嚴(yán)寒地區(qū)太陽(yáng)能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化

劉 逸，陳培強(qiáng)，秦 羽，孫 穎，徐 瑩，亓冬鑫

（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150028）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)于建筑熱舒適的需求越來越高品質(zhì)化［1-2］，用于建筑供能的一次能源消耗量巨大，因此開發(fā)利用可再生能源實(shí)現(xiàn)全球能源轉(zhuǎn)型成為目前各國(guó)相關(guān)學(xué)者們的熱點(diǎn)研究課題［3］。部分學(xué)者［4-6］提出采用土壤源熱泵技術(shù)為建筑供暖，但該技術(shù)在嚴(yán)寒地區(qū)的適用性受建筑負(fù)荷分布特性的影響較大，系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)引起土溫失衡問題，使得該系統(tǒng)供能性能降低［7］。

近年來，VERMA 等［8］針對(duì)印度地區(qū)的氣象條件提出了白天（9：00～17：00）利用太陽(yáng)能通過埋管換熱器對(duì)土壤蓄熱，夜間（19：00～次日3：00）利用埋管換熱器從土壤中取熱對(duì)建筑供暖，該方法有效提升了SGSHPS 的COP。隨后，F(xiàn)INE 等［9］通過實(shí)際案例證明了太陽(yáng)能的加入可抑制土壤熱失衡問題并且可以儲(chǔ)存熱量以備冬季使用［10］。XIA 等［11］利用簡(jiǎn)化的自適應(yīng)模型和遺傳算法對(duì)SGSHPS 在不同工況和控制設(shè)置下的供能性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)。EVGUENIY 等［12］分析了6 種應(yīng)用于SGSHPS 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制邏輯，結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于ann 的策略可以減少一次能源消耗（約36%）、運(yùn)營(yíng)成本（約81%）以及二氧化碳當(dāng)量排放（約36%）。GITI 等［13］對(duì)太陽(yáng)能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)供能經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，得出在最優(yōu)條件下該系統(tǒng)投資回收期縮短為6 年，若在該系統(tǒng)中加入生活熱水系統(tǒng)［14］可提升整體系統(tǒng)COP，而系統(tǒng)初投資僅增加一小部分。國(guó)內(nèi)學(xué)者在天津、大連、西安、長(zhǎng)春及夏熱冬冷等地建立了該耦合系統(tǒng)的實(shí)際工程項(xiàng)目［15-25］，并通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，因地制宜的提出了項(xiàng)目所在區(qū)域的系統(tǒng)最佳運(yùn)行方案。

綜上所述，既往學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)建模及土壤蓄熱模式重要性的研究較為充分，但因該系統(tǒng)過于龐大、運(yùn)行機(jī)理較復(fù)雜，且不同地區(qū)的氣候條件、太陽(yáng)能資源及土壤熱物性參數(shù)不一致，因此各運(yùn)行模式及其節(jié)能效果有所不同。為了使復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理，必須根據(jù)各地區(qū)的具體情況來探討其各種運(yùn)行模式，從而可確定合適的運(yùn)行方案。鑒于此，本文針對(duì)該方面進(jìn)行探究，以位于嚴(yán)寒地區(qū)哈爾濱市某獨(dú)棟辦公建筑為研究對(duì)象，自行搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用TRNSYS 軟件建立系統(tǒng)模型并以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，提出多模式切換地埋管分區(qū)運(yùn)行方案并與傳統(tǒng)方案進(jìn)行對(duì)比，分析不同運(yùn)行方案的系統(tǒng)性能影響規(guī)律，得出相對(duì)最優(yōu)運(yùn)行策略。本文研究工作將為嚴(yán)寒地區(qū)該項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的推廣提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)及系統(tǒng)建模

1.1 建筑概況

本文以嚴(yán)寒地區(qū)代表性城市哈爾濱某一獨(dú)棟兩層辦公樓的太陽(yáng)能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)為研究對(duì)象，該建筑空調(diào)面積為462 m2，一層面積為225 m2，二層面積為237 m2。該建筑嚴(yán)格按照J(rèn)GJ 26-2010《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建造，建筑南北朝向，其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示，窗墻比為東西0.3、南0.45、北0.25。

表1 各圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合導(dǎo)熱系數(shù)Tab.1 Comprehensive thermal conductivity of each enclosure structure

