太陽能-土壤源熱泵復合系統優化與性能分析

丁力勤

（寧夏建設職業技術學院；寧夏銀川 750000）

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.05.202

太陽能-土壤源熱泵復合系統優化與性能分析

丁力勤*

（寧夏建設職業技術學院；寧夏銀川 750000）

本文利用瞬時系統模擬軟件（Trnsys）搭建了常規土壤源熱泵系統及太陽能-土壤源熱泵并聯復合式系統的模型，并根據不同集熱器單位面積流量和水箱體積等參數進行了模擬計算。結果表明，土壤源熱泵系統性能系數達3.6～3.8，具有明顯的節能優勢。

太陽能；土壤源熱泵；優化

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.05.202

0　引言

隨著全球經濟的高速發展，能源消耗量急劇增加。據統計，社會總能耗中建筑能耗所占比例約27.6%，其中建筑采暖空調能耗和熱水能耗就將近65%。由此可以看出，建筑節能具有很大空間。為實現空調行業的可持續發展，學者們提出了一種高效節能的新技術——地源熱泵系統[1-3]。地源熱泵系統采用可再生清潔能源——地熱能，降低環境污染，提高能源利用率。根據冷熱源的不同可分為地表水源熱泵系統、地下水源熱泵系統和土壤源熱泵系統，其中，由于土壤源熱泵系統[4]具有取熱不取水、無水污染、穩定性高等優勢，目前被廣泛應用。

在寒冷地區或嚴寒地區，部分建筑的總熱負荷大于總冷負荷，因此多采用太陽能與土壤源熱泵系統相結合的方式，為建筑提供所需的冷熱量，同時在非供暖和空調季還可以提供生活熱水，這樣的結合方式不僅可以降低系統的費用，還能夠提高系統的穩定性，環保經濟，具有較好的應用前景。

近十年來，國內外學者才開始著重關注太陽能與土壤源熱泵復合運行的系統，通過實驗和模擬兩種手段進行系統、部件等各方面的性能研究[5-7]。HEPBASLI等[8]為了清晰地反映系統熱力性能與經濟性之間的關系，從火用角度分析系統各部件的火用效率，提出改善系統效率的可行性措施。CHEN等[9]對不同形式的太陽能-土壤源熱泵復合式系統進行建模，實現雙熱泵機組與太陽能集熱器動態結合的模擬計算。但由于地理位置、氣候條件及系統的特點不同，一般很難獲得普遍的適用方案。因此，針對不同地區、不同建筑，必須對相應的系統進行模型搭建，模擬系統的動態運行情況，從而獲得最優配置。

1　系統模型的簡介

本文中建立了常規土壤源熱泵系統和太陽能‐土壤源熱泵并聯復合式系統，所用到的模塊部件主要有以下6個。

1）Type 668：水‐水源熱泵機組模塊。此部件工作狀態為制熱和制冷兩種模式，即制熱模式下從土壤中吸取熱量，制冷模式下向土壤釋放熱量。水‐水源熱泵機組的制冷制熱能力是由源側和負荷側水的入口溫度決定的，因此用戶需要自己輸入兩個外部條件，即在不同源側和負荷側入口溫度下對應的制冷量、制熱量和功率。

2）Type 747：水泵模塊。Trnsys中有很多根據不同原理編制建立的水泵部件，如定速水泵、變速水泵、變頻水泵等。這里使用的是定速水泵模型，但是需要用戶輸入外部條件，即不同流量下對應的水頭和泵效率。

3）Type 557：地下換熱器模塊。模型假設埋管均勻布置在蓄熱體內，考慮了埋管內的對流傳熱和蓄熱體的導熱傳熱，通過計算總體、局部、穩定通量的溫度進行疊加而獲得土壤溫度。此部件需要設置的參數有44個，如埋管尺寸參數、土壤物性參數和土壤初始溫度等。

4）Type 73：太陽能集熱器模塊。本研究使用的是平板型集熱器模型，由Hottel-whillier的穩態傳熱模型計算集熱器的熱效率，并采用流量修正、串聯修正和入射角修正法對熱效率方程進行修正。

5）Type 4：蓄熱水箱模塊。模型將水箱內的溫度視為時間和空間上的函數，沿豎直方向將水箱分成N層，每層內部的溫度均勻，層層之間存在溫差，然后采用集總參數法對水箱內的溫度進行計算。

6）Type 2：溫差控制模塊。此模塊可根據設定的上下限監測某個值的變化范圍，形成自動反饋，從而控制相關部件的啟停。

2　仿真系統的建立

2.1太陽能-土壤源熱泵復合式系統的分類及原理

太陽能與土壤源熱泵相結合的復合式系統可以根據結合的方式分為3類。一種是串聯復合式系統，即熱泵源側的循環流體經過埋管換熱后再進入集熱器，如圖1；一種是并聯復合式系統，即熱泵源側的循環流體一部分通過埋管換熱，另一部分通過集熱器換熱，如圖2；還有一種是混聯復合式系統，這種系統比較復雜，即一部分埋管利用太陽能來蓄熱，另一部分埋管給建筑提供熱量，兩部分埋管交替使用，如圖3。

