獨(dú)立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)模型建立與影響因素分析

王 蕓 端木琳 李祥立 仝 倉(cāng)

(大連理工大學(xué)建筑工程學(xué)部 大連 116024)

Model and Parametric Analysis of Solar-assisted Ground-source Heat Pump System with Dual Independently Buried Tubes

Wang Yun Duanmu Lin Li Xiangli Tong Cang

(Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, 116024, China)

AbstractA solar-assisted ground-source heat pump system is an excellent way of supplying clean energy in extremely cold regions. In this system, the solar energy collection and storage system has different connection and operation modes from the ground-source heat pump system. The running time of the solar system directly affects the thermal recovery characteristics of the soil. In this study, a solar-assisted ground-source heat pump system with a year-round heat storage was established based on the TRNSYS platform. A simulation calculation method for a soil heat accumulator with double independently buried pipes was proposed. The simulation results were compared to the field test data. Based on the actual project of a public building in Dalian, the operating parameters, which greatly influence the total operating energy consumption and the soil temperature change rate of the system, were obtained using an orthogonal experimental design and TRNSYS simulation. Their influence laws were subsequently analyzed. The results showed that the total operating energy consumption of the system positively correlated with the water supply temperature of the heat pump in winter, load-side water flow rate, and soil-side water flow rate. It negatively correlated with the water supply temperature of the heat pump in summer. When the cumulative heating and cooling capacity ratio was 1.31, the total operating energy consumption of the system negatively correlated with the start-up temperature of the heat storage. When the ratio was 2.32, it positively correlated with the start-up temperature of heat storage and when the ratio was 1.77, the start-up temperature of heat storage was 35 ℃, and the energy consumption of the system was the lowest. The change rate in the soil temperature negatively correlated with the start-up temperature of heat storage. The operating time and parameters of the solar system were adjusted according to the heating and cooling ratios of the system.

Keywordssolar energy; ground-source heat pump; TRNSYS; model establishment; influence factors

我國(guó)地域遼闊，有豐富的太陽能與地?zé)崮苜Y源，將太陽能與地?zé)崮芙Y(jié)合可以彌補(bǔ)太陽能與地?zé)崮軉为?dú)使用時(shí)存在的缺陷。太陽能與土壤源熱泵系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用于實(shí)際工程時(shí)存在多種連接方式和運(yùn)行模式：土壤源熱泵單獨(dú)供熱/供冷、太陽能蓄熱水箱與地埋管串聯(lián)/并聯(lián)供熱、太陽能集熱器直接供熱、太陽能蓄熱水箱直接供熱、太陽能蓄熱水箱聯(lián)合熱泵供熱、太陽能向土壤蓄熱等。研究人員通過實(shí)驗(yàn)或模擬對(duì)系統(tǒng)不同運(yùn)行模式進(jìn)行了多方面研究。

危日光等[1-2]研究表明太陽能與土壤源熱泵結(jié)合可以提高熱泵機(jī)組性能和系統(tǒng)性能。A.Girard等[3]分別模擬了19個(gè)城市的傳統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)，結(jié)果表明，前者耗電量均大于后者，兩個(gè)系統(tǒng)回收期均在壽命范圍內(nèi)，均具有經(jīng)濟(jì)性，且在太陽輻射強(qiáng)的地區(qū)，集熱器對(duì)熱泵性能影響更大。S. H. Razavi等[4]通過TRNSYS模擬了5種太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)組合情況，對(duì)比表明，能耗均低于地源熱泵系統(tǒng)，最高降低了8.7%。鄭志濤等[5]設(shè)計(jì)了蓄熱型太陽能地源熱泵系統(tǒng)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益明顯，蓄熱水箱和地埋管換熱器間歇運(yùn)行有利于地下土壤溫度的恢復(fù)。李素芬等[6]建立了太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，研究了不同動(dòng)態(tài)負(fù)荷下系統(tǒng)的供暖特性。郝紅等[7]通過TRNSYS平臺(tái)建立了太陽能-土壤源熱泵與熱網(wǎng)互補(bǔ)供暖系統(tǒng)仿真模型，結(jié)果表明，相比于土壤源熱泵與熱網(wǎng)互補(bǔ)供暖系統(tǒng)，太陽能-土壤源熱泵與熱網(wǎng)互補(bǔ)供暖系統(tǒng)提高了蒸發(fā)器進(jìn)出口水溫、系統(tǒng)性能系數(shù)，增加了熱網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間。E.Kjellsson等[8-9]利用TRNSYS軟件模擬了太陽能系統(tǒng)在太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)中不同運(yùn)行模式的運(yùn)行特性，確定了太陽能系統(tǒng)最佳運(yùn)行模式。

