基于TRNSYS模擬的多能源時序互補供暖系統(tǒng)研究

摘要：針對典型氣候區(qū)（鄭州和哈爾濱）不同建筑類型的負荷特點，提出多能源時序互補集中式供暖系統(tǒng)，并對蓄熱場的蓄取規(guī)律進行模擬分析。通過TRNSYS模擬，對多能源時序互補集中式供暖系統(tǒng)在不同建筑中運行時的蓄熱場土壤平均溫度、系統(tǒng)運行策略、能效提升率進行分析。結果表明：土壤平均溫度處于動態(tài)平衡，公建系統(tǒng)土壤平均溫度最高可達65℃;公建及寒冷地區(qū)居建系統(tǒng)運行策略均以太陽能直供和蓄熱場直供為主要供熱方式，地源熱泵為輔，嚴寒地區(qū)居建系統(tǒng)運行策略是以地源熱泵為主要供熱方式，太陽能直供和蓄熱場直供為輔；多能源時序互補集中式供暖系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)相比能效提升明顯，公建系統(tǒng)能效可提升90%以上，嚴寒地區(qū)居建系統(tǒng)能效提升59.12%。

關鍵詞：太陽能；地源熱泵；TRNSYS模擬；能效比；土壤蓄熱

中圖分類號：TEO文獻標志碼：A

0引言

建筑能耗是中國能耗的重要組成部分，《中國建筑能耗研究報告（2021年）》的數據顯示，2019年全國建筑全過程能耗總量為22.33億t標準煤，占全國能源消費總量的比重為45.8%。建筑運行階段能耗10.3億t標準煤，占全國能源消費總量的比重為21.2%。2022年中央一號文件提出“推動鄉(xiāng)村振興取得新進展，農業(yè)農村現代化邁出新步伐”，其中“扎實開展重點領域農村基礎設施建設”提到推進農村光伏、地熱能等清潔能源建設。因此，針對村鎮(zhèn)建筑供暖進行研究分析，利用可再生能源作為熱源，既能降低常規(guī)能源消耗又能滿足農村地區(qū)的供暖需求。

地源熱泵作為可再生能源利用技術，順應了中國能源發(fā)展的趨勢，但在中國嚴寒和寒冷地區(qū)，建筑全年冷熱負荷相差較大，長時間運行會導致土壤溫度降低，使其系統(tǒng)運行能效嚴重下降。多能源互補使用，減少地源熱泵在冬季的使用時長，與夏季供冷相互平衡，可解決上述存在的問題。本文以多能源互補使用為基礎，提出多能源時序互補逆流換熱系統(tǒng)，對其在典型氣候區(qū)的運行性能進行為期10年的研究，并與傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)的運行能效進行對比分析，為該系統(tǒng)在后續(xù)的研究和應用提供理論依據。

1系統(tǒng)介紹

本文提出的多能源時序互補供暖系統(tǒng)（簡稱“多能源時序互補系統(tǒng)”）原理如圖1所示（多能源時序互補系統(tǒng)中子系統(tǒng)包含地源熱泵系統(tǒng)，不做重復描述），多能源時序互補系統(tǒng)包括太陽能集熱循環(huán)、蓄熱場蓄熱、蓄熱場直供、太陽能直供和地源熱泵直供5個子系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由時序逆流蓄取的地埋管地熱場、太陽能集熱器、熱交換器、儲熱水箱、地源熱泵機組等組成。

1）太陽能集熱循環(huán)：太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)包括平板太陽能集熱器、板式換熱器、循環(huán)水泵（P1、P2）和儲熱水箱，陽光充足時平板太陽能集熱器將收集的熱量通過板式換熱器將熱量儲存到儲熱水箱中，此時循環(huán)水泵（P1、P2）參與工作。

2）蓄熱場蓄熱：太陽能集熱器將太陽能蓄存至蓄熱為主的時序逆流蓄取的地埋管地熱場，此時平板太陽能集熱器與儲熱水箱板式換熱器、儲熱水箱、循環(huán)水泵（P1、P2、P3）參與工作，閥門（V1、V2、V6、V8、V9、V11、V13）打開，此時平板太陽能集熱器收集的熱量通過板式換熱器進入儲熱水箱，儲熱水箱中的熱量經由閥門（V2、V8、V9、V11、V13）進入分水器，由地埋管地熱場中心流經各串聯的地埋管后，由集水器將各支路水收集后經由閥門（V1、V2、V6）返回儲熱水箱，完成蓄熱循環(huán)。

