排除，并在天氣晴好的條件下將換熱后的太陽能回水壓入管道。本研究中默認(rèn)回水最低溫度限值為35 ℃，即：

3.3.2.3 管群蓄熱約束條件

地埋管群在蓄熱季進(jìn)行長期蓄熱，通過土壤與來自蓄熱水箱的高溫水進(jìn)行熱量交換，使土壤溫度升高，蓄熱循環(huán)泵（水泵-3）的開啟條件為，當(dāng)需熱水箱與土壤溫差高于某一限定值時，管群蓄熱開啟。若溫差過低，則土壤蓄熱體蓄熱速率較低。若溫差過高，土壤不能充分吸收來自熱源的熱量。因此本研究將管群蓄熱溫差Δt2設(shè)置為運行優(yōu)化變量，并通過它控制蓄熱循環(huán)水泵的啟停信號S2(τ)。

3.3.2.4 地源熱泵機(jī)組約束條件1）熱泵機(jī)組制熱量修正

供熱季地源熱泵機(jī)組的容量通常由熱負(fù)荷最大值決定，生產(chǎn)廠家提供的常為標(biāo)準(zhǔn)工況下的名義制熱量，并未考慮在季節(jié)蓄熱的情況下土壤溫度變化導(dǎo)致的熱源側(cè)入口溫度的變化。所以分區(qū)串并聯(lián)式 SGCHPSS 系統(tǒng)機(jī)組在供熱工況下，應(yīng)按照熱源側(cè)與負(fù)荷側(cè)進(jìn)口溫度進(jìn)行熱量修正。

本系統(tǒng)選定的熱泵機(jī)組在負(fù)荷側(cè)進(jìn)口水溫 40 ℃，出口水溫45 ℃，熱源側(cè)進(jìn)口水溫 10 ℃，出口水溫5 ℃的情況下，測試得到以下變工況性能參數(shù)修正曲線，可得到不同規(guī)模下熱泵制熱性能參數(shù)（圖5）。

圖5 變工況制熱量及輸入功率修正曲線

根據(jù)圖 5 可看出供熱季系統(tǒng)末端回水溫度，即負(fù)荷側(cè)進(jìn)口溫度穩(wěn)定在40 ℃上下，且熱源側(cè)入口溫度為 20 ℃左右，該工況下熱泵機(jī)組制熱量修正系數(shù)為 1.33。修正后的熱泵機(jī)組制熱量應(yīng)在最不利工況下承擔(dān)系統(tǒng)全部熱負(fù)荷。

2）熱泵機(jī)組啟停約束條件

由系統(tǒng)運行原理及地源熱泵啟停原則可知，地源熱泵的啟停受蓄熱水箱頂部水溫、與土壤蓄熱體溫度影響。當(dāng)二者均不滿足直接供熱溫度時，地源熱泵開啟，反之熱泵停機(jī)。根據(jù)熱量平衡原理，當(dāng)供熱溫度高于供熱回水溫度時，只要供水流量合適，即可滿足供熱需求，因此可將地源熱泵啟停溫差（蓄熱水箱頂部與供熱回水溫度之差）設(shè)為待優(yōu)化變量。

式中：S3(τ)為熱泵啟停信號，無量綱，取值 0/1，1 為開啟，0 為停機(jī)；Th為系統(tǒng)供熱回水溫度，℃ ；Tg為系統(tǒng)供熱進(jìn)水溫度，℃ 。

3）熱泵機(jī)組出水溫度約束條件

由于系統(tǒng)設(shè)計供回水為 50/40 ℃，故熱泵機(jī)組的水溫不低于50 ℃，不大于60 ℃，即：

3.3.2.5 蓄熱水箱熱損失約束

蓄熱水箱熱損失受限于蓄熱水箱損失系數(shù)與蓄熱溫差，即：

式中：QE,ST蓄熱水箱熱損失，W；UST為蓄熱水箱損失系數(shù)，W/(m3·℃)；TST為蓄熱水箱水溫，℃。

3.3.2.6 初始條件

在初始時刻，認(rèn)為蓄熱水箱溫度與環(huán)境溫度一致，集熱器內(nèi)工質(zhì)溫度為 10 ℃，土壤初始溫度為 15 ℃，作為系統(tǒng)優(yōu)化的初始輸入條件，即：TCO，i(τ=1)=TCO,o(τ=1)=10 ℃；TST(τ=1)=Ta(τ=1)；Tsoil(τ=1)=15 ℃。