Liu Long等[10]通過實(shí)驗(yàn)研究了太陽能系統(tǒng)過渡季或夏季蓄熱的可行性，蓄熱量占太陽能總輻射量的50.2%。蘆子健等[11]提出了蓄熱式太陽能土壤源耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)采用兩組地埋管，可進(jìn)行蓄熱期兩組地埋管蓄熱、供冷期一組地埋管蓄熱和另一組地埋管供冷、供熱季兩組地埋管并聯(lián)供熱以及供熱季太陽能耦合兩組地埋管串聯(lián)供熱4種運(yùn)行模式。通過TRNSYS建立系統(tǒng)仿真模型，模型中使用兩個(gè)地埋管模塊進(jìn)行模擬研究，證明了系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)的適用性。葛鳳華等[12]利用TRNSYS建立太陽能土壤源熱泵系統(tǒng)仿真模型，地埋管系統(tǒng)分為兩組，冬季所有地埋管供熱；夏季，一組地埋管供冷，另一組補(bǔ)熱；過渡季所有地埋管補(bǔ)熱。通過模擬將兩組地埋管井?dāng)?shù)與負(fù)荷相互匹配，使得兩組地埋管溫度場(chǎng)恢復(fù)到同一水平。Wang Xiao等[13]通過實(shí)驗(yàn)研究了太陽能季節(jié)性蓄熱式太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性。冬季太陽能和所有地埋管交替耦合熱泵供熱；過渡季所有地埋管蓄熱；夏季一組地埋管蓄熱，另一組地埋管供冷；該系統(tǒng)熱泵從地埋管的取熱量占季節(jié)性蓄熱量的75.5%，太陽能直接供熱量占總供熱量49.7%，提高了系統(tǒng)性能系數(shù)。

P. Eslami-nejad等[14]提出可預(yù)測(cè)帶有兩個(gè)獨(dú)立環(huán)路的雙U形埋管鉆孔穩(wěn)態(tài)傳熱的分析模型，其中一環(huán)路應(yīng)用于熱泵冬季供熱模式，另一環(huán)路與太陽能集熱器直接相連，考慮兩環(huán)路的流體和埋管熱阻及其熱相互作用，預(yù)測(cè)了兩環(huán)路沿鉆孔深度的流體溫度分布，評(píng)估了單孔兩環(huán)路入口溫度(各自恒定)與流量(可變)對(duì)各環(huán)路傳熱影響，并將其應(yīng)用于單孔住宅系統(tǒng)中，結(jié)果表明，太陽能補(bǔ)熱雖未顯著降低熱泵年運(yùn)行功耗，但減少了系統(tǒng)鉆孔長(zhǎng)度，可降低成本。F. M. Rad等[15-17]研究也表明系統(tǒng)中加入太陽能集熱器可以減少地埋管長(zhǎng)度和安裝成本。隨著累計(jì)熱負(fù)荷與累計(jì)冷負(fù)荷比值的增大，減少的地埋管換熱器長(zhǎng)度與太陽能集熱器面積比值減小，后者比值越大，太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)可行性越高。

目前的研究和工程應(yīng)用中，太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)中土壤源熱泵環(huán)路與太陽能蓄熱環(huán)路通常共用一組地埋管，土壤源熱泵系統(tǒng)冬季供熱，夏季供冷，過渡季停止運(yùn)行，太陽能系統(tǒng)向該組地埋管蓄熱。而當(dāng)太陽能系統(tǒng)需要全年蓄熱運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)設(shè)置兩組地埋管。冬季土壤源熱泵系統(tǒng)使用兩組地埋管同時(shí)供熱；夏季土壤源熱泵系統(tǒng)使用其中一組地埋管供冷，太陽能系統(tǒng)使用另一組地埋管進(jìn)行蓄熱；過渡季太陽能系統(tǒng)同時(shí)向兩組地埋管蓄熱[11-13]。從土壤熱平衡的角度出發(fā)，太陽能集熱系統(tǒng)最根本的目的是向土壤蓄熱，為此，季永明等[18]提出了獨(dú)立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)的太陽能蓄熱系統(tǒng)與土壤源熱泵系統(tǒng)相互獨(dú)立，并各自對(duì)應(yīng)一組地埋管系統(tǒng)。冬季土壤源熱泵系統(tǒng)使用熱泵地埋管供熱，夏季土壤源熱泵系統(tǒng)使用熱泵地埋管供冷，太陽能系統(tǒng)使用蓄熱地埋管全年運(yùn)行。

研究人員針對(duì)不同形式不同功能的太陽能耦合土壤源熱泵系統(tǒng)中的系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)和控制運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)或模擬，分析了參數(shù)對(duì)不同目標(biāo)的影響，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選同時(shí)給出建議范圍。鄒曉銳等[19]以費(fèi)用年值為目標(biāo)對(duì)集熱器面積、水箱容積及機(jī)組啟停設(shè)定溫度進(jìn)行了優(yōu)化匹配。S. Rayegan等[20]使用多目標(biāo)遺傳算法確定系統(tǒng)可行的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)果表明，可根據(jù)熱舒適性及太陽能利用率來確定最佳再生溫度、地埋管鉆孔數(shù)量、集熱器面積。徐飛等[21-23]模擬分析了系統(tǒng)參數(shù)(蓄熱流量、水箱體積、集熱器面積、地埋管換熱器結(jié)構(gòu)等)和控制參數(shù)(集熱泵啟動(dòng)設(shè)定溫度、蓄熱時(shí)間、蓄熱溫度等)對(duì)土壤蓄集熱特性的影響。王孟等[24-26]研究了機(jī)組設(shè)定溫度、水泵頻率、太陽能集熱器面積與地埋管長(zhǎng)度、發(fā)生器與冷凝器溫度等對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