3）太陽能直供：太陽能可直接滿足供暖需求時，優(yōu)先利用太陽能直接進行供暖，此時太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)工作，通過板式換熱器將熱量儲存到儲熱水箱中，而蓄熱場閥門關閉，儲熱水箱通過用戶側板式換熱器對用戶進行供熱。用戶側供暖循環(huán)水由儲熱水箱與用戶側間接熱交換器出來后經閥門（V14）給用戶取暖，回水由閥門（V15）返回至儲熱水箱與用戶側間接熱交換器進行換熱，完成用戶側供暖循環(huán)。

4）蓄熱場直供：當蓄熱場取熱溫度滿足供暖需求時可直接供熱，此時蓄熱場、用戶側間接板式換熱器、循環(huán)水泵（P4、P6）工作，閥門（V4、V5、V6、V16、V17）開啟。取熱時蓄熱場循環(huán)水通過分水器分水至各支路然后地熱場邊緣經各串聯地埋管換熱后由集水器收集后供給用戶側板式換熱器，換熱后返回至分水器，完成直接供暖循環(huán)。太陽能集熱循環(huán)在蓄熱場直供期間正常工作。

5）地源熱泵直供：當蓄熱場出水溫度無法滿足直接供暖時，由地源熱泵機組直接進行供暖，此時地源熱泵機組、循環(huán)水泵（P6、P7）工作，閥門（V20、V23、V25、V26）開啟，利用蒸發(fā)側取用地熱場熱量，制熱后供給用戶側，此時地源熱泵子系統(tǒng)的循環(huán)水泵工作，制熱過程即地埋管地源熱泵工作的流程，地源熱泵蒸發(fā)側低溫水由分水器分水后從地下換熱后由集水器進入地源熱泵，完成地源側循環(huán)；地源熱泵冷凝側出水供至用戶供暖后，回至地源熱泵機組，完成用戶側供熱循環(huán)。

TRNSYS軟件是瞬時系統(tǒng)模擬程序，最早由美國威斯康星州麥迪遜大學太陽能實驗室研制開發(fā)。在該軟件中，暖通空調系統(tǒng)中各設備被拆分為獨立部件，實際應用時，將各設備部件進行連接拼合為整個系統(tǒng)。通過輸入所需設備運行參數，實現系統(tǒng)的模擬運轉，不但可對系統(tǒng)能耗進行模擬計算，還可對系統(tǒng)各項運行參數進行優(yōu)化，最終得出目標函數下的最優(yōu)化系統(tǒng)配置[1]。

嚴寒與寒冷地區(qū)分別以哈爾濱和鄭州為例，在兩地村鎮(zhèn)建筑中各選取公建和居建作為建筑模型。按建筑設計維護結構及功能特點確定新風量和設備負荷等，利用TRNSYS軟件分別模擬出不同建筑類型在采暖季的逐時熱負荷。建筑基本情況如表1所示。

根據圖1，對多能源時序互補系統(tǒng)建立TRNSYS模型如圖2所示，由于系統(tǒng)為多個子系統(tǒng)的復合系統(tǒng)，現實情況較為復雜，無法準確建立真實的模型，建模過程中做出以下假設：

1）太陽能集熱系統(tǒng)視為一個整體進行計算分析；

2）忽略太陽能集熱器的污染物對其集熱效率的影響；

3）集熱器內部介質為理想介質，忽略溫度對其熱物性的影響：

4）地熱場的土壤視為均勻介質，其物性參數為各層土壤介質的平均；

5）假設地埋管換熱器的管道與管壁及回填料接觸良好；

6）假設地埋管換熱器管道同一截面處的溫度、速度均勻一致[2-4]。

多能源時序互補系統(tǒng)主要有3個子系統(tǒng)：地源熱泵子系統(tǒng)、太陽能集熱子系統(tǒng)、地埋管場蓄取熱子系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)包括1個地源熱泵機組、地埋管場、分集水器、末端風機盤管、用戶側循環(huán)泵和地源側循環(huán)泵；太陽能集熱循環(huán)包括太陽能集熱器、緩沖水箱、板式換熱器和集熱循環(huán)泵；太陽能蓄取熱系統(tǒng)包括地埋管場、分集水器、循環(huán)水泵和板式換熱器。系統(tǒng)全年控制循環(huán)為：

