太陽能-地源熱泵式沼氣工程加溫系統TRNSYS模擬

石惠嫻 徐得天 朱洪光 張亞雷 孟祥真 郭長城

(1.同濟大學新農村發展研究院， 上海 200092; 2.同濟大學國家設施農業工程技術研究中心， 上海 200092)

太陽能-地源熱泵式沼氣工程加溫系統TRNSYS模擬

石惠嫻1徐得天1朱洪光2張亞雷2孟祥真2郭長城2

(1.同濟大學新農村發展研究院， 上海 200092; 2.同濟大學國家設施農業工程技術研究中心， 上海 200092)

利用TRNSYS軟件對太陽能-地源熱泵式沼氣工程加溫系統進行仿真模擬，得出該系統某一典型天和全年能量利用效果：在冬季最冷的典型一天，總供熱包括熱泵耗電量、水泵耗電量、地埋管和集熱器總集熱量共225.52 MJ/d；總耗熱包括沼氣池維護結構散熱和加溫料液負荷共208.57 MJ/d。除去無供熱效果的水泵耗電部分，能量輸入和沼氣池熱負荷基本趨于平衡；系統全年共消耗熱量46 657.32 MJ，可再生能源(太陽能和地熱能)提供74%；其中，太陽能熱利用貢獻63%，地熱能貢獻37%，表明該加溫系統可高效利用可再生能源。系統全年向地下蓄熱總量為7 630.99 MJ，吸熱總量為12 954.81 MJ，蓄熱量雖不能完全滿足供熱量的需求，但可以在一定程度上緩解土壤的冷熱失衡。

沼氣工程； 加溫系統； 太陽能-地源熱泵式； 能耗； TRNSYS模擬

引言

太陽能-地源熱泵式供能系統廣泛應用于建筑[1-6]、溫室[7-9]及沼氣工程[10-12]等領域，但通過工程試驗測試手段評估這些實際供能工程能量利用效果耗時耗力耗財，因此很多研究者借助數值方法和TRNSYS軟件進行仿真模擬研究[13-14]。

圖1 太陽能-地源熱泵式沼氣池加溫系統Fig.1 Heating system of integrated solar and ground source heat pump for biogas digester

TRNSYS(Transient system simulation program)為系統模擬程序，主要利用Simulation Studio、TRNEdit和TRNSed、TRNBuild、TRNOPT等模塊，搭建模擬平臺。用戶可以根據自己需要修改或增減模塊，建立連接形成適應不同系統的計算程序，為非TRNSYS用戶提供方便，也可輸入建筑模型進行最優化模擬計算，可以直接生成Excel文件輸出參數，方便編輯和后期處理；還可與EnergyPlus、Matlab、Fluent等軟件建立鏈接[15-16]。

在參考TRNSYS軟件自身熱水器模塊、單溫度場分析模塊、太陽輻射分析模塊和輸出模塊及暖通空調系統的太陽能集熱程序、暖通空調程序、地源熱泵程序、蓄能程序等基礎上，許多研究者通過TRNSYS模擬進行了系統研究[17-19]。韓延民等[20]建立了太陽能集熱器非穩態數學模型，以工程實例為研究對象, 借助TRNSYS軟件, 分析不同集熱器類型、集熱面積、水箱容積、水箱流量對太陽能集熱系統性能的影響，集熱器和水箱的優化匹配設計有利于提高集熱系統的能量轉換效率, 水箱的變流量系統設計可以比定流量系統提高集熱效率20%～30%。YAU[21]為降低某建筑物的通風系統能耗，利用TRNSYS軟件進行全年能耗動態模擬并優化空調系統方案，預測了運行費用。HOBBI等[22]利用TRNSYS程序建立了采用平板集熱器實現間接循環熱水供能一單戶家庭系統模型，對所有設計參數進行了優化，包括集熱面積、集熱器質量流率、儲熱管體積和高度、熱交換器效率、吸收式平板集熱器材料和厚度、集熱器效率等，結果顯示利用太陽能設計的集熱系統可以在夏季和冬季分別提供83%和30%的熱水需求，并確定一種采用非選擇性吸收涂層的集熱器可以每年提供54%的熱水需求。