獨(dú)立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)不同之處在于兩組地埋管分為常規(guī)井和蓄熱井，蓄熱井中設(shè)置兩個(gè)U形地埋管，分別與土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)連接。與文獻(xiàn)[11-13]不同的是，本文系統(tǒng)的兩組地埋管共用同一個(gè)土壤區(qū)域，在供冷季或供熱季，地埋管聯(lián)合熱泵向系統(tǒng)供冷或供熱的同時(shí)太陽能系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的地埋管仍然可以向同一土壤區(qū)域蓄熱。蓄熱井在整個(gè)地埋管區(qū)域的中心，數(shù)量上少于常規(guī)井，這樣可以保證蓄存的熱量不易散失；太陽能蓄熱用的U形管與熱泵用的U形管在一個(gè)鉆孔內(nèi)，二者僅交換熱量，因此該埋管方式還可以邊蓄邊用。雖然兩組地埋管系統(tǒng)運(yùn)行互不影響，但經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，來自太陽能并蓄存在土壤中的熱量，會(huì)對(duì)蓄熱井周圍的土壤溫度有較大影響。S. Chapuis等[27]通過修改TRNSYS中Type557對(duì)應(yīng)的地埋管傳熱模型 (duct ground heat storage model，DST)的局部傳熱計(jì)算代碼來模擬均包含兩個(gè)獨(dú)立環(huán)路的鉆孔群，修改后鉆孔半徑處新邊界條件有兩個(gè)傳熱量，忽略鉆孔中兩個(gè)U形管間熱短路效應(yīng)及其中一個(gè)U形管由于穩(wěn)態(tài)熱流產(chǎn)生的地溫變化，通過對(duì)案例模擬表明，該鉆孔形式可以降低蓄熱體熱損失，太陽能集熱器平均效率達(dá)58%。與文獻(xiàn)[27]不同的是，本文系統(tǒng)中熱泵地埋管與蓄熱地埋管數(shù)量并不相同且太陽能集熱器并未直接與蓄熱地埋管相連，但若采用兩個(gè)互不相關(guān)的地埋管模塊進(jìn)行仿真模擬，則與實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行情況并不相符。而目前有關(guān)該獨(dú)立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)模型建立的研究較少，全面性研究系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)也較少。本文基于TRNSYS軟件通過合理簡(jiǎn)化地埋管連接和地埋管內(nèi)部熱平衡計(jì)算建立了適用于該系統(tǒng)的模型，并針對(duì)大連某公共建筑實(shí)際工程對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與模擬，得到對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能耗與土壤溫度變化率有重要影響的運(yùn)行參數(shù)并分析影響規(guī)律。

1 模型建立

1.1 熱泵模型

本文模型采用文獻(xiàn)[28]開發(fā)的熱泵機(jī)組模塊，該模塊使用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合出熱泵容量和能耗的表達(dá)式來對(duì)熱泵機(jī)組進(jìn)行建模，根據(jù)熱泵樣本參數(shù)可擬合出表達(dá)式中各系數(shù)大小。不同運(yùn)行工況下滿負(fù)荷運(yùn)行容量系數(shù)和耗功量系數(shù)與蒸發(fā)器水流量、冷凝器水流量、蒸發(fā)器出口水溫、冷凝器進(jìn)口水溫有關(guān)，部分負(fù)荷耗功量系數(shù)與部分負(fù)荷率有關(guān)。以制冷為例，各代數(shù)表達(dá)式[28]為：

CAPrcool=a1+b1rme+b2rme2+c1rmc+c2rmc2+

d1rTeo+d2rTeo2+e1rTci+e2rTci2+f1rTeorTci

(1)

Pr1cool=a2+b3rme+b4rme2+c3rmc+c4rmc2+d3rTeo+

d4rTeo2+e3rTci+e4rTci2+f2rTeorTci

(2)

Pr2cool=a3+b5PLR+c5PLR2

(3)

PLR=Q/CAPmax

(4)

式中：CAPrcool為熱泵制冷滿負(fù)荷修正系數(shù)；Pr1cool為熱泵制冷滿負(fù)荷修正系數(shù)；Pr2cool為熱泵制冷部分負(fù)荷修正系數(shù)；rme、rmc、rTeo、rTci分別為蒸發(fā)器流量、冷凝器流量、蒸發(fā)器出口溫度、冷凝器進(jìn)口溫度與額定設(shè)計(jì)工況的比值；PLR為部分負(fù)荷率；CAPmax為滿負(fù)荷制冷容量，kW；Q為當(dāng)前負(fù)荷，kW；a1～a3、b1～b5、c1～c5、d1～d4、e1～e4、f1～f2為表達(dá)式擬合系數(shù)。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1所示為獨(dú)立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)原理，系統(tǒng)包括土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)。土壤源熱泵系統(tǒng)用于冬季供熱，夏季供冷，通過冬夏轉(zhuǎn)換閥門實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)換；太陽能系統(tǒng)原則上全年可以蓄熱運(yùn)行。兩個(gè)子系統(tǒng)各自對(duì)應(yīng)于一組地埋管換熱系統(tǒng)，蓄熱地埋管在常規(guī)地埋管區(qū)域的中間。圖2所示為系統(tǒng)地埋管的布置連接，其中a、b、c環(huán)路代表土壤源熱泵系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的地埋管系統(tǒng)，d環(huán)路代表太陽能系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的地埋管系統(tǒng)。蓄熱埋管與部分常規(guī)埋管共用同一地源井，地源井7與9均為太陽能系統(tǒng)的蓄熱井，蓄熱井中分別設(shè)置兩個(gè)單U形換熱器，其中一個(gè)與土壤側(cè)埋管支路供回水管連接，另一個(gè)與蓄熱環(huán)路供回水管連接(共計(jì)4個(gè)U形管)；其余地源井均為土壤源熱泵系統(tǒng)的換熱井(冬季取熱，夏季放熱)，井中均設(shè)置一個(gè)雙U形換熱器。兩地埋管系統(tǒng)共用同一區(qū)域，蓄熱地源井在此區(qū)域中分散布置，運(yùn)行互不影響。