1.2 建筑負(fù)荷計(jì)算

依據(jù)實(shí)際建筑利用TRNSYS 瞬態(tài)模擬軟件中Trnbuild 進(jìn)行建筑建模，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)參照表1 選取，冬季室內(nèi)溫度設(shè)定為20 ℃，夏季為26 ℃，相對(duì)濕度為55%，人員密度按人/10 m2，新風(fēng)量為每人30 m3/h，冷風(fēng)滲透取0.5 次/h，在simulition studio 中搭建模型框架，如圖1 所示。并以此模型計(jì)算出建筑所需全年最大熱負(fù)荷為34 kW，將其與規(guī)范JGJ26-2010 要求的單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，誤差為1.96%。

圖1 建筑計(jì)算模型Fig.1 Building calculation model

1.3 系統(tǒng)概況

太陽(yáng)能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)的原理如圖2所示，根據(jù)1.2 節(jié)計(jì)算出的建筑全年最大熱負(fù)荷選取制熱量為35 kW 的熱泵機(jī)組，循環(huán)制冷劑為R22。通過實(shí)地巖土熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)土壤初始溫度為8.6 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)為1.8 W/（m2·K），單位埋深換熱量為30 W/m，地埋管換熱器按GB 50366-2009《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)，分區(qū)布置（陰影區(qū)域內(nèi)地面管負(fù)責(zé)系統(tǒng)供冷，下文簡(jiǎn)稱埋管區(qū)域一；陰影區(qū)域外地埋管負(fù)責(zé)系統(tǒng)供冷間歇運(yùn)行時(shí)土壤蓄熱，下文簡(jiǎn)稱埋管區(qū)域一二），如圖3 所示。共布置12 口鉆井，每口鉆井垂直敷設(shè)單U 型地埋管100 m。太陽(yáng)能集熱器面積按GB 50495-2009 太陽(yáng)能供熱采暖應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)計(jì)算的43 m2，蓄熱水箱容積2.4 m3，生活熱水水箱為0.3 m3。

圖2 系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic diagram of the system

圖3 地埋管群分區(qū)布置Fig.3 Zoning layout of buried pipe group

1.4 系統(tǒng)建模

依據(jù)上述結(jié)果，利用TRNSYS 軟件搭建系統(tǒng)仿真模型，通過分析系統(tǒng)原理可知該系統(tǒng)建模所需模塊主要由地埋管換熱器（Type557a）、太陽(yáng)能集熱器（Type71）、熱泵機(jī)組（Type668）、循環(huán)水泵（Type114）等構(gòu)成，各主要構(gòu)成部件的數(shù)學(xué)模型參照文獻(xiàn)［26］。

1.5 數(shù)據(jù)采集及處理

實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建完成后，分多次前往實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將該系統(tǒng)性能參數(shù)匯總并按相應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)算［27］，最后將本文研究所需數(shù)據(jù)歸納制表，以備分析。

2 系統(tǒng)運(yùn)行策略介紹

本文針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)典型城市哈爾濱某一獨(dú)棟462 m2辦公樓的全年供能節(jié)能方案進(jìn)行研究，熱源側(cè)采用太陽(yáng)能及土壤源熱泵系統(tǒng)，負(fù)荷側(cè)采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)。

在8：00～18：00 之間，生活熱水水箱不滿足需求時(shí)，2 種方案均采用開啟輔助加熱器加熱生活熱水水箱的方式供應(yīng)生活熱水。土壤源熱泵系統(tǒng)開啟時(shí)間為7：00～18：00，新風(fēng)系統(tǒng)8：00 開啟18：00 關(guān)閉。

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行策略時(shí)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行模式按季節(jié)進(jìn)行劃分并將全年分為冬季（10-15～4-15）夏季（6-15～8-15）過渡季（4-15～6-15，8-15～10-15）3 個(gè)季度，各模式啟停以具體溫度進(jìn)行控制，若涉及到的參數(shù)處在溫控區(qū)間內(nèi)，則保持原有運(yùn)行模式。溫控參數(shù)包括：地埋管換熱器出口溫度Tc、蓄熱水箱溫度Tt、室內(nèi)溫度Ti、生活熱水水箱溫度Ts結(jié)合耦合系統(tǒng)工作原理、全年太陽(yáng)日照強(qiáng)度及室外溫度變化情況設(shè)計(jì)出2 種系統(tǒng)運(yùn)行方案，具體系統(tǒng)運(yùn)行方案如下。