圖1　串聯復合式系統

圖2　并聯復合式系統

圖3　混聯復合式系統

2.2常規土壤源熱泵系統及太陽能-土壤源熱泵并聯復合式系統的建模

2.2.1建筑負荷計算

本文選用位于中國寒冷地區的一座辦公建筑，其空調面積為1,586.44 m2左右。設計空調季節時間為6月1日到8月31日，供暖季節時間為11月15日到次年的3月15日。利用Dest能耗軟件進行全年動態負荷計算（見圖4），計算得總熱負荷為總冷負荷的1.73倍，見表1。

圖4　建筑全年動態負荷

表1　建筑負荷相關數據

2.2.2常規土壤源熱泵系統的建模

根據建筑負荷特點，選擇符合要求的熱泵機組，需要計算出熱泵機組制冷工況下不同蒸發溫度和冷凝溫度對應的制冷量和功率，以及制熱工況下不同蒸發溫度和冷凝溫度對應的制熱量和功率。其相關性能曲線根據廠家給出的臺佳地源熱泵機組修正系數計算獲得，見圖5和圖6。

圖5　熱泵機組制冷工況性能數據

圖6　熱泵機組制熱工況性能數據

利用Trnsys中的模塊部件，搭建土壤源熱泵系統模型，在建立常規土壤源熱泵系統模型過程中，對熱泵機組和水泵的控制至關重要。熱泵機組的制熱制冷信號切換由季節運行時間控制。而熱泵機組和水泵的運行控制由日運行時間以及系統回水溫度范圍決定。本文建立的系統中，采用軟件自帶的控制器進行回水溫度的自動控制，使得系統的回水溫度在規定的范圍內變化。如冬季供暖期，當系統回水溫度超過限定的溫度上限，則控制器輸出信號使得機組停止運行；當系統回水溫度低于限定的溫度下限，則控制器輸出信號使得機組開啟。同理可知夏季的系統回水溫度對機組的啟停影響，這里不加贅述。

2.2.3太陽能-土壤源熱泵并聯復合式系統的建模

在常規土壤源熱泵系統的基礎上并聯太陽能集熱系統，構成太陽能‐土壤源熱泵并聯復合式系統。

太陽能‐土壤源熱泵并聯復合式系統模型中利用控制部件，實現熱泵源側的循環流體在規定的時間段按比例分配到埋管和集熱系統中，進行熱量交換。而為防止在太陽輻射不足時循環流體通過集熱器向外放熱，必須增加一個溫差循環運行控制器。一般在集熱器出口和蓄熱水箱底部設置溫度傳感器，當集熱器出水和蓄熱水箱底部的溫差大于設定值（取5℃～10℃）時，控制器啟動循環水泵運行，集熱器可將熱量傳輸給蓄熱水箱；當兩者的溫差小于設定值（取2℃～5℃）時，控制器控制循環水泵停止運行，即集熱系統停止運行。

3　系統性能的優化與分析

本文在搭建太陽能‐土壤源熱泵并聯復合式系統模型過程中，太陽能集熱系統的集熱器面積可以根據建筑負荷而確定。利用Trnsys動態模擬軟件[11-15]對太陽能‐土壤源熱泵并聯復合式系統及常規土壤源熱泵系統進行模擬計算，分別比較太陽能集熱系統中相關設計參數取不同值時（即集熱器單位面積流量和水箱體積），供暖期間兩種系統的熱泵機組月平均性能系數（COP）、系統月平均COP以及熱泵機組和系統能耗等參數的變化情況，從而獲得系統的最優參數配置。

1）集熱器面積為144 m2，集熱器單位面積流量取50 kg/(h·m2)，水箱體積按照規定的集熱器‐水箱比例范圍[10]取值。比較常規土壤源熱泵系統與并聯復合式系統的運行性能和能耗。

圖7和圖8分別對應水箱體積為3 m3、7.5 m3、10.5 m3和13.5 m3時，供暖期并聯復合式系統與常規土壤源熱泵系統的運行性能。由圖可知，供暖期并聯復合式系統性能明顯優于常規土壤源熱泵系統，熱泵機組月平均COP提升值在0.3～0.7。并聯復合式系統中，當水箱體積較小時，太陽能對熱泵機組月平均COP和系統月平均COP的提升效果也較小。隨著水箱體積的增大，集熱系統中的循環流體與熱泵源側出口的循環流體在水箱中混合更充分，換熱效果有一定的提升。當水箱體積增加到13.5 m3時，熱泵機組和系統的月平均COP提升最大，最大可達到4.98和4.21左右。