T1熱泵用戶供水溫度；T2熱泵用戶回水溫度；T3熱泵土壤供水溫度；T4熱泵土壤回水溫度；T5集熱器進(jìn)口溫度；T6集熱器出口溫度；T7土壤蓄熱進(jìn)口溫度；T8土壤蓄熱出口溫度。圖1 獨(dú)立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)原理Fig. 1 Principle of solar assisted ground-source heat pump system with independent double buried pipe

圖2 系統(tǒng)地埋管布置連接Fig. 2 Layout and connection of the buried pipe

1.3 地埋管區(qū)域模型

針對(duì)上述雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)建立地埋管區(qū)域模型時(shí)，由于土壤源熱泵與太陽能系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)地埋管系統(tǒng)在蓄熱井處存在局部互相熱影響，而且蓄熱地埋管位于熱泵地埋管中心，兩子系統(tǒng)共同作用于埋管所在土壤區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)同時(shí)向土壤取熱和蓄熱的情況。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，影響越大，使用兩個(gè)地埋管模塊來分別模擬兩個(gè)地埋管系統(tǒng)無法模擬出該影響，因此考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行太陽能系統(tǒng)對(duì)整體土壤的熱影響，在TRNSYS軟件中使用一個(gè)地埋管模塊Type557進(jìn)行模型的建立。使用一個(gè)地埋管模塊進(jìn)行模型建立時(shí)，對(duì)地埋管側(cè)連接進(jìn)行簡(jiǎn)化。由于土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)共用一個(gè)土壤區(qū)域，如圖3所示，將土壤源熱泵系統(tǒng)土壤側(cè)輸出流體和太陽能側(cè)水箱蓄熱輸出流體混合后作為地埋管模塊的輸入，簡(jiǎn)化后該地埋管運(yùn)行分3種工況。

圖3 地埋管連接簡(jiǎn)化Fig. 3 Simplified connection of buried pipes

工況1：當(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)不運(yùn)行，太陽能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，地埋管模塊輸出流體即為太陽能側(cè)水箱蓄熱輸入流體，地埋管模塊輸出流體的流量和溫度分別為太陽能側(cè)水箱蓄熱輸入流體的流量和溫度。

工況2：當(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行而太陽能系統(tǒng)不運(yùn)行時(shí)，地埋管模塊輸出流體即為土壤源熱泵土壤側(cè)輸入流體，地埋管模塊輸出流體的流量和溫度分別為土壤源熱泵土壤側(cè)輸入流體的流量和溫度。

工況3：當(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，土壤源熱泵系統(tǒng)土壤側(cè)輸出流體和太陽能側(cè)水箱蓄熱輸出流體混合后的總流量為地埋管模塊輸入流體的流量，混合后的溫度為地埋管模塊輸入流體的溫度。

由于地埋管模塊輸出流體溫度為土壤源熱泵系統(tǒng)土壤側(cè)輸入流體溫度，地埋管輸出流體溫度并不等于太陽能側(cè)水箱蓄熱進(jìn)口溫度，因此需要對(duì)太陽能側(cè)水箱蓄熱進(jìn)口溫度進(jìn)行計(jì)算。通過地埋管模塊內(nèi)部熱平衡，本文推導(dǎo)出太陽能側(cè)水箱輸入流體溫度公式(5)～(7)，并將公式編制成計(jì)算模塊放入TRNSYS的“Type Txuout”模塊(見圖4)。

(6)

Qrb=4.18Mrb(Trbin-Trbout)

(7)

式中：Txuout為太陽能系統(tǒng)蓄熱出口溫度，℃；Txuin為太陽能系統(tǒng)水箱出口溫度，℃；Tout為過渡季土壤蓄熱出口溫度，℃;Qtyn為太陽能系統(tǒng)給土壤的蓄熱量，kJ/h；Mxu為太陽能蓄熱流量，kg/h；Sh、Sc、Ss分別為太陽能系統(tǒng)在冬季、夏季、過渡季是否運(yùn)行的信號(hào)，是為1，否為0；Qrb為熱泵運(yùn)行時(shí)與土壤側(cè)的換熱量，kJ/h；Qfluid為熱泵側(cè)土壤進(jìn)口與太陽能側(cè)土壤進(jìn)口混合流體與土壤的換熱量，kJ/h；Mrb為熱泵土壤側(cè)流量，kg/h；Trbin、Trbout分別為熱泵運(yùn)行時(shí)土壤側(cè)進(jìn)出口溫度，℃；