2.1 常規(guī)運(yùn)行方案

太陽(yáng)能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)的常規(guī)運(yùn)行方案（方案1）由5 種模式構(gòu)成，具體運(yùn)行模式分別為：土壤源熱泵系統(tǒng)供暖、太陽(yáng)能蓄熱水箱加熱生活熱水、太陽(yáng)能蓄熱水箱加熱生活熱水并進(jìn)行蓄熱、土壤源熱泵供冷、輔助加熱器加熱生活熱水。具體運(yùn)行模式控制策略見表3。

表3 常規(guī)運(yùn)行方案Tab.3 Conventional operation scheme

2.2 多模式切換運(yùn)行方案

多模式切換運(yùn)行方案（方案2）是在方案1的基礎(chǔ)上，冬季加入太陽(yáng)能輔助供暖，夏季供冷間歇運(yùn)行時(shí)加入太陽(yáng)能蓄熱模式。具體運(yùn)行方案見表4。

表4 多模式切換運(yùn)行方案Tab.4 Multi-mode switching operation scheme

3 系統(tǒng)模型驗(yàn)證

數(shù)值建模不可避免有模型簡(jiǎn)化及模塊選取環(huán)節(jié)，因此建模完成后需以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，從而確保模型準(zhǔn)確性。圖3 示出了典型日逐時(shí)室內(nèi)平均溫度、地埋管換熱器進(jìn)出口溫差以及全年逐月土壤平均溫度的試驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比。分析圖中曲線可以得出，用以驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的3 項(xiàng)相對(duì)最大誤差分別為：4.57%，2.33%，1.5%，誤差均在允許范圍內(nèi)。產(chǎn)生誤差的原因?yàn)椋海?）TRNSYS 瞬態(tài)模擬軟件中室外環(huán)境溫度為歷年平均值，并非實(shí)驗(yàn)當(dāng)天溫度；（2）選取的地埋管換熱器模塊未考慮土壤分層、地下熱濕遷移引起的熱量傳遞；（3）未考慮換熱管間熱干擾。

圖3 試驗(yàn)值與模擬值比較Fig.3 The comparison of experimental and simulated values

4 結(jié)果與討論

4.1 供暖季室內(nèi)外溫變分析

圖4 示出了供暖期最冷月2 種方案控制下的建筑室內(nèi)外平均溫度逐時(shí)變化。分析圖中曲線可以得出，嚴(yán)寒地區(qū)冬季最冷月室外溫度可達(dá)零下28 ℃，而冬季建筑內(nèi)熱環(huán)境溫度以19 ℃為標(biāo)準(zhǔn)衡量，二者溫差為46 ℃；由此可以看出，嚴(yán)寒地區(qū)冬季建筑所需熱負(fù)荷較大且室內(nèi)溫度受室外環(huán)境影響較大。系統(tǒng)在方案1 運(yùn)行策略控制下的最冷月中大部分時(shí)間可滿足建筑負(fù)荷需求，但從圖3（a）中看出，仍有幾天未達(dá)到建筑熱舒適性標(biāo)準(zhǔn)，室外溫度最惡劣時(shí)，室內(nèi)溫度在13 ℃波動(dòng)。這是由于冬季方案1 的運(yùn)行模式中建筑所需熱負(fù)荷完全由地埋管換熱器從土壤中汲取，而嚴(yán)寒地區(qū)淺層地溫受環(huán)境影響較大，地溫偏低，換熱器與土壤間的換熱大部分以導(dǎo)熱形式進(jìn)行，因此換熱效率偏低。系統(tǒng)在方案2 運(yùn)行策略控制下的最冷月整月時(shí)間均滿足了建筑負(fù)荷需求，從圖3（b）中可以看出，即使在最惡劣的氣候環(huán)境下，室內(nèi)溫度仍能保持在20 ℃左右，系統(tǒng)供能性能較好。

圖4 2 種方案控制下的室內(nèi)外溫度逐時(shí)變化圖Fig.4 Hourly variation diagram of indoor and outdoor temperatures under the control of two schemes