1）夏季循環(huán)：地源熱泵系統(tǒng)在夏季為建筑提供冷量，多能源時序互補系統(tǒng)在夏季僅實現集熱和蓄熱功能。

2）冬季循環(huán)：冬季供暖時，多能源時序互補系統(tǒng)運行分為3個工況：太陽能直供、蓄熱場直供和地源熱泵循環(huán)供暖。當緩沖水箱溫度達到太陽能直供設定溫度時，開啟太陽能集熱子系統(tǒng)為末端供暖；緩沖水箱溫度下降到設定溫度以下時，開啟地埋管場蓄取熱子系統(tǒng)為末端供熱；蓄熱場出水溫度低于設定溫度45 ℃時，開啟地源熱泵子系統(tǒng)為末端供暖。

3）過渡季循環(huán)：過渡季地源熱泵系統(tǒng)不運行，與夏季循環(huán)相似，多能源時序互補系統(tǒng)僅實現集熱和蓄熱功能I3。

2蓄熱場蓄取規(guī)律分析

蓄熱場中地埋管與土壤、土壤與土壤、土壤與外界環(huán)境之間的換熱過程非常復雜，管群之間不僅存在熱干擾影響，而且會受到外界其他因素的干擾。本文以6根管在鄭州地區(qū)的土壤熱物性為例，計算土壤的熱影響范圍、蓄熱量等，最后計算整個蓄熱場的蓄熱量及平均溫度上升趨勢。蓄熱場蓄熱時長為研究開始的前3年，包括第4年的非采暖季，共1340 d。從第4年開始，地埋管僅在非采暖季蓄熱，采暖季僅取熱。

管群規(guī)模為36根管井。該換熱模型是以圓柱體圓筒壁換熱模型為基礎，以六口井為例建立地埋管模型，研究六口井年蓄熱量和溫升情況。本文中蓄熱場研究是以鄭州地區(qū)為例，并在該地區(qū)進行了巖土熱響應試驗，相關參數見表2（哈爾濱地區(qū)蓄熱場相關參數由文獻[5-6]確定）。

在進行地埋管群的計算時其物理模型的最遠邊界是必須要考慮的問題。井群的最遠邊界是指距離井群邊緣向外延伸一定距離的土壤邊界，在整個模擬計算過程中，最遠邊界處的土壤溫度應始終為土壤的初始溫度，不會因地埋管群的蓄取熱而發(fā)生變化。對地埋管連續(xù)1340 d蓄熱的工況進行模擬計算。單管換熱模型邊界條件類似整體換熱模型，四周及底部采用無限元區(qū)域，設為定溫，頂部為保溫材料。

2.1蓄熱場蓄熱規(guī)律分析

為提高計算效率，取原整體模型1/6進行計算，切面設為周期性邊界條件。6根地埋管蓄熱分為4個階段，蓄熱土壤溫度分布情況如圖3所示。

由圖3可知，隨著蓄熱時長的增加土壤中心溫度逐漸升高，影響半徑增大，在蓄熱結束時土壤中心溫度可達78 ℃。模擬所選取的蓄熱體中心溫度到邊緣溫度呈階梯式下降，變化較明顯，這種溫度變化趨勢與本文提出的逆流換熱相吻合，蓄熱場邊緣溫度較低，減少蓄熱場與周圍土壤的換熱，實現對蓄熱場中心熱量的保護，保證供暖季系統(tǒng)的取熱量。