1.4 系統(tǒng)運(yùn)行方式

根據(jù)系統(tǒng)流程基于地埋管區(qū)域模型建立TRNSYS仿真模型，如圖4所示。熱泵的運(yùn)行與負(fù)荷密切相關(guān)，熱泵運(yùn)行數(shù)量由建筑負(fù)荷的大小決定。當(dāng)負(fù)荷小于單臺(tái)熱泵額定容量的15%時(shí)，熱泵不運(yùn)行；當(dāng)負(fù)荷大于單臺(tái)熱泵額定容量的15%并小于單臺(tái)熱泵額定容量的100%時(shí)，單臺(tái)熱泵運(yùn)行；當(dāng)負(fù)荷大于單臺(tái)熱泵額定容量的100%時(shí)，兩臺(tái)熱泵運(yùn)行。用戶水泵、熱泵土壤側(cè)水泵各兩臺(tái)并聯(lián)連接，可按照設(shè)定的控制策略運(yùn)行。用戶負(fù)荷由外部文件導(dǎo)入。模型中熱泵的運(yùn)行由模塊Type14和方程來控制。

太陽能系統(tǒng)分為太陽能集熱循環(huán)和太陽能蓄熱循環(huán)。集熱循環(huán)由太陽能集熱器出口溫度與水箱溫度控制，當(dāng)溫差大于7 ℃時(shí)，集熱水泵運(yùn)行，溫差小于3 ℃時(shí)集熱水泵停止運(yùn)行；蓄熱循環(huán)由水箱溫度控制，當(dāng)水箱溫度大于35 ℃時(shí)，蓄熱水泵運(yùn)行，水箱溫度小于27 ℃時(shí)集熱水泵停止運(yùn)行。模型中水泵的運(yùn)行由模塊Type14和模塊Type2b來控制。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束后使用模塊Type65輸出運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2 模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)

本文以大連某公共建筑為研究對(duì)象，建筑面積12 638 m2，空調(diào)面積12 011 m2。采用獨(dú)立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)來滿足建筑冬季供熱和夏季制冷需求。

系統(tǒng)采用兩臺(tái)螺桿式地源熱泵機(jī)組，型號(hào)為CRTWD 160H；用戶側(cè)和熱泵土壤側(cè)水泵均兩用一備；垂直地埋管鉆井224口，其中8口為蓄熱井，全部并聯(lián)運(yùn)行，土壤初始溫度為14.4 ℃；太陽能集熱器為真空管集熱器，位于屋面；設(shè)有蓄熱水箱，內(nèi)置波紋管換熱器，蓄熱水箱與集熱器側(cè)水環(huán)路間接進(jìn)行熱量交換，與蓄熱埋管環(huán)路直接相通；集熱水泵和蓄熱水泵均一用一備。設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備參數(shù)Tab. 1 The parameters of equipments

2.2 模型驗(yàn)證

實(shí)際系統(tǒng)于2020年供暖季運(yùn)行，因此根據(jù)2020年11月15日至2021年3月1日實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。將建筑負(fù)荷、室外溫度、土壤地埋管側(cè)流量作為輸入?yún)?shù)輸入模型進(jìn)行相同時(shí)間段供熱運(yùn)行模擬，在土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)，太陽能系統(tǒng)也在運(yùn)行。各參數(shù)模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比如圖5～圖7所示，運(yùn)行結(jié)果如表2所示，誤差均在15%以內(nèi)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖5 熱泵土壤供/回水溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig. 5 Comparison between simulated and experimental values of ground supply and return water temperature of heat pump

圖6 集熱器進(jìn)口溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig. 6 Comparison between simulated and experimental values of collector inlet temperature

圖7 集熱器出口溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig. 7 Comparison between simulated and experimental values of collector outlet temperature

對(duì)于該模型，需要驗(yàn)證根據(jù)系統(tǒng)簡(jiǎn)化連接與地埋管模塊熱平衡計(jì)算的土壤蓄熱出口溫度的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)采用光纖光柵溫度傳感器對(duì)蓄熱井管井井壁溫度進(jìn)行測(cè)量，管井井壁溫度與土壤蓄熱出口溫度對(duì)比如表3所示，平均偏差(mean bias error，MBE)在15%以內(nèi)，均方根誤差變化系數(shù)(coefficient of variation of the root-mean-square error，CV(RMSE))在20%以內(nèi)，均在合理范圍內(nèi)，證明了計(jì)算的土壤蓄熱出口溫度的準(zhǔn)確性。

表2 實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比Tab. 2 Comparison between experimental and simulated values

表3 管壁平均溫度與土壤蓄熱出口平均溫度對(duì)比Tab. 3 Comparison of average temperature between pipe wall and soil heat storage outlet

3 影響因素

在系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備確定的情況下，應(yīng)該考慮如何在滿足用戶需求的同時(shí)，使系統(tǒng)的運(yùn)行情況達(dá)到最優(yōu)。