圖7　集熱器單位面積流量為50 kg/(h·m2) 時熱泵COP比較

圖8　集熱器單位面積流量為50 kg/(h·m2) 時系統COP比較

由圖9和圖10可以看出，供暖期太陽能‐土壤源熱泵并聯復合式系統的熱泵能耗和系統能耗都有不同幅度的降低。而在不同水箱體積參數下，當水箱體積取13.5 m3時，由于此時的并聯復合式系統的運行性能最優，因此熱泵能耗和系統能耗減小的幅度達到最大。供暖期，太陽能‐土壤源熱泵并聯復合式系統相比于常規土壤源熱泵系統，此時并聯復合式系統的熱泵機組能耗的減小值達到1,639.98 kW·h，系統能耗的減小值則達到2,043.57 kW·h。

圖9　集熱器單位面積流量為50 kg/(h·m2) 時熱泵能耗比較

圖10　集熱器單位面積流量為50 kg/(h·m2) 時系統能耗比較

2）集熱器單位面積流量取72 kg/(h·m2)，其他參數如上設置，比較供暖期間太陽能‐土壤源熱泵并聯復合式系統與常規土壤源熱泵系統的運行性能和能耗情況。

圖11和圖12分別是集熱器單位面積流量取72 kg/(h·m2)時，太陽能‐土壤源熱泵并聯復合式系統與常規土壤源熱泵系統在供暖期間的熱泵機組月平均COP及系統月平均COP的變化情況。由圖可以看出，供暖期，隨著水箱體積的增大，并聯復合式系統的熱泵機組月平均COP及系統月平均COP都有不同幅度的增加，增加幅度最大分別可達到0.63及0.55左右。

圖11　集熱器單位面積流量為72 kg/(h·m2) 時熱泵COP比較

圖12　集熱器單位面積流量為72 kg/(h·m2) 時系統COP比較

由圖13和圖14可以看出，供暖期，當水箱體積為13.5 m3時，熱泵機組及系統的月平均性能系數最大，所以此時并聯復合式系統的能耗達到最低。這是因為水箱體積增大，從熱泵源側進入水箱的循環流體與集熱系統內的流體換熱更充分，增加了熱泵源側的進口溫度，從而提高熱泵機組及系統的運行性能。

圖13　集熱器單位面積流量為72 kg/(h·m2) 時熱泵能耗比較

圖14　集熱器單位面積流量為72 kg/(h·m2) 時系統能耗比較

3）選定水箱體積為13.5 m3，比較不同集熱器單位面積流量時的系統性能（見圖15）。

圖15　不同集熱器單位面積流量下的系統COP比較

由模擬結果可知，供暖時期并聯復合式系統的性能優于常規土壤源熱泵系統，而當集熱器單位面積流量取較小值、水箱體積取較大值時，熱泵機組及系統的運行性能更優。這是因為集熱器內循環流體流動速度減慢，吸收的太陽輻射量增加，從而提高換熱效率；而水箱體積在一定范圍內取較大值時，熱泵源側的循環流體會從太陽能集熱系統中吸收更多熱量，提高源側的進口溫度，從而提升系統的運行性能。

通過表3可以看出，并聯復合式系統的初投資相同時，當集熱系統中的設計參數取值不同，相對的系統能耗和能源節約率都會有所變化。結果表明，集熱器單位面積流量較小時系統的能源節約率較高，收益也較大。

表3　不同集熱器單位面積流量的并聯復合式系統與常規土壤源熱泵系統比較

4　結論

1）從供暖季節模擬結果看，常規土壤源熱泵系統的熱泵機組COP高達4.2～4.5，而系統的運行性能也在3.6～3.8左右，相比一般的空調系統具有明顯的節能優勢，同時因對環境無氣體水污染，環保性能也很高。

2）針對特定地區、特定建筑，建立太陽能‐土壤源熱泵復合式系統，根據設計規范來選擇相關設備的參數并不會使系統性能達到最佳，必須進行多組參數的模擬計算。由本文的結果表明，集熱器面積為144 m2，集熱器單位面積流量在50 kg/(h·m2)，水箱體積為13.5 m3時，系統及熱泵機組的運行性能更優，能源節約率更高。

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System Optimization and Performance Analysis of Solar Energy and Ground-source Heat Pump Hybrid System

DING Li-qin*
(Ningxia Construction Vocational and Technical College,Yinchuan,Ningxia 750000,China)

The models of ground-source heat pump system and the solar energy and ground-source heat pump shunt-wound hybrid system have been built by transient system (Trnsys) simulation software,and the simulation calculation has been processed according to the flow rate per unit area and water tank volume for different collectors. According to the simulation results,the coefficient of performance of the ground-source heat pump system is 3.6～3.8,and the system has advantages on energy saving,

Solar energy； Ground-source heat pump system； Optimization

*丁力勤（1988-），女，助教，碩士。研究方向：新能源。聯系地址：寧夏回族自治區銀川市西夏區寧夏建設職業技術學院，郵編：750000。聯系電話：18408409552。E-mail：dlqhaidai@126.com。