蓄熱體蓄熱1340 d，土壤平均溫度變化曲線與蓄熱體周圍散熱量占比如圖4、圖5所示。

從圖4可看出，蓄熱體在整個蓄熱期間，土壤平均溫度上升趨勢平穩(wěn)，蓄熱結束時，土壤平均溫度可達到60℃，蓄熱效果較好。

從圖5可看出，蓄熱體蓄熱時，四周散熱量最大，底部散熱量最小。通過模擬數據分析，四周散熱量占總散熱量的45%，頂部散熱量占總散熱量的35%，底部散熱量占總散熱量的20%。由于蓄熱體四周面積大，頂部與外界空氣接觸時間長，外界溫度變化較大，所以四周與頂部散熱量在總散熱量中占比較大。為有效減少散熱量對蓄熱效率的影響，在實際工程中應加強四周與頂部的保溫措施。

2.2蓄熱場取熱規(guī)律分析

在蓄熱1340d后，從本研究的第4年采暖季開始取熱，取熱時從邊緣地埋管進水，中心地埋管出水，實現逆流換熱。蓄熱場取熱120d后，再進行蓄熱，蓄熱時長245 d，進入第5年采暖季，再取熱120 d。循環(huán)蓄熱和取熱，使蓄熱場達到平衡，對第4年和第5年的蓄熱和取熱工況進行模擬計算，分析土壤溫度特性。取熱土壤溫度分布情況如圖6所示。

由圖6可見，蓄熱體取熱從第4年的采暖季開始，共120 d，第4年取熱結束時蓄熱體中心溫度為63.7℃;第5年非采暖季蓄熱，時長245 d，蓄熱結束時蓄熱場中心溫度為77.5 ℃，第5年采暖期取熱結束時蓄熱場中心溫度為60.9 ℃。通過對模擬結果分析可知，在采暖季取熱120 d后，蓄熱體溫度下降幅度較小，中心溫度從77.5 ℃下降至60.9℃，整個采暖季蓄熱體中心溫度下降16.6℃，且通過非采暖季245 d的蓄熱，蓄熱體中心溫度可回升到預期溫度值，第4年取熱結束時蓄熱體中心溫度為63.7℃，第5年蓄熱結束時蓄熱體中心溫度為77.5℃，非采暖季蓄熱使蓄熱體中心溫度上升13.8 ℃，從中心溫度來看，蓄熱體供需基本匹配。

隨著取熱時間的增加，日取熱量逐漸減小，在最開始取熱時日取熱量可達到0.33 GJ，取熱結束時日取熱量為0.14 GJ。通過對模擬結果的分析，日取熱量逐漸減小主要是因為隨著取熱時間的增加土壤溫度逐漸降低，可取出的熱量逐漸減少，所以在后續(xù)系統(tǒng)研究時，日取熱量減小到不能滿足室內供暖時應根據需添加輔助熱源。

3系統(tǒng)模擬數據分析

將不同建筑類型按上述TRNSYS模型進行模擬，根據模擬計算結果可得到土壤溫度變化與時間的關系圖、蓄熱場在各方向上的散熱量占比、不同供熱模式下的供熱時長、每年供暖季不同供熱模式下累計供熱量、蓄熱場的蓄熱量和取熱量隨時間的變化曲線，分析不同建筑類型能效提升率。

3.1蓄熱場平均溫度

蓄熱場在設計時，根據建筑累計熱負荷、太陽能集熱效率、蓄熱材料等計算出蓄熱場體積、管群數量、管間距。不同地區(qū)公建和居建的供熱時長不同，累計熱負荷等相差較大，所以蓄熱場的基本情況也存在較大差異，蓄熱場在10年內平均溫度隨時間的變化曲線如圖8所示。

前3年蓄熱場僅蓄熱不取熱的情況下，土壤平均溫度逐年上升，由于蓄熱場四周存在熱量損失，所以每年蓄熱結束后，土壤平均溫度會有小幅下降。從第4年起，系統(tǒng)邊蓄邊取，哈爾濱公建土壤平均溫度在50～65 ℃之間，居建土壤平均溫度在40～55 ℃之間，鄭州公建土壤平均溫度在55～65 ℃之間，居建土壤平均溫度在50～60℃之間。哈爾濱與鄭州相比，土壤平均溫度波動較大，這與哈爾濱的土壤特性、建筑負荷及氣候有關，哈爾濱土壤初始溫度較低，建筑負荷大、氣候寒冷，蓄熱場散熱量與取熱量遠高于鄭州。所以在模擬時，對哈爾濱的蓄熱場四周及頂部均做了保溫措施，以減少蓄熱場散熱。