本文基于上述大連市某公共建筑研究系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能耗與土壤溫度變化率的影響。系統(tǒng)運(yùn)行能耗為土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)能耗之和，包括熱泵機(jī)組及各個(gè)水泵運(yùn)行能耗；土壤溫度變化率為系統(tǒng)經(jīng)過一個(gè)運(yùn)行周期后土壤溫度變化值與初始土壤溫度的比值。土壤溫度變化率越接近于零，土壤溫度波動(dòng)越小。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以使用較少的試驗(yàn)次數(shù)，了解試驗(yàn)因素的重要性程度與交互作用，因此本文采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行模擬研究。

3.1 影響因素的重要程度

本文以熱泵夏季供水溫度、熱泵冬季供水溫度、負(fù)荷側(cè)水流量、土壤側(cè)水流量、蓄熱流量、蓄熱啟動(dòng)溫度、蓄熱停止溫差、集熱流量、集熱運(yùn)行溫差上限、集熱運(yùn)行溫差下限、蓄集熱運(yùn)行時(shí)間段11個(gè)因素為研究對(duì)象進(jìn)行影響因素分析，11個(gè)因素在系統(tǒng)中相互獨(dú)立，互不相關(guān)。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中不僅要考慮各因素對(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的影響，還應(yīng)考慮因素間交互作用對(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)結(jié)果的影響。將因素按順序進(jìn)行編號(hào)，分別為A～K，如表4所示。通過交互作用判別[30]，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能耗有影響的兩因素交互作用有：E×F、E×G、E×H、E×I、E×J、F×G、G×H、G×J、H×I、H×J、J×K；對(duì)土壤溫度變化率有影響的兩因素交互作用有：E×F、E×G、E×H、E×J、F×G、G×H、G×J、G×K。根據(jù)研究對(duì)象，以系統(tǒng)運(yùn)行能耗與土壤溫度變化率為目標(biāo)在SPSS平臺(tái)設(shè)計(jì)11個(gè)因素兩水平正交表，共60個(gè)試驗(yàn)方案，試驗(yàn)總自由度為60，各影響源自由度均為1，該效應(yīng)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂酗@著性。

表4 影響因素及水平Tab. 4 Factors and levels

通過方差分析，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能耗影響程度由大到小分別為：負(fù)荷側(cè)水流量、熱泵冬季供水溫度、土壤側(cè)水流量、熱泵夏季供水溫度、蓄熱啟動(dòng)溫度、蓄集熱運(yùn)行時(shí)間段、蓄熱停止溫度與集熱流量交互作用、蓄熱啟動(dòng)溫度與蓄熱停止溫度交互作用、蓄熱流量、蓄熱流量與蓄熱啟動(dòng)溫度交互作用。以顯著性為0.01為指標(biāo)，其中重要的影響因素為前6項(xiàng)。對(duì)系統(tǒng)土壤溫度變化率影響程度由大到小分別為：熱泵冬季供水溫度、蓄熱啟動(dòng)溫度、熱泵夏季供水溫度、蓄集熱運(yùn)行時(shí)間段、土壤側(cè)水流量、集熱溫差上限、蓄熱啟動(dòng)溫度與蓄熱停止溫度交互作用、集熱流量。以顯著性為0.01為指標(biāo)，其中重要的影響因素為前5項(xiàng)。

3.2 影響規(guī)律

為研究影響因素對(duì)研究目標(biāo)的影響規(guī)律，對(duì)11因素5水平共50個(gè)模擬方案在3種不同系統(tǒng)累計(jì)供熱供冷量比(以下簡(jiǎn)稱為“供熱供冷量比”)下進(jìn)行正交模擬試驗(yàn)，運(yùn)行周期為10年。供熱供冷量比為運(yùn)行周期內(nèi)系統(tǒng)累計(jì)供熱量與累計(jì)供冷量的比值。當(dāng)建筑地理位置、圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能、建筑使用情況等確定時(shí)，建筑負(fù)荷與室內(nèi)溫濕度設(shè)定有關(guān)，不同供熱供冷量比的冬季室內(nèi)設(shè)定溫濕度不同，均滿足規(guī)范要求[31]。

3.2.1 影響因素水平的選取

熱泵供水溫度冬季在40～60 ℃之間選取5個(gè)水平，夏季在5～13 ℃之間選取5個(gè)水平。熱泵蒸發(fā)器和冷凝器兩側(cè)對(duì)最小流量有一定要求，地埋管雙U形換熱器內(nèi)介質(zhì)流速不小于0.4 m/s，最低流速不低于0.2 m/s[32]。按照實(shí)驗(yàn)測(cè)試中能達(dá)到最大流量與熱泵要求最小流量間均勻取5個(gè)水平。集熱流量與蓄熱流量在最小流量和系統(tǒng)達(dá)到最大流量間均勻選取5個(gè)水平。

集熱啟動(dòng)溫差上限和蓄熱啟動(dòng)溫度根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行情況參考文獻(xiàn)[33]選取；集熱溫差下限參考文獻(xiàn)[34]選取。

對(duì)于該系統(tǒng)而言，系統(tǒng)全年分為4個(gè)時(shí)段，分別為冬季供熱期、供熱后過渡季、夏季供冷期、供冷后過渡季。蓄集熱運(yùn)行時(shí)間段考慮5個(gè)水平，分別為：①供冷后過渡季運(yùn)行、②所有過渡季運(yùn)行、③供冷后過渡季和冬季運(yùn)行、④冬季和所有過渡季運(yùn)行、⑤全年運(yùn)行。各影響因素水平如表5所示。