以上的研究多集中于建筑領域，對于太陽能-地源熱泵式供能系統應用于沼氣工程的領域還沒有系統的TRNSYS模擬研究，因此本文在前期試驗研究基礎上，對太陽能-地源熱泵式沼氣工程加溫系統，利用TRNSYS平臺進行仿真模擬，以獲取系統典型日、月和全年的能量利用效果。

1 系統原理

太陽能-地源熱泵式沼氣工程加溫系統如圖1所示。圖1中V1～V12為電磁閥，B1～B4為水泵，T1～T8為溫度傳感器。

圖1中，太陽能-地源熱泵式沼氣工程加溫系統主要由太陽能集熱系統、熱泵式沼氣池加溫系統、太陽能地下換熱系統組成。太陽能集熱系統包括太陽能全玻璃真空管集熱器、蓄熱水箱和太陽能循環泵B3；熱泵式沼氣池加溫系統包括沼氣池、池內盤管換熱器、熱泵主機、U型地埋管換熱器(蓄熱水箱)、熱泵負載側水泵B2和熱泵源側水泵B1；太陽能地下蓄熱系統包括循環泵B4、U型地埋管換熱器和中轉蓄熱水箱。

在實際運行中，太陽能-地源熱泵式沼氣工程加溫系統有4種運行模式：①太陽能直供模式：當沼氣池內溫度低于32℃，且中轉蓄熱水箱中水溫高于50℃，系統按照太陽能直供模式運行；沼氣池內溫度高于37℃或中轉蓄熱水箱水溫低于45℃，模式停止。該運行模式的能量流動環路為：太陽能集熱器—蓄熱水箱—水泵B4—沼氣池內盤管換熱器—蓄熱水箱—水泵B3—太陽能集熱器。②太陽能熱泵加溫模式(太陽能為低位熱源)：當沼氣池內溫度低于32℃，且中轉蓄熱水箱中水溫低于30℃而高于地埋管換熱器回水溫度時，系統按照太陽能熱泵供暖模式運行；當沼氣池內溫度高于37℃，停止加熱。該運行模式的能量流動環路為：太陽能集熱器—蓄熱水箱—水泵B1—熱泵機組蒸發器—蓄熱水箱；熱泵機組冷凝器—沼氣池內盤管換熱器—水泵B2—熱泵機組冷凝器。③地源熱泵單獨加溫模式：當沼氣池內溫度低于32℃，中轉蓄熱水箱中水溫低于地埋管換熱器出口溫度時，系統按照地源熱泵供暖模式運行；當沼氣池內溫度高于37℃，停止加熱。該運行模式的能量流動環路為：地埋管—水泵B1—熱泵機組蒸發器—地埋管；熱泵機組冷凝器—沼氣池內盤管換熱器—水泵B2—熱泵機組冷凝器。④太陽能地下蓄熱模式：沼氣池內溫度高于35℃，中轉蓄熱水箱中水溫高于70℃時，系統按照太陽能地下蓄熱模式運行；當中轉蓄熱水箱中的水溫降低至50℃時，停止該模式的運行。該運行模式的能量流動環路為：太陽能集熱器—蓄熱水箱—水泵B4—地埋管—蓄熱水箱—太陽能集熱器。

2 模型構建

在圖1基礎上構建太陽能-地源熱泵式沼氣工程加溫系統TRNSYS模擬模型。針對太陽能-地源熱泵式沼氣池加溫系統特點，TRNSYS軟件仿真模擬該系統應包括氣象參數、真空管太陽能集熱器、熱泵機組、蓄熱水箱、沼氣池、地埋管、水泵、運行控制器、運算結果打印等，它們在TRNSYS中對應的模塊如表1所示。