3.4 典型城市選取及計算條件

我國地域遼闊，包含多個建筑熱工設(shè)計區(qū)域，由于本文重點研究分區(qū)串并聯(lián)式SGCHPSS 組合系統(tǒng)的供暖性能與優(yōu)化匹配，故本文將主要研究系統(tǒng)在我國嚴(yán)寒與寒冷地區(qū)的適用性及系統(tǒng)優(yōu)化匹配。另外，由于我國同一熱工分區(qū)內(nèi)常包含不同太陽能資源等級的地區(qū)[16]，使得建筑采暖設(shè)計采取的朝向修正率也不同，且考慮到分區(qū)串并聯(lián)式SGCHPSS 組合系統(tǒng)長期蓄熱需要較充足的太陽能資源，因此本研究將結(jié)合不同城市的太陽能資源分區(qū)和熱工設(shè)計分區(qū)選取如表 4 所示的典型城市。

表4 典型城市選取

選取一 6 棟 6 層小區(qū)集中供暖項目為研究對象，采暖總面積17000 m2，利用DeST 軟件進(jìn)行建筑逐時熱負(fù)荷模擬，可得到各典型城市設(shè)計熱負(fù)荷如表 5 所示，根據(jù)太陽能采暖設(shè)計規(guī)范可計算出各城市分區(qū)串并聯(lián)式SGCHPSS 組合系統(tǒng)容量變量的變化范圍。

表5 各典型城市分區(qū)串并聯(lián)式SGCHPSS 組合系統(tǒng)容量變量的變化范圍

以一個蓄熱與取熱周期作為模擬周期，采用上述遺傳算法，通過 MATLAB 軟件編程對分區(qū)串并聯(lián)式 SGCHPSS 組合系統(tǒng)進(jìn)行容量匹配與運行優(yōu)化計算，設(shè)置初始化種群大小為 30，迭代次數(shù) 100 次，計算條件詳見表6。

表6 計算條件

對于每個典型城市分區(qū)串并聯(lián)式SGCHPSS 組合系統(tǒng)優(yōu)化前的總投資，可按照最低太陽能保證率計算得到太陽能集熱器面積，以及對應(yīng)的蓄熱水箱容積和熱泵機(jī)組容量，按照工程經(jīng)驗值選取集熱器啟停溫差 7 ℃、管群蓄熱溫差5 ℃、地源熱泵啟停溫差5 ℃，按照上表的設(shè)備單價以及運行單價，進(jìn)行系統(tǒng)全生命周期內(nèi)費用計算。

4 優(yōu)化計算及結(jié)果分析

4.1 容量匹配

如圖 6 所示為格爾木地區(qū)采用遺傳算法進(jìn)行分區(qū)串并聯(lián)式 SGCHPSS 組合系統(tǒng)容量匹配的迭代過程，從圖 6 中可以看出，迭代計算到 25 代左右時已基本收斂，到 100 代已完全收斂，全生命周期內(nèi)最低費用共為5287601 元，此即為對應(yīng)最佳優(yōu)化變量時的目標(biāo)函數(shù)值。收斂時對應(yīng)的最佳個體（太陽能集熱器面積、蓄熱水箱容積、熱泵容量）分別為 1294 m2、89 m3、0 kW，此即為最終的優(yōu)化結(jié)果。

圖6 格爾木容量匹配優(yōu)化過程

其余地區(qū)均在 100 代內(nèi)可完全收斂，各典型城市容量匹配優(yōu)化結(jié)果對比分析如表7 所示。

表7 各典型城市容量優(yōu)化匹配結(jié)果

分析表 7 可知，在太陽能極豐富的格爾木地區(qū)及拉薩地區(qū)，在供熱季基本無需開啟地源熱泵即可滿足用戶供暖需求，在此情況下均可節(jié)約 18%以上的費用。證明太陽能跨季節(jié)蓄熱在太陽能豐富的地區(qū)沒有適用性，因此建議此類地區(qū)利用太陽能采暖方面采用傳統(tǒng)的太陽能短期蓄熱作為建筑采暖熱源[17]。另外，分析經(jīng)濟(jì)節(jié)約率指標(biāo)可知，不論是嚴(yán)寒地區(qū)還是寒冷地區(qū)，太陽能資源越豐富的地區(qū)經(jīng)過容量優(yōu)化匹配后的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)節(jié)約率越高。

其次，對于嚴(yán)寒地區(qū)，以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)得到的容量變量的最優(yōu)解基本都接近容量變化范圍的最小值，可見在嚴(yán)寒地區(qū)太陽能集熱面積、蓄熱水箱容積、熱泵容量三個優(yōu)化變量的初投資對分區(qū)串并聯(lián)式 SGCHPSS 組合系統(tǒng)全生命周期的費用影響較大，因此對于嚴(yán)寒地區(qū)，保證跨季節(jié)蓄熱的最低太陽能保證率即可。而對于寒冷地區(qū)，在相同的太陽能資源條件下需要相對較高的太陽能保證率。

為得到普適的分區(qū)串并聯(lián)式 SGCHPSS 組合系統(tǒng)在典型城市的容量匹配優(yōu)化方案，表 8 計算得出了太陽能集熱面積與供熱面積，太陽能保證率，蓄熱水箱容積之間的匹配關(guān)系，以及建筑負(fù)荷與熱泵容量之間的匹配關(guān)系。