4.2 熱泵機(jī)組供能性能分析

圖5 示出了2 種方案控制下的熱泵機(jī)組全年逐月能耗及COP 逐月變化。從圖中可以看出，2 種方案控制下的熱泵機(jī)組能耗全年變化趨勢(shì)相同，冬季機(jī)組能耗較大的月份出現(xiàn)在1，2 及12 月，而機(jī)組COP 卻呈現(xiàn)出不同走勢(shì)，在方案1 控制下的熱泵機(jī)組COP 隨著供暖時(shí)間的推移（10-15～4-15）先下降后上升，熱泵機(jī)組全年總能耗為5 514 kW·h，冬夏季平均COP 為3.26，5.2。在方案2 控制下的熱泵機(jī)組COP 隨著供暖時(shí)間的推移先升高后下降，熱泵機(jī)組全年總能耗為4 947 kW·h，冬夏季平均COP 為3.73，5.78。在供暖初末期兩種方案控制下的熱額泵機(jī)組COP 相差不大，在供暖中期時(shí)兩種方案控制下的COP 相差較大且方案2 優(yōu)于方案1，對(duì)比分析可知，冬季提升14.42%，夏季提升11.15%。這是由于在4.1節(jié)中已經(jīng)證實(shí)方案2 可完全承擔(dān)建筑所需熱負(fù)荷，而方案1 在最不利條件下并不能完全承擔(dān)建筑所需熱負(fù)荷，這間接說明方案2 的熱泵機(jī)組制熱量更大；另一方面，因熱泵機(jī)組采用的是卡諾循環(huán)原理，即熱泵機(jī)組通過消耗一定電能，利用地埋管換熱器從低溫?zé)嵩刺帲ㄍ寥溃┪崃總鬟f到高溫?zé)嵩矗C(jī)組負(fù)荷側(cè)）進(jìn)一步加熱，不難看出低溫?zé)嵩刺帨囟仍礁邔?duì)機(jī)組供能越有利。方案2 運(yùn)行策略中較方案1 優(yōu)化了全年太陽(yáng)能向土壤蓄熱模式，太陽(yáng)能年蓄熱量提升，從而土壤熱失衡問題得到改善，因此，方案2 控制下的低溫?zé)嵩刺帨囟容^方案1 高，機(jī)組供能性能得到優(yōu)化。

圖5 2 種方案控制下的熱泵機(jī)組全年逐月能耗及COPFig.5 Monthly energy consumption and COP of heat pump units under the control of two schemes throughout the year

4.3 地埋管換熱器供能性能分析

圖6 示出了2 種方案控制下的地埋管換熱器全年取蓄熱量逐月變化。分析圖中曲線可以得出，換熱器在方案1控制下的冬季取熱量較方案2高，而全年蓄熱量較方案2 少。方案2 中優(yōu)化后的太陽(yáng)能蓄熱模式取得了很好的蓄熱效果，即使是在冬季最不利工況下仍有少許蓄熱。系統(tǒng)在方案1控制下的地埋管換熱器總蓄熱量為9 380 kW·h，總?cè)崃繛?2 343 kW·h；方案2 控制下的總蓄熱量為12 559 kW·h，總?cè)崃繛? 991 kW·h。方案2 較方案1 總蓄熱量提升33.9%，總?cè)崃拷档?5.3%。2 種方案控制下的換熱器取熱量峰值出現(xiàn)在1 月，蓄熱量峰值出現(xiàn)在7 月。這是由于建筑所需最大冷負(fù)荷出現(xiàn)在7 月，最大熱負(fù)荷出現(xiàn)在1 月，隨著建筑負(fù)荷的需求加大，換熱器與土壤間換熱強(qiáng)度增強(qiáng)，但因方案2 中太陽(yáng)能蓄熱模式只要在溫控范圍內(nèi)均會(huì)開啟，而方案1 中冬夏季沒有蓄熱模式，土壤溫度得不到有效提升，因此換熱器在2 種方案下的全年取蓄熱量呈現(xiàn)出較大的差異。

圖6 2 種方案控制下地埋管換熱器全年逐月取蓄熱變化Fig.6 Change diagram of monthly heat extraction and storage of buried tube heat exchanger under the control of two schemes throughout the year

4.4 土壤溫變特性分析

圖7 示出了2 種方案控制下的土壤平均溫度全年逐時(shí)變化。分析圖中曲線可以得出，系統(tǒng)在2 種方案控制下的土壤溫變情況不同，系統(tǒng)在方案1 控制下運(yùn)行10 年后土壤溫度下降0.74 ℃，在方案2 控制下土壤溫度升高0.39 ℃。這是由于嚴(yán)寒地區(qū)土壤初始溫度偏低加之換熱器連年取熱造成土壤熱失衡問題嚴(yán)重，僅僅只在過渡季采用太陽(yáng)能蓄熱是不足以維持土壤溫度平衡的，換熱器對(duì)土壤蓄存的熱量一部分流失到遠(yuǎn)處低溫土壤中，還有一部分流散到環(huán)境中，因此，用以穩(wěn)定土壤熱平衡的熱量較少，盡管如此土壤溫度也處于對(duì)供暖有利狀態(tài)，綜合上文第4.1～4.3 節(jié)分析可知，系統(tǒng)在方案2 控制下的供能性能較好。