根據表1中仿真模塊，建立太陽能-地源熱泵沼氣池加溫系統TRNSYS仿真模型，如圖2所示。

太陽能-地源熱泵沼氣池加溫系統TRNSYS仿真模型模塊標準部件參數設置如下：氣象數據讀取器和處理器(Type109-TMY2)部件，用于讀取天氣參數并進行處理，以計算任意表面太陽輻射能。輸入參數有地面反射系數、表面傾斜角和表面方位角。真空管太陽能集熱器(Type71)部件涉及串聯集熱器的數量、集熱器面積(16 m2)、流體的比熱容(4.19 kJ/(kg·K))和效率模式。輸入參數有進口溫度(循環泵輸入)、進口流量(循環泵輸入) 和環境溫度(Type109輸入環境溫度)；輸出參數有出口溫度、出口流量和有效集熱量。蓄熱水箱(Type60)部件涉及用戶指定的進口位置、水箱體積(2 m3)、水箱高度、進口1的高度、出口1的高度、進口2的高度、出口2的高度、流體的比熱容、流體密度、水箱損失系數和流體的導熱率。輸入參數包括進口1的流量、進口1的溫度、出口1的流量、出口2的流量、出口2的溫度和環境溫度；輸出參數包括出口1的溫度、進口2的流量和熱量損失。循環泵(Type3b)部件輸入參數有進口溫度和進口質量流量，控制信號(Type14h提供)部件；輸出參數有出口溫度和出口流量。沼氣池(Type60c)部件涉及用戶指定的進口位置、池體體積(69 m3)、池體高度、進口1的高度、出口1的高度、流體的比熱容、流體密度、池體損失系數、流體的導熱率、換熱器內徑、換熱器外徑、換熱器總表面面積、換熱器長度、換熱器壁面導熱率、換熱器材料導熱率、換熱器進口高度和換熱器出口高度。熱泵機組(Type668)部件輸入參數有進口源水溫度和流量、進口負載溫度和負載流量；輸出參數有出口源水溫度和出口負載溫度。地埋管(Type557b)部件涉及儲存容積、鉆井深度、鉆井數量、鉆井半徑、串聯的鉆井數量、半徑區域數量、垂直區域數量、儲熱器導熱系數、儲存器熱容、每口井中埋管數量(在TRNSYS中為負數)、流體比熱和流體密度。輸入參數有進口流體溫度、進口流量、儲存器頂部溫度和空氣溫度；輸出參數有出口溫度、出口流量和平均儲熱溫度。運行控制器(Type14h)給出控制熱泵運行信號。運算結果打印(Type25a)給出輸出結果。

表1 太陽能-地源熱泵沼氣池加溫系統 TRNSYS仿真模型模塊Tab.1 Module of TRNSYS simulation model of integrated solar and ground source heat pump for biogas digester heating system

圖2 太陽能-地源熱泵式沼氣工程加溫系統TRNSYS模型Fig.2 TRNSYS model of integrated solar and ground source heat pump for biogas digester heating system1.計算器 2.太陽能集熱器 3.太陽能循環泵 4.蓄熱水箱 5.熱泵機組 6.打印機 7.沼氣池 8.負載側水泵 9、11.偏流器 10.地埋管 12、14.溫差控制器 13.源側水泵

3 典型天TRNSYS模擬及試驗驗證

選取冬季最冷天(2015年12月23日)進行模擬，當天室外溫度分布如圖3所示。沼氣池散熱負荷模擬步長設為0.5 h，沼氣池散熱量如圖4所示。09:30—16:30太陽能持續加熱蓄熱水箱，模擬步長設置為0.5 h，太陽能集熱器進出口溫度、太陽輻射強度與集熱器集熱效率、太陽能集熱器理論集熱量和實際集熱量如圖5～7所示。09:30—11:00運行地源熱泵模式，模擬步長設為5 min，太陽能熱泵供熱量如圖8所示。14:00—15:30運行太陽能熱泵模式，模擬步長設為5 min，地埋管與土壤換熱量、地源熱泵供熱量如圖9、10所示。

圖3 最冷天室外溫度分布Fig.3 Outdoor temperature distribution in the coldest day

圖4 沼氣池散熱量隨時間變化曲線Fig.4 Time variation curve of heat dissipating capacity of biogas digester

圖5 集熱器進出口溫度隨時間變化曲線Fig.5 Time variation curves of inlet and outlet temperatures of heat collector

圖3、4表明，沼氣池散熱量隨時間變化與室外環境溫度的變化一致，在00:00—06:00有一逐漸上升的過程，但是上升幅度不大，從1 747 W上升到1 756 W； 06:00—14:00逐漸下降，從1 756 W下降到1 300 W左右；14:00—00:00逐漸上升，從1 300 W左右上升到1 700 W左右。沼氣池在一整天的散熱量平均值為1 662.8 W，總散熱量為132 MJ。