3.2不同供熱模式下的累計供熱量與系統(tǒng)能效

系統(tǒng)在不同的建筑中運行時，運行策略會根據建筑供暖需求進行調整，不同的運行策略下，3種供熱模式的運行時長和累計供熱量均不相同，這將會對系統(tǒng)整體能效的提升產生影響。不同供熱模式下的累計供熱量如圖9所示。

通過研究表明，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，蓄熱場和太陽能基本可滿足建筑供暖需求。在此基礎上模擬分析了該建筑在供暖期太陽能、蓄熱場、地源熱泵的貢獻率，即在系統(tǒng)穩(wěn)定運行后3種供熱模式占整個供暖期的比例，由此可分析出節(jié)能潛力。結果圖9所示，可看出，對于鄭州地區(qū)不同建筑類型，太陽能直供和蓄熱場直供占比較大，地源熱泵起到調峰的作用。哈爾濱地區(qū)公建和居建運行策略差距較大，主要是因為居建采暖時間較長，累計負荷大，太陽能和蓄熱場直供的熱量遠不能滿足建筑需求，所以居建在供暖季以地源熱泵直供為主，公建以蓄熱場和太陽能直供為主。

不同供熱模式下的系統(tǒng)能效如圖10所示。從第4年開始，在不同地區(qū)的公建和居建中，太陽能直供和地源熱泵直供的系統(tǒng)能效相對穩(wěn)定，且蓄熱場直供與太陽能直供的系統(tǒng)能效均高于地源熱泵直供。太陽能直供時系統(tǒng)能效均在6以上，鄭州地區(qū)公建在第7年后可達10以上。地源熱泵直供在兩地不同建筑中使用時，系統(tǒng)能效均在3以上。蓄熱場直供在哈爾濱地區(qū)居建中使用時系統(tǒng)能效下降較明顯，但與公建相比，該模式在居建中使用時能效更高。不同供熱模式下的系統(tǒng)能效有以上差別，主要與兩地的氣候特點、建筑類型、負荷特點、設備選型等因素有關[7-8]。

3.3能效提升分析

兩種不同系統(tǒng)模式下的能效變化如圖11所示。從圖11可看出，地源熱泵系統(tǒng)能效變化較小，隨著使用年限增加，地源熱泵能效有所降低，主要與土壤溫度變化有關。多能源時序互補系統(tǒng)能效在前3年變化較小，第4年加入蓄熱場供暖時，系統(tǒng)能效大幅提升，隨后從第5～10年，鄭州地區(qū)公建和居建系統(tǒng)能效逐漸趨于平穩(wěn)，哈爾濱地區(qū)居建系統(tǒng)能效下降明顯，公建系統(tǒng)能效變化較小，這一變化趨勢主要與系統(tǒng)的運行策略有關，哈爾濱居建系統(tǒng)由于負荷較大，冬季采暖時，地源熱泵直供供熱時間最長，且與公建相比，從土壤中取出的熱量也相對較多，所以隨著年份的增加，土壤溫度逐漸下降，導致系統(tǒng)能效降低，在各個不同系統(tǒng)運行的10年間，多能源時序互補系統(tǒng)能效均明顯高于地源熱泵系統(tǒng)能效。

系統(tǒng)綜合COP指供熱季系統(tǒng)向建筑提供的熱量與供熱系統(tǒng)的總能源消耗量（生物質能折算成一次能源消耗總量）的比值，如式（1）所示。

式中：Qc——輸出到建筑的能量，kWh;Wsvs——供熱系統(tǒng)的總能源消耗量，kWh。

能效提升率為：

式中：Sco;——多能源時序互補系統(tǒng)COP;SCo。——地源熱泵系統(tǒng)COP。

代入式（1）計算η，不同地區(qū)選取系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的能效進行計算，此次計算以第7年為例，計算結果見表3。