圖7 2 種方案控制下的土壤平均溫度全年逐時(shí)變化Fig.7 Hourly variation of average soil temperature under the control of two schemes throughout the year

4.5 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

系統(tǒng)能耗項(xiàng)目主要包括：循環(huán)水泵、熱泵機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤管、輔助加熱器。本文研究對(duì)象坐落于嚴(yán)寒地區(qū)典型城市哈爾濱，該地區(qū)售電標(biāo)準(zhǔn)為0.51 元/（kW·h），上述系統(tǒng)能耗占比較大的4 大項(xiàng)目工作均以電驅(qū)動(dòng)，故系統(tǒng)各月運(yùn)行費(fèi)用等于售電標(biāo)準(zhǔn)乘月總能耗量。圖8 示出了2 種方案控制下的系統(tǒng)全年能耗及運(yùn)行費(fèi)用逐月變化。從圖中可以看出，系統(tǒng)逐月能耗與4.2 節(jié)中機(jī)組能耗分布相同，系統(tǒng)能耗較大的月份出現(xiàn)在1，2 及12 月份，對(duì)比上文第4.2 節(jié)機(jī)組能耗可以看出，5，9 月份機(jī)組不運(yùn)行，但系統(tǒng)能耗與夏季機(jī)組供冷時(shí)系統(tǒng)能耗基本相同。這是由于兩種方控制下的系統(tǒng)運(yùn)行模式在過渡季中均設(shè)置了太陽(yáng)能蓄熱模式，在溫控范圍內(nèi)，蓄熱環(huán)路的循環(huán)水泵始終開啟，從而能耗加大。方案1 控制下系統(tǒng)總能耗為10 402 kWh，運(yùn)行費(fèi)用為5 305 元；方案2 控制下系統(tǒng)總能耗為9 191 kWh，運(yùn)行費(fèi)用為4 687 元。2 種方案運(yùn)行費(fèi)用相差618 元。

圖8 兩種方案控制下的系統(tǒng)能耗及運(yùn)行費(fèi)用逐月變化Fig.8 Monthly changes of system energy consumption and operating cost under the control of two schemes

5 結(jié)論

（1）嚴(yán)寒地區(qū)利用太陽(yáng)能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)為建筑供能是十分可行的，合理利用太陽(yáng)能及優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行策略可有效緩解單獨(dú)采用土壤源熱泵系統(tǒng)供能引起的土壤熱失衡問題。

（2）考慮在夏季供冷間歇運(yùn)行時(shí)加入太陽(yáng)能蓄熱模式，可能會(huì)出現(xiàn)夏季能耗增加并且影響系統(tǒng)制冷效果，可采取埋管分區(qū)運(yùn)行，利用一部分埋管蓄熱，節(jié)能效果顯著。

（3）在冬季建筑熱負(fù)荷需求最大的月份，常規(guī)運(yùn)行方案控制下的系統(tǒng)對(duì)建筑供能時(shí)，在某一日出現(xiàn)未滿足建筑熱負(fù)荷需求，室溫在13 ℃波動(dòng)，冬夏季機(jī)組COP 分別為3.26，5.2，換熱器全年總?cè)崃砍^總蓄熱量2 963 kW·h，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10 年后的土壤溫度出現(xiàn)下降趨勢(shì)，經(jīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)市場(chǎng)調(diào)研后計(jì)算的系統(tǒng)第一年運(yùn)行費(fèi)用為5 305 元。

（4）在冬季建筑熱負(fù)荷需求最大的月份，多模式切換地埋管分區(qū)運(yùn)行方案控制下的系統(tǒng)對(duì)建筑供能時(shí)，可滿足建筑熱負(fù)荷需求，室溫在20 ℃波動(dòng)，冬夏季機(jī)組COP 分別為3.73，5.78，換熱器全年總蓄熱量超過總?cè)崃? 568 kW·h，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10 年后的土壤溫度出現(xiàn)上升趨勢(shì)，經(jīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)市場(chǎng)調(diào)研后計(jì)算的系統(tǒng)第一年運(yùn)行費(fèi)用為4 687 元。