嚴寒地區(qū)太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)匹配優(yōu)化研究

（哈爾濱商業(yè)大學 能源與建筑工程學院，哈爾濱 150028）

0 引言

隨著經濟的發(fā)展，人們對于建筑內環(huán)境舒適性的標準也在提高，致使用在建筑供能的一次能源消耗量與日俱增［1］。針對這一現(xiàn)狀，有學者提出采用土壤源熱泵系統(tǒng)供能的清潔能源利用方式，但將其應用在供暖需求大、土壤平均溫度偏低的嚴寒地區(qū)將導致嚴重的依靠土壤自身無法恢復的熱失衡問題［2］，從而系統(tǒng)無法長期高效運行［3］。為此將太陽能作為輔助熱源引入到土壤源熱泵系統(tǒng)中，以期解決土壤熱失衡問題成為中外學者的研究熱點［4-5］。

近年來，相關學者將太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)進行了比較，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)運行成本較低［6］，但初投資較大［7］，而太陽能集熱器是導致系統(tǒng)初投資較大的主要因素［8］。同時，部分學者對系統(tǒng)運行模式及控制策略等方面開展了研究［9］。另外，Mohammad 等［10］通過模擬得出太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)、土壤源熱泵系統(tǒng)冬季熱泵機組COP最高分別可達6.2，4.6。但由于該耦合系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)的實際工程案例較少，加之試驗成本較高，故通過試驗的方法優(yōu)化系統(tǒng)中集熱器面積的研究較少，這也是其未在嚴寒地區(qū)推廣應用的重要因素之一。

鑒于此，本文以哈爾濱松北區(qū)某太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)為研究對象，自行搭建熱泵試驗臺，采用TRNSYS軟件按照試驗臺設計參數(shù)搭建系統(tǒng)模型，利用實測數(shù)據(jù)驗證模型可靠性，并以土壤熱失衡率不超過1%為評價標準確定相對最優(yōu)集熱器面積，進而得出適用于本文研究對象的集熱器面積與換熱器長度的關系。本文研究工作將為后續(xù)更為深入的系統(tǒng)配置優(yōu)化研究提供一定的借鑒作用

1 試驗臺

1.1 建筑概況

本文以哈爾濱松北區(qū)某小型辦公建筑的太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)為研究對象，建筑面積為462 m2，全年最大冷熱負荷按面積熱指標法進行計算［11］，經計算得知最大熱負荷為34.65 kW，總熱負荷為2 032.36 kW。最大冷負荷為28.72 kW，總冷負荷為949.47 kW。

1.2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理

依據(jù)最大熱負荷選取熱泵型號，選用一臺LFKT-30S熱泵機組，額定制熱量為35 kW，采用R22作為制冷劑。采用工程該算法得出冬夏季垂直單U型地埋管換熱器取放熱量分別為1 596.9，1 171 kW，通過巖土熱響應試驗測得試驗地點土壤初始溫度為8.6 ℃、換熱器單位延米換熱量為30 W/m，試驗裝置原理如圖2所示，隨后確定出滿足建筑冷熱負荷需求的埋管長度為1 200 m，共布置12個單孔深度為100 m的換熱井。真空管太陽能集熱器布置在樓頂，依據(jù)換熱器全年取放熱量之差得出所需太陽能蓄熱量為425.9 kW，根據(jù) GB50 495-2009［12］結合文獻［13］計算得出集熱器面積為43 m2，蓄熱水箱容積為2.4 m3，熱水水箱容積為0.3 m3。

圖2 巖土熱響應試驗裝置原理

1.3 試驗數(shù)據(jù)監(jiān)測

試驗中溫度測量儀器主要布置在室外、集熱器、埋管換熱器、及用戶側供水進出口處以及沿鉆井 10，30，50，70，95 m 處。功耗測量儀布置在熱泵機組及循環(huán)水泵處。各測量儀器安置好后，分多次前往試驗地點采集所需數(shù)據(jù)，并剔除試驗壞值。

2 試驗方案

本文中，熱源側采用太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)，負荷側采用風機盤管加新風系統(tǒng)。在8：00～18:00期間若熱水不滿足用戶需求時開啟輔助加熱設備加熱生活熱水水箱。土壤源熱泵系統(tǒng)開啟時間為7：00～18:00，負荷側系統(tǒng)開啟時間為8：00～18:00。本文提出在供冷間歇運行及過渡季時加入太陽能對土壤蓄熱模式，以期太陽能利用率最大化。熱源側系統(tǒng)運行模式按季度進行劃分：冬季（10月15日～次年4月15日）、夏季（6月15日～8月15日）、過渡季（4月15日～6月15日，8月15日～10月15日），具體運行方案見表1。

3 系統(tǒng)仿真模塊選取與驗證

本文以瞬態(tài)系統(tǒng)仿軟件TRNSYS作為模擬平臺，該軟件具有模塊化、形象化的獨特特點。依據(jù)試驗臺系統(tǒng)設計搭建太陽能輔助土壤源熱泵供暖系統(tǒng)，按照試驗臺的參數(shù)以及試驗測得的數(shù)據(jù)設置各模塊參數(shù)，隨后對所選部件設置相應的控制信號，進而完成系統(tǒng)模擬。由于該軟件涉及到的各部件數(shù)學模型現(xiàn)已成熟，文中只對各模塊進行簡要概述。

3.1 模型假設

因系統(tǒng)各部件之間的能量輸運過程較復雜，若要完全還原系統(tǒng)供能情況很難完成。為了使模型簡化的同時又具有可靠性，故做如下幾點假設：（1）試驗地點巖土質地均勻，且無地下水流動；（2）假設巖土溫度場對稱分布；（3）忽略集熱器表面污漬對集熱效率的影響；（4）系統(tǒng)整體運行是造成的部件損耗忽略不計。

3.2 太陽能集熱器模塊

本文采用真空管太陽能集熱器，模塊型號為Type71，該模塊在二次效率曲線和雙軸入射角修正值（IAM）基礎上建立。使用Hottel-Whillier模型［14］來評估模擬步長內的熱力學特性，其數(shù)學模型與文獻［15］一致。

3.3 熱泵機組模塊

因本文提出太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)在夏季供冷間歇運行時加入太陽能蓄熱水箱對土壤蓄熱模式，故需針對熱泵機組全年制冷、制熱運行工況進行分析。熱泵機組COP數(shù)學表達式為：

式中 COP——熱泵機組制冷性能系數(shù)；

Cap——熱泵機組制冷量，kJ/h；

P——制冷工況下熱泵耗功量，kJ/h。

3.4 地埋管換熱器模塊

本文采用基于DST（Duct Ground Heat Storage）的地埋管換熱器模型，模塊型號為Type557a，埋管內流體進行對流換熱，埋管與土壤之間為純導熱，認為埋管是關于中心對稱的垂直柱熱源。該模型將土壤溫度劃分為3大部分；總體換熱、局部換熱以及管內流體流動溫度。其數(shù)學模型與文獻［16］一致。

3.5 模型驗證

眾所周知，嚴寒地區(qū)建筑全年所需總熱負荷遠大于總冷負荷，因此本文通過供暖期典型日1月1日某一房間的平均溫度、負荷側供水