基于TRNSYS的太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)特性分析

張 俊，劉 杰，陳安娟，陳晶晶

(青島理工大學 工業(yè)流體節(jié)能與污染控制教育部重點實驗室，青島 266525)

隨著國家在霧霾治理、冬季供暖方面煤改電項目的推進[1-2]，以太陽能、空氣源和土壤源熱泵為代表的清潔能源供暖成為未來區(qū)域性分布式供暖的主要發(fā)展方向。其中太陽能-土壤源熱泵耦合供暖系統(tǒng)發(fā)揮了兩種技術(shù)的優(yōu)勢，縮減了系統(tǒng)的運行成本和投資回收周期，實現(xiàn)了能源品位匹配互補，高效節(jié)能[3]。國內(nèi)外學者對太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、控制策略、運行模式和性能等做了多方面的研究。其中，CHEN Xi等[4-5]學者利用數(shù)值模擬方法獲得了地埋管長度或蓄熱水箱體積與集熱器面積的最優(yōu)比率；楊衛(wèi)波等[6-10]學者對系統(tǒng)的不同運行模式進行了研究，認為地埋管和太陽能集熱器串聯(lián)模式下運行的性能較佳；WANG Enyu等[11-14]學者對系統(tǒng)的不同控制策略進行了研究，表明太陽能向地下蓄熱有利于提高系統(tǒng)性能等；BAKIRCI Kadir等[15-16]學者通過實驗方法研究系統(tǒng)在住宅中的運行性能，獲得的熱泵平均供暖性能系數(shù)在3.0以上。近年來對于太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)的研究，能夠兼顧最大化利用太陽能、緩解土壤熱平衡問題、提高熱泵供暖性能系數(shù)三方面的研究較少。因此，本文以蘭州地區(qū)供暖為例，采用TRNSYS軟件構(gòu)建了太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)模型，以集熱水箱水溫為研究變量，對系統(tǒng)的特性進行探討分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計

太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)由太陽能集熱器、集熱水箱、熱泵機組、地埋管換熱器以及建筑末端5部分構(gòu)成，其中太陽能集熱器通過水箱盤管換熱器把集熱量傳遞到集熱水箱，熱泵機組通過源測循環(huán)水吸收土壤和集熱水箱中的熱量，經(jīng)過逆卡諾循環(huán)產(chǎn)生的高品位熱能再傳遞給負荷側(cè)循環(huán)水，為建筑末端供暖。

該系統(tǒng)共有4種運行模式：

1) 太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供暖模式，當集熱水箱平均水溫和地埋管來流水溫之差大于10 ℃，且建筑室內(nèi)平均溫度低于18 ℃，該模式運行；當集熱水箱平均水溫和地埋管來流水溫之差小于10 ℃，或建筑室內(nèi)平均溫度高于18 ℃，該模式停止。此時環(huán)路控制方式為開啟閥門a，b，c，f，h，關(guān)閉閥門d，e，g。

2) 集熱水箱單獨供暖模式，當集熱水箱平均水溫和地埋管來流水溫之差小于10 ℃，同時集熱水箱平均水溫高于T℃，且建筑室內(nèi)平均溫度低于18 ℃，該模式運行；當集熱水箱平均水溫低于T℃，或運行模式1的運行條件滿足，或建筑室內(nèi)平均溫度高于18 ℃，該模式停止。此時環(huán)路控制方式為開啟閥門a，b，d，f，h，關(guān)閉閥門c，e，g。

3) 土壤源熱泵單獨供暖模式，當集熱水箱平均水溫和地埋管來流水溫之差小于10 ℃，同時集熱水箱平均水溫低于T℃，且建筑室內(nèi)平均溫度低于18 ℃，系統(tǒng)運行；當運行模式1或運行模式2的運行條件滿足，或建筑室內(nèi)平均溫度高于18 ℃，系統(tǒng)停止。此時環(huán)路控制方式為開啟閥門b，c，e，h，關(guān)閉閥門d，f，g。

4)為了避免全年土壤熱不平衡，系統(tǒng)性能衰減，系統(tǒng)設(shè)計在太陽能非采暖期具有補熱模式，即當集熱器出口水溫和集熱器進口水溫之差大于10 ℃，系統(tǒng)運行；當集熱器出口水溫和集熱器進口水溫之差小于10 ℃，系統(tǒng)暫停。針對不同地區(qū)，補熱系統(tǒng)運行的起止時間略有不同，一般以供冷季為主，部分嚴寒地區(qū)，冬季取熱量較多，補熱季將包含制冷季和過渡季，終止時間主要取決于土壤溫度場的各項指標：土壤溫度應(yīng)不小于上個供暖期開始前的土壤初始溫度，總的補熱量應(yīng)不小于取熱量和補熱過程中的熱損失。此時環(huán)路控制方式為開啟閥門a，c，f，g，關(guān)閉閥門b，d，e，h。