表5 各影響因素水平Tab. 5 Level of each influencing factors

3.2.2 正交結(jié)果

圖8所示為不同供熱供冷量比系統(tǒng)運(yùn)行能耗隨各重要影響因素的變化。由圖8可知，負(fù)荷側(cè)水流量和熱泵冬季供水溫度對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能耗影響較大，系統(tǒng)運(yùn)行能耗隨著熱泵冬季供水溫度的升高而增大，隨著熱泵夏季供水溫度的升高而降低，這是由于熱泵冬季供水溫度增大，提高了熱泵冷凝器側(cè)的平均溫度，熱泵機(jī)組的功耗增加，系統(tǒng)運(yùn)行能耗隨之增加；熱泵夏季供水溫度降低，減小了熱泵蒸發(fā)器側(cè)的平均溫度，熱泵機(jī)組的功耗增加，系統(tǒng)運(yùn)行能耗亦增加。系統(tǒng)運(yùn)行能耗與負(fù)荷側(cè)水流量、土壤側(cè)水流量成正比。負(fù)荷側(cè)水流量/土壤側(cè)水流量越大，水泵功耗越高，系統(tǒng)能耗也隨著增加。

圖8 不同供熱供冷量比系統(tǒng)運(yùn)行能耗隨各重要影響因素的變化Fig. 8 Variation of system operation energy consumption with various important influencing factors under different load ratios

在一定范圍內(nèi)減小蓄熱啟動(dòng)溫度，可以提高集熱效率，增加集熱量和蓄熱量，增加了太陽能系統(tǒng)蓄集熱運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)影響土壤溫度場(chǎng)，間接影響到土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行能耗，從而影響系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

圖9所示為不同供熱供冷量比系統(tǒng)運(yùn)行能耗隨不同蓄熱啟動(dòng)溫度的變化。由圖9可知，當(dāng)供熱供冷量比為1.31時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行能耗隨著蓄熱啟動(dòng)溫度的升高而降低；而當(dāng)供熱供冷量比為2.32時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行能耗隨著蓄熱啟動(dòng)溫度的升高而升高；當(dāng)供熱供冷量比為1.77時(shí)，蓄熱啟動(dòng)溫度為35 ℃時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行能耗最低。通過分析模擬結(jié)果可知，在不同供熱供冷量比下，太陽能系統(tǒng)能耗均隨著蓄熱啟動(dòng)溫度的升高而降低，而土壤源熱泵系統(tǒng)能耗均隨蓄熱啟動(dòng)溫度的升高而升高。系統(tǒng)運(yùn)行能耗影響為兩者綜合影響。所以不同的供熱供冷量比對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的影響規(guī)律不同。

圖9 不同供熱供冷量比系統(tǒng)運(yùn)行能耗隨不同蓄熱啟動(dòng)溫度的變化Fig. 9 Variation of system operation energy consumption with different start-up temperature of heat storage under different load ratio

太陽能系統(tǒng)不同時(shí)間段運(yùn)行對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)有不同的影響，只在供冷季后過渡季運(yùn)行，對(duì)后續(xù)系統(tǒng)供熱有正向影響，只在供熱后過渡季運(yùn)行，對(duì)后續(xù)供冷有負(fù)面影響，在全年運(yùn)行，對(duì)供熱有正向影響，對(duì)供冷有負(fù)面影響。對(duì)于不同的供熱供冷量比，系統(tǒng)周期運(yùn)行結(jié)束后土壤溫度變化不同，太陽能系統(tǒng)不同時(shí)間段運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能耗影響也不同。

圖10所示為不同供熱供冷量比系統(tǒng)運(yùn)行能耗隨不同蓄集熱運(yùn)行時(shí)間段的變化，當(dāng)供熱供冷量比為1.31時(shí)，供冷后過渡季蓄集熱為最優(yōu)蓄集熱運(yùn)行時(shí)間段；當(dāng)供熱供冷量比為1.77時(shí)，供冷后過渡季和冬季蓄集熱為最優(yōu)蓄集熱運(yùn)行時(shí)間段；當(dāng)供熱供冷量比為2.32時(shí)，全年蓄集熱為最優(yōu)蓄集熱運(yùn)行時(shí)間段。

圖10 不同供熱供冷量比系統(tǒng)運(yùn)行能耗隨不同蓄集熱運(yùn)行時(shí)間段的變化Fig. 10 Variation of operating energy consumption of systems with different load ratios with different heat storage and collection operation periods

通過分析模擬結(jié)果可知，不同供熱供冷量比下，太陽能系統(tǒng)能耗均隨蓄集熱運(yùn)行時(shí)間段的增加而增加，土壤源熱泵系統(tǒng)能耗均隨蓄集熱運(yùn)行時(shí)間段的增加而減小，系統(tǒng)運(yùn)行能耗影響為兩者綜合影響，可以看出隨著供熱供冷量比增大，太陽能最優(yōu)運(yùn)行時(shí)間逐漸增長(zhǎng)。