圖6 太陽輻射強度與集熱效率隨時間變化曲線Fig.6 Time variation curves of solar radiation intensity and collector efficiency

圖7 太陽能集熱器理論和實際集熱量隨時間變化曲線Fig.7 Time variation curves of solar collectors’ theoretical and actual heat collection

圖8 太陽能熱泵供熱量隨時間變化曲線Fig.8Time variation curve of solar heat pump heating capacity

圖5表明，集熱器進出口水溫在09:30—15:30隨時間變化逐漸變大，進口溫度峰值達到22℃，出口溫度峰值25℃，這與太陽輻射強度峰值出現的時間12:00不一致的原因是：蓄熱水箱的熱惰性帶來延遲，后來隨時間變化兩者逐漸變小，這是由太陽輻射強度的全天變化造成的，在集熱器停止集熱后，進出口水逐漸散熱，水溫逐漸下降。

圖6表明，太陽輻射強度在12:00左右到達峰值，為650 W/m2，全天平均值為422.5 W/m2，集熱器集熱效率在09:30—15:00都維持在68%左右，15:00—16:30有一個急速下降的過程，模擬結果與實際吻合。在整個集熱過程中，集熱器集熱效率的平均值為64.03%。

圖7表明，集熱器理論集熱量和實際集熱量都隨著時間先變大后變小，理論集熱量峰值5 800 W，實際集熱量峰值5 200 W，兩者峰值出現時間不一致的原因是集熱器理論集熱量的變化完全是由太陽輻射強度決定的，實際集熱量則是由集熱器進出口溫差決定的。在整個集熱過程中集熱器理論集熱量平均值為3 725.75 W，集熱器實際集熱量平均值為3 291.96 W，集熱器實際總集熱量為82.96 MJ/d。

圖8表明，太陽能熱泵為沼氣池供熱量有一個逐漸下降的過程，但是下降的幅度不大，這是由于蓄熱水箱中的水溫略降，影響了熱泵的運行，導致熱泵機組的制熱效果有所下降，在14:00—15:30啟動太陽能熱泵供熱過程中，熱泵供熱量的平均值為20.66 kW，總供熱量為111.58 MJ。

圖9表明，地埋管集熱量隨時間基本沒有變化，這是由于在較短時間內，土壤溫度保持恒定，地埋管換熱穩定。在09:30—11:00啟動地源熱泵為沼氣池供熱的過程中，地埋管換熱量平均值為13.32 kW，總供熱量為71.93 MJ。

圖9 地埋管與土壤換熱量隨時間變化曲線Fig.9 Time variation curve of heat exchange between underground pipe and soil

圖10表明，地源熱泵供熱量隨時間變化不明顯，在18.3～18.7 kW之間，說明地埋管換熱穩定，熱泵機組運行穩定。在09:30—11:00啟動地源熱泵為沼氣池供熱的過程中，熱泵供熱量的平均值為18.53 kW，總供熱量為100.06 MJ。

圖10 地源熱泵供熱量隨時間變化曲線Fig.10 Time variation curve of ground source heat pump heating capacity

經計算得出：當天熱泵耗電量57.24 MJ/d，水泵耗電量13.39 MJ/d，地埋管集熱量71.928 MJ/d，集熱器集熱量82.96 MJ/d，總供熱量225.52 MJ/d；沼氣池維護結構散熱132 MJ/d，加溫料液負荷76.57 MJ/d，總耗熱量208.57 MJ/d。除去基本沒有供熱效果的水泵耗電部分，能量輸入和沼氣池熱負荷基本趨于平衡。得出典型日太陽能-地源熱泵沼氣池加溫系統能量貢獻比例為集熱器集熱量36.87%、地埋管換熱量31.96%、系統耗電量31.17%。其中太陽能保證率為36.87%；同時可以看出系統耗電量只占了31.17%，其余68.83%全部由可再生能源提供，可再生能源與耗電量的比例為7∶3，說明系統具有良好的節能效果。