2 系統(tǒng)模型構(gòu)建

利用TRNSYS軟件構(gòu)建太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，如圖2所示。該模型主要包括太陽能集熱器、地埋管、熱泵機組、集熱水箱、建筑、水泵、控制器、分水器和集水器等，它們在TRNSYS中對應(yīng)的模塊如表1所示。由該仿真模型模擬得到的不同溫度T下的供暖期集熱量及太陽能保證率如圖3所示。

表1 太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)TRNSYS仿真模型模塊

3 系統(tǒng)模擬分析

3.1 基準建筑與負荷計算

本文選取位于蘭州市的一棟住宅樓作為基準建筑，該住宅樓建筑面積8000 m2，層高2.8 m，一梯兩戶，每戶兩室一廳一廚一衛(wèi)。根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》(GB 50189—2015)選定建筑外墻熱導率為0.492 W/(m2·K)，外窗熱導率為4.7 W/(m2·K)，窗墻比為0.2，設(shè)定采暖期為11月1日—次年3月31日，共151 d，3624 h，供暖溫度為18 ℃。采用DeST-h建筑環(huán)境模擬軟件得到房間對各熱擾的響應(yīng)系數(shù)，進而可得全年采暖期的動態(tài)負荷(圖4)，采暖期累計熱負荷為584 167 kW·h。

3.2 系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置

太陽能集熱器系統(tǒng)采用溫差控制，實時監(jiān)測集熱器出口和集熱器進口的水溫差，當溫差大于10 ℃時，開啟水泵使集熱量存儲到水箱；當溫差小于10 ℃時，則關(guān)閉水泵。本文選用真空管集熱器，且偏重于冬季利用，集熱器傾角取50°，集熱水箱容積取0.05 m3/m2，水泵流量取0.05 m3/(h·m2)[17]，循環(huán)介質(zhì)為25%的乙二醇溶液。本文設(shè)定太陽能保證率為32%[10]，利用TRNSYS進行模擬，取集熱器面積為870 m2，介質(zhì)流量為47 583 kg/h，集熱水箱容積為95 m3。

土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管的參數(shù)設(shè)置見表2。熱泵額定COP取4.5，熱泵源測流量按5 ℃溫差確定，流量為30 784 kg/h，建筑末端采用低溫地板輻射供暖，熱泵負荷側(cè)流量按6 ℃溫差確定，流量為31 530 kg/h。

表2 地埋管的設(shè)定參數(shù)

3.3 供暖期太陽能集熱量與保證率

太陽能集熱器集熱量除了受光照條件、集熱水箱容積和控制方式等因素影響外，集熱水箱溫度也是不容忽視的影響因素之一。本文通過設(shè)定不同的溫度T，對系統(tǒng)采暖期太陽能集熱量與保證率進行了模擬計算，結(jié)果如圖3所示：隨著溫度T的增加，太陽能集熱量趨勢先迅速下降隨后逐漸變緩，分析認為這是由于當溫度T小于9 ℃時，系統(tǒng)多處于運行模式1運行狀態(tài)，隨著溫度T增加，系統(tǒng)更多地處于運行模式2運行狀態(tài)；本文算得太陽能集熱量為543.17 GJ，與溫度T=13 ℃時集熱量相近，均說明了減小溫度T對集熱量有明顯的提升作用。太陽能作為供暖熱源，太陽能集熱量決定了太陽能保證率。由圖3可知，太陽能保證率的變化趨勢與集熱量變化趨勢一致，當溫度T=5 ℃時大約是溫度T=13 ℃時的1.6倍，表明了減小溫度T可顯著提高系統(tǒng)太陽能保證率。同時發(fā)現(xiàn)，當溫度T=5 ℃時，集熱水箱損失熱量很小，幾乎可以實現(xiàn)對集熱器集熱量的完全利用，且滿足《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50366—2009)對熱泵機組源測的最低進水溫度4 ℃的要求。綜合來看，溫度T的減小可實現(xiàn)對太陽能的充分利用，且溫度T越小，作用越明顯。