圖11所示為不同供熱供冷量比系統(tǒng)土壤溫度變化率隨各重要影響因素的變化，由圖11可知，對(duì)土壤溫度變化率影響較大的因素為熱泵供水溫度、蓄熱啟動(dòng)溫度、蓄集熱運(yùn)行時(shí)間段。

圖11 不同供熱供冷量比系統(tǒng)土壤溫度變化率隨各重要影響因素的變化Fig. 11 Variation of soil temperature change rate with various important influencing factors under different load ratios

土壤溫度變化率隨著熱泵冬季供水溫度的增大而增大，隨著熱泵夏季供水溫度的減小而增大。

當(dāng)周期運(yùn)行后土壤溫度下降時(shí)，土壤溫度變化率小于零；當(dāng)周期運(yùn)行后土壤溫度上升時(shí)，土壤溫度變化率大于零。熱泵冬季供水溫度的上升使熱泵機(jī)組的性能減弱，功耗增大，當(dāng)提供給用戶的熱量一定時(shí)，從土壤中取的熱量減少，土壤溫度變化率增大。熱泵夏季供水溫度的下降使得熱泵機(jī)組的性能減小，功耗增大，當(dāng)提供給用戶的熱量一定時(shí)，向土壤中放的熱量增大，使土壤溫度變化率增大。

當(dāng)長(zhǎng)期運(yùn)行土壤溫度下降時(shí)，減小蓄熱啟動(dòng)溫度有利于土壤平衡；當(dāng)長(zhǎng)期運(yùn)行土壤溫度上升時(shí)，增大蓄熱啟動(dòng)溫度有利于土壤平衡，因此蓄熱啟動(dòng)溫度的降低有利于提高土壤溫度，若供熱供冷量比越接近1，太陽能系統(tǒng)的作用越小，反而會(huì)使土壤溫度上升。

當(dāng)供熱供冷量比為1.31時(shí)，針對(duì)土壤溫度變化率，太陽能蓄熱系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行時(shí)間為供冷后過渡季蓄集熱運(yùn)行，而當(dāng)供熱供冷量比為2.32和1.77時(shí)，太陽能蓄熱系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行時(shí)間為全年蓄集熱運(yùn)行。太陽能系統(tǒng)的運(yùn)行對(duì)土壤溫度恢復(fù)有一定的作用。對(duì)于不同的供熱供冷量比，太陽能系統(tǒng)應(yīng)有不同的運(yùn)行時(shí)間。

4 結(jié)論

1)太陽能系統(tǒng)地埋管與土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管運(yùn)行相互獨(dú)立，在蓄熱井處存在局部熱影響，對(duì)于該獨(dú)立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)，通過簡(jiǎn)化埋管連接與土壤熱平衡計(jì)算建立埋管區(qū)域模型，并以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，此模型可用于模擬太陽能系統(tǒng)對(duì)地埋管土壤區(qū)域長(zhǎng)期熱影響。

2)以大連市某公共建筑為例，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和TRNSYS模擬對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了全面研究，結(jié)果表明，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能耗具有重要影響的因素為負(fù)荷側(cè)水流量、熱泵冬季供水溫度、土壤側(cè)水流量、熱泵夏季供水溫度、蓄熱啟動(dòng)溫度、蓄集熱運(yùn)行時(shí)間段；對(duì)土壤溫度變化率具有重要影響的因素為熱泵冬季供水溫度、蓄熱啟動(dòng)溫度、熱泵夏季供水溫度、蓄集熱運(yùn)行時(shí)間段、土壤側(cè)水流量。

3)通過理論與模擬分析具有重要影響的運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行能耗和土壤溫度變化率的影響。結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行能耗與冬季熱泵供水溫度、負(fù)荷側(cè)與土壤側(cè)水流量均呈正相關(guān)，與夏季熱泵供水溫度呈負(fù)相關(guān)；土壤溫度變化率與冬季熱泵供水溫度呈正相關(guān)，與夏季熱泵供水溫度呈負(fù)相關(guān)。降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗最重要的是要在保證房間熱舒適及用戶需求的情況下，盡可能減小冬季熱泵供水溫度，增大夏季熱泵供水溫度，降低負(fù)荷側(cè)水流量與土壤側(cè)水流量；當(dāng)周期運(yùn)行土壤溫度下降時(shí)，為減小土壤溫度波動(dòng)，應(yīng)增加冬季熱泵供水溫度，降低夏季熱泵供水溫度。當(dāng)累計(jì)供熱供冷量比為1.31時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行能耗與蓄熱啟動(dòng)溫度呈負(fù)相關(guān)；當(dāng)累計(jì)供熱供冷量比為2.32時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行能耗與蓄熱啟動(dòng)溫度為正相關(guān)；而當(dāng)累計(jì)供熱供冷量比為1.77時(shí)，蓄熱啟動(dòng)溫度為35 ℃時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行能耗最低。土壤溫度變化率與蓄熱啟動(dòng)溫度呈負(fù)相關(guān)。對(duì)于不同的累計(jì)供熱供冷量比，太陽能系統(tǒng)應(yīng)有不同的運(yùn)行方式。太陽能蓄集熱系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行時(shí)間和蓄熱啟動(dòng)溫度均與系統(tǒng)累計(jì)供熱供冷量比有關(guān)。