4 每月TRNSYS模擬

上海地區4—9月份是太陽能較豐富的月份，太陽能不僅可以保證沼氣池的需求，多余的能量通過地埋管儲存在地下。通過模擬結果計算出下列各個類型的能量數值，如表2、圖11～14所示。

表2表明，沼氣池總負荷從1—12月份有先變小后變大的趨勢，最大值在1月份，為6 360.47 MJ，最小值出現在7月份，為1 817.28 MJ；太陽能集熱量從1—12月份有先變大后變小的趨勢，最大值出現在5月份，為3 630.14 MJ，實際上，4—9月份的集熱量都維持在3 000 MJ以上，最小值出現在1月份，為1 575.82 MJ；地埋管供熱量從1—12月份是先變小后變大的趨勢，最大值在1月份，為3 110.84 MJ，最小值出現在7月份，為178.63 MJ；系統耗電量從1—12月份是先變小后變大的趨勢，最大值在1月份，為1 673.81 MJ，最小值出現在7月份，為478.23 MJ。

表2 每月TRNSYS模擬數據Tab.2 Monthly TRNSYS simulation data

圖11 月太陽能保證率Fig.11 Monthly solar energy supply assurance rate

圖12 太陽能與地熱能月供熱量Fig.12 Solar and geothermal energy monthly heating capacity

圖13 月地下蓄熱量Fig.13 Amount of heat stored underground each month

圖14 半年內月太陽能保證率各級頻數Fig.14 Rate of various frequencies of solar guarantee within six months

圖11表明，4—10月份太陽能保證率都維持在一個較高的水平，都接近或超過60%。除了6、7、8月份，提供給系統有效利用的太陽能數值都相當可觀，尤其是2—4月份、10—12月份，接近或超過2 000 MJ。圖12表明，地埋管的供熱量受季節的影響非常明顯，冬季從地下取熱遠超過了夏季。圖13表明， 3—10月份有了多余的太陽能儲存在地下，最大值出現在7月份，為1 927.56 MJ，而1、2、11、12月份沒有向地下蓄熱。

此外，還計算得到月太陽能保證率各級頻數，如圖14所示。月太陽能保證率在區間50%～60%的月份數為1個月，在區間40%～50%的月份數為2個月，在區間60%～70%的月份數為6個月；月太陽能保證率低于40%的有3個月。以上結果都比較符合上海地區氣象變化特點。

5 全年TRNSYS模擬

首先，根據上海地區全年氣象參數繪制出全年室外干球溫度分布及全年日平均太陽輻射量，如圖15、16所示。在發酵溫度(35±1)℃、水力停留時間20 d的條件下，4個太陽能集熱器模塊(集熱面積16 m2)運行，系統全年運行模式模擬結果如圖17、18所示。

圖15 全年室外干球溫度Fig.15 Annual outdoor dry bulb temperature

圖16 全年日平均太陽輻射量Fig.16 Annual average daily solar radiation

圖17 加溫系統能量輸入Fig.17 Heating system energy input

圖18 太陽能理論集熱量與地下蓄熱量Fig.18 Theoretical solar heat collection and underground heat storage amounts

圖17為全年輸入到加溫系統的太陽能、耗電量以及地埋管供熱量模擬結果；圖18為太陽能理論集熱量與地下蓄熱量。11月份至次年12月份，地下蓄熱量為零，一方面是由于太陽能集熱量遠小于沼氣池總負荷，另一方面是由于地源熱泵模式的長期運行，地下蓄熱場主要處于向系統供能狀態；系統耗電量變化關系和沼氣池加溫負荷變化規律相同，6—7月份最小為16.6 MJ/d，1月份最大約54 MJ/d。

模擬統計得出全年輸入到系統各類能量：沼氣池總負荷46 657.32 MJ，太陽能集熱量32 087.65 MJ，其中21 958.66 MJ用于輸入加溫系統，即太陽能熱利用占68.43%，7 630.99 MJ儲存蓄熱在地下，占23.78%。其余2 498.00 MJ在利用過程中損失到環境，占太陽能總量的7.78%。地埋管供熱量為12 954.81 MJ，系統耗電量12 278.24 MJ，系統耗電量占整個加溫系統消耗能量的26.02%，其余74%全部由太陽能和地熱能(可再生能源)提供，地熱能占27.45%，太陽能占46.53%。說明系統具有良好的節能效果，并且能夠高效利用可再生能源。