3.4 土壤供熱量與溫度

采暖期土壤供熱量過多會導致土壤溫度下降迅速，甚至會使土壤凍結(jié)導致系統(tǒng)無法運行。太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)中可以利用太陽能對土壤進行跨季節(jié)補熱，用來保證土壤的熱平衡率在80%～120%范圍內(nèi)[18]。當太陽能集熱器的供熱量逐漸消耗時，土壤供熱量將逐漸增多，土壤的溫度取決于土壤供熱量；由圖5可知，采暖期土壤供熱量越大，最終土壤平均溫度越低，并且其變化趨勢與土壤供熱量變化趨勢剛好相反。本文設(shè)定6月25日—8月31日期間，系統(tǒng)啟動運行模式4為土壤補熱，通過設(shè)定不同的溫度T，對系統(tǒng)3年后最終土壤平均溫度進行了模擬，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在溫度T約為5.5 ℃時土壤平均溫度可恢復到其初始溫度，且隨著溫度T的增加，熱平衡率呈下降趨勢，表明為實現(xiàn)最佳的土壤取熱平衡需要增加更多非采暖期補熱量，將增加模式4的運行時長和能耗。綜合來看，溫度T的減小能更大程度地對土壤熱量進行保護，不僅減少了采暖期土壤取熱量，而且減少了非采暖期用于土壤補熱的運行能耗，且溫度T越小作用越明顯。

3.5 熱泵機組COP與耗電量

熱泵機組的COP反映了熱泵的運行性能，其主要受蒸發(fā)器進水溫度、冷凝器進水溫度和機組耗功等因素的影響。本文通過設(shè)定不同的溫度T，對熱泵機組的COP進行了模擬計算，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，熱泵機組的COP呈現(xiàn)中間低兩端高的趨勢，為了分析其原因，將3種運行模式下的COP也進行了模擬計算，對應(yīng)圖中右坐標。運行模式2下的COP隨著溫度T的降低而減少，而運行模式1和運行模式3下的COP卻隨著溫度T的降低而增加，呈現(xiàn)相反的趨勢。這是由于在運行模式2下，太陽能集熱量利用得越充分，土壤中將會有更多的熱量被短暫保存，當再次從中取熱時便更利于取熱，并且當設(shè)定溫度T越高時，這種作用越小，表現(xiàn)為運行模式1和運行模式3下的COP下降趨勢由快到慢，且運行模式1下的COP表現(xiàn)得更明顯。由于系統(tǒng)中熱泵機組的COP受蒸發(fā)器進水溫度的影響較大，將3種運行模式下的機組蒸發(fā)器進水溫度也進行了模擬計算，驗證了前面的分析，結(jié)果如圖8所示。熱泵機組的耗電量占系統(tǒng)耗電量比例最大，決定了系統(tǒng)的運行能耗。通過設(shè)定不同的溫度T，對熱泵機組的耗電量進行了模擬計算，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，熱泵機組在整個采暖期及3種運行模式下耗電量的變化趨勢與其相應(yīng)COP的變化趨勢剛好相反，機組的耗電量呈現(xiàn)中間高兩端低的趨勢。綜合來看，溫度T在5～17 ℃范圍內(nèi)，熱泵機組的COP呈現(xiàn)出中間低兩端高的趨勢，熱泵機組的耗電量則呈現(xiàn)出中間高兩端低的趨勢。

3.6 太陽能集熱器面積

本文設(shè)定溫度T=5 ℃，對不同太陽能集熱器面積下的系統(tǒng)運行性能進行了模擬計算，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，隨著太陽能集熱器面積的增加，集熱器供熱量近似線性增長，而土壤供熱量在集熱器面積800 m2時出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)折點，在該點之前下降較慢，在該點之后下降較快，熱泵機組耗電量也呈現(xiàn)出與土壤供熱量相似的變化趨勢；當集熱器面積大于800 m2時，熱泵機組COP增長較快，且集熱器面積大于950 m2時COP增長有減緩趨勢，表明當集熱器面積較小時，系統(tǒng)運行性能較差，但是集熱器面積也不宜過大，以800～950 m2較為適宜。綜合來看，為了獲得較優(yōu)的系統(tǒng)運行性能，系統(tǒng)中太陽能集熱器面積不宜過小，并且在實際工程應(yīng)用中若安裝場地和經(jīng)濟條件允許宜取較大值。

4 結(jié)論

1) 溫度T的減小顯著增加了太陽能集熱量的利用和太陽能保證率，且溫度T越小作用越明顯，當溫度T=5 ℃時，可近乎完全利用集熱器集熱量。

2) 溫度T的減小能更大程度地保護土壤熱量，減少了采暖期土壤取熱量和非采暖期用于土壤補熱的運行能耗，而且溫度T越小作用越明顯。

3) 溫度T在5～17 ℃范圍內(nèi)，熱泵機組的COP呈現(xiàn)出中間低兩端高的趨勢，熱泵機組的耗電量呈現(xiàn)出相反的趨勢，且溫度T較小時，熱泵機組的COP和耗電量均較優(yōu)。

4) 采用本文的太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)，建議設(shè)定溫度T為5～7 ℃，選取適宜的集熱器面積，不但可以充分利用太陽能集熱量，較大程度地避免土壤熱平衡問題，還能獲得較優(yōu)的熱泵COP，有效減少系統(tǒng)運行能耗，保證系統(tǒng)運行良好，有望獲得顯著的節(jié)能效果。