表8 各典型城市容量變量匹配關(guān)系

4.2 運行優(yōu)化

如圖7 所示，同樣以格爾木地區(qū)為例，當(dāng)遺傳計算迭代到第20 代時已基本收斂，到 90 代時完全收斂，收斂時系統(tǒng)全生命周期成本為5074843 元，此即為對應(yīng)最佳變量時的目標(biāo)函數(shù)值。收斂時對應(yīng)的最佳個體（太陽能集熱器啟停溫差、蓄熱溫差、熱泵啟停溫差）分別為14.9 ℃、7.6 ℃、10.0 ℃。

圖7 格爾木運行優(yōu)化過程

各典型城市的運行優(yōu)化結(jié)果如表9 所示。

表9 各典型城市的容量匹配優(yōu)化結(jié)果

分析表9 中各城市運行優(yōu)化結(jié)果可知，集熱器啟停溫差基本均接近溫差上限15 ℃，說明集熱器側(cè)循環(huán)水泵的啟停對分區(qū)串并聯(lián)式 SGCHPSS 組合系統(tǒng)全生命周期的運行費用影響較大。因此在集熱器溫度的安全限值內(nèi)，可選擇較大啟停溫差作為集熱器循環(huán)控制 信號，增加集熱器內(nèi)工質(zhì)集熱時間，以減少集熱側(cè)循環(huán)水泵的運行時間。

其次，各地最佳蓄熱溫差之間存在一定差異，在嚴(yán)寒地區(qū)，隨著太陽能資源豐富程度的降低，各城市最佳蓄熱溫差逐漸減小。在寒冷地區(qū)，呈完全相反的趨勢。但各地的管群最佳蓄熱溫差均在5～8 ℃之間，差值不大。

最后，除烏魯木齊為 9.4 ℃外，其余地區(qū)熱泵最佳啟停溫差均以10 ℃最大限值為最佳。說明在烏魯木齊以外的地區(qū)，若蓄熱水箱溫度低于采暖設(shè)計供水溫度，沒有必要增加水箱側(cè)循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速以較低溫度的水箱蓄水滿足供暖負(fù)荷，可直接開啟地源熱泵以滿足用戶需求。

5 結(jié)論

本文首先提出了分區(qū)串并聯(lián)式 SGCHPSS 組合系統(tǒng)，基于 TRNSYS 平臺建立了分區(qū)串并聯(lián)式 SGCHPSS 組合系統(tǒng)的物理模型，模擬研究了在不同串并聯(lián)分區(qū)面積、不同蓄熱量的情況下，系統(tǒng)綜合性能，得到分區(qū)串并聯(lián)式SGCHPSS 組合系統(tǒng)的最佳分區(qū)比與蓄熱比等設(shè)計參數(shù)。以最佳參數(shù)建立分區(qū)串并聯(lián)式SGCHPSS 組合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，選取太陽能集熱面積、蓄熱水箱容積、地源熱泵容量3 個參數(shù)作為分區(qū)串并聯(lián)式 SGCHPSS 組合系統(tǒng)的容量匹配優(yōu)化變量，選擇太陽能集熱器啟停溫差、地埋管群蓄熱溫差、熱泵啟停溫差作為分區(qū)串并聯(lián)式SGCHPSS 組合系統(tǒng)的運行優(yōu)化變量，基于遺傳算法基本原理，考慮系統(tǒng)的初投資與運行費用，以分區(qū)串并聯(lián)式 SGCHPSS 組合系統(tǒng)全生命周期內(nèi)成本最低為目標(biāo)函數(shù)，對各典型城市的容量匹配與運行優(yōu)化進(jìn)行了優(yōu)化計算，分別進(jìn)行分區(qū)串并聯(lián)式SGCHPSS 組合系統(tǒng)的容量匹配與運行優(yōu)化?？傻玫揭韵陆Y(jié)論：

1）太陽能跨季節(jié)蓄熱在太陽能極豐富的地區(qū)不適用，建議此類地區(qū)采用傳統(tǒng)的太陽能短期蓄熱作為建筑采暖熱源，可節(jié)約18%以上的費用。

2）嚴(yán)寒地區(qū)的系統(tǒng)容量變量按照最低太陽能保證率計算即可，而對于寒冷地區(qū)的同一太陽能資源分區(qū)內(nèi)需要相對較高的太陽能保證率。

3）集熱器的啟停溫差應(yīng)在安全限值內(nèi)選擇最大值，各地的管群最佳蓄熱溫差為5～8 ℃，在烏魯木齊以外的地區(qū)，若蓄熱水箱溫度低于采暖設(shè)計供水溫度，推薦直接開啟地源熱泵以滿足用戶需求。