6 結論

(1)在2015年12月23日，熱泵耗電量57.24 MJ/d，水泵耗電量13.39 MJ/d，地埋管集熱量71.928 MJ/d，集熱器集熱量82.96 MJ/d，總供熱量225.52 MJ/d；沼氣池維護結構散熱132 MJ/d，加溫料液負荷76.57 MJ/d，總耗熱量208.57 MJ/d。能量貢獻比例為：集熱器集熱量36.87%，地埋管換熱量31.96%，系統耗電量31.17%，可再生能源與耗電量的比例為7:3。能量輸入和沼氣池熱負荷基本趨于平衡，系統節能性及可再生能源利用性良好。

(2)按月模擬，月太陽能保證率在區間40%～50%的月份有2個月，在區間50%～60%的月份有1個月，在區間60%～70%的月份有6個月；月太陽能保證率低于40%的有3個月。結果符合上海地區氣象變化特點。

(3)系統全年共消耗46 657.32 MJ熱量，可再生能源(太陽能和地熱能)提供74%。其中，太陽能熱利用貢獻63%，地熱能貢獻37%，說明該加溫系統能夠較好地使用可再生能源。系統全年向地下蓄熱7 630.99 MJ，吸熱量為12 954.81 MJ，蓄熱量雖不能完全滿足供熱量的需求，但能在一定程度上緩解土壤的冷熱失衡。

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TRNSYS Simulation of Integrated Solar and Ground Source Heat Pump for Biogas Digester Heating System

SHI Huixian1XU Detian1ZHU Hongguang2ZHANG Yalei2MENG Xiangzhen2GUO Changcheng2

(1.InstituteofNewRuralDevelopment,TongjiUniversity,Shanghai200092,China2.NationalEngineeringResearchCenterofProtectedAgriculture,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

The energy structure of energy supply project always adopts traditional and renewable energy together for the past years. However, for the future development, renewable energy will gradually increase the proportion, or even completely replace the traditional energy. The actual energy supply engineering energy utilization effect is worthy of attention. There are two schemes to discuss: engineering test and software simulation. Engineering test will be time-consuming, while software simulation can save a great deal of costs, as well as carry out the design and verification of various control schemes. Therefore, the integrated solar-ground source heat pump for biogas digester heating system simulation was studied. The typical day and year energy utilization effects of the heating system were obtained by using TRNSYS platform with Type109-TMY2 (reader and meteorological data processor), Type71 (vacuum tube solar collector), Type60 (storage tank), Type3b (circulating pump), Type60c (methane), Type668 (heat pump), Type557b (buried pipe), Type14h (operation controller), Type25a (print results) modules. Results showed that in the typically coldest winter day, the total heat supplying capacity was 225.52 MJ/d, which included heat pump power consumption (57.24 MJ/d), water pump power consumption (13.39 MJ/d), buried tube (71.93 MJ/d) and solar collector (82.96 MJ/d). The total heat dissipation capacity was 208.57 MJ/d, which contained biogas pool maintenance structure heat (132 MJ/d) and liquid heating load (76.57 MJ/d). The annual total heat consumption of the system was 46 657.32 MJ, the renewable energy included solar contribution (63%) and geothermal contribution (37%), which accounted for 74%. It showed that renewable energy sources were efficiently utilized in the heating system. Furthermore, the system can store 7 630.99 MJ/a of heat to the ground but the heat absorption capacity was 12 954.81 MJ/a. Although the heat storage capacity cannot meet the demand of heat supply, it can alleviate the cold and hot imbalance of soil to some extent.

biogas project; heating system; integrated solar and ground source heat pump; energy consumption; TRNSYS simulation

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.033

2017-05-31

2017-06-13

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2013AA103006-02)

石惠嫻(1969—)，女，副教授，博士，主要從事農業設施領域可再生能源應用研究，E-mail: huixian_shi@#edu.cn

S216.4； TK124

A

1000-1298(2017)08-0288-08