通過對不同氣候區(qū)（鄭州和哈爾濱）的公建和居建能效提升率進行計算，可看出相同的建筑類型多能源時序互補系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)使用時能效提升率低于寒冷地區(qū)，針對相同地區(qū)的不同建筑類型，公建能效提升率高于居建，哈爾濱地區(qū)公建與居建能效提升率相差較大。通過對建筑的不同特性進行分析，影響多能源時序互補系統(tǒng)能效提升率的因素主要有當地采暖季室外溫度、太陽輻照度、土壤特性、建筑類型等9。

4結論

1）通過模擬可知土壤蓄熱效率較為理想，蓄熱場散熱量是影響蓄熱效率的關鍵因素，在設計蓄熱場時應根據當地氣候條件和土壤特性對蓄熱場的四周、頂部、底部設置合理的保溫措施。蓄熱場取熱時，低溫水從邊緣地埋管中進入，從中心地埋管中出去，所以取熱結束時，中心溫度下降較慢，有利于蓄熱場長期穩(wěn)定運行。

2）針對嚴寒和寒冷地區(qū)利用TRNSYS分別模擬系統(tǒng)在公建和居建的使用效果，在系統(tǒng)運行的10年間，相同的建筑類型，鄭州居建系統(tǒng)比嚴寒地區(qū)居建系統(tǒng)土壤平均溫度高約2℃，兩地公建系統(tǒng)土壤平均溫度相差不大。相同氣候區(qū)的不同建筑類型，鄭州公建系統(tǒng)比居建系統(tǒng)土壤平均溫度高約2℃，哈爾濱公建系統(tǒng)比居建系統(tǒng)土壤平均溫度高約4℃。鄭州公建、居建、哈爾濱公建負荷較小，建筑累計供熱量主要由太陽能直供和蓄熱場直供承擔，哈爾濱居建負荷較大，建筑累計供熱量主要由地源熱泵承擔。

3）多能源時序互補系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)相比，能效提升較為明顯，鄭州和哈爾濱公建系統(tǒng)能效均可提升90%以上，哈爾濱居建系統(tǒng)能效提升率最低，主要是由于該建筑累計供熱量大部分由地源熱泵承擔，太陽能直供和蓄熱場直供在系統(tǒng)運行中貢獻較小。

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RESEARCH ON MULTI-ENERGY SEQUENTIAL COMPLEMENTARYHEATING SYSTEM BASED ON TRNSYS SIMULATION

Yang Lei1，Du Yongheng1，2，Wang Guohua3，Sun Xucan1，Zhu Junchao1，Zhao Zhongtao？

（1.Henan Provincial Academy of Biulding Research Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，China;

2.College of Machinery and Energy，TongjiUniversity，Shanghai 200092，China;

3.China National Accreditation Center for Conformity Assessent，Beijing 100062，China;

4.Xinxiang XinaoGas，Xinxiang 453000，China）

Abstract：According to the load characteristics of different building types in typical climate zones（Zhengzhou and Harbin），a multi-energy sequential complementary central heating system was proposed，and the storage and extraction law of heat storage field wassimulated and analyzed.ThroughTrmsyssimulation，the average soil temperature of heat storage field，system operation strategy andenergy efficiency improvement rate of multi-energy sequential complementary central heating system in different buildings wereanalyzed.The results showed that the average soil temperature was in dynamic equilibrium，and the highest average soil temperature was65℃in the public system.The operation strategy of the residential construction system in public buildings and cold areas takes solardirect supply and thermal storage field direct supply as the main heating mode，supplemented by ground source heat pump.Theoperation strategy of residential construction system in cold areas takes ground source heat pump as the main heating mode，andsolardirect supply and thermal storage field direct supply as the auxiliary.Compared with the ground source heat pump system，theenergyefficiency of the multi-energy sequential complementary central heating system is significantly improved.The energy efficiency of thepublic construction system can be increased by more than 90%，and the energy efficiency of the residential construction system in thecold area is increased by 59.12%.

Keywords：solarenergy;ground source heat pump;TRNSYSsimulation;COP;soil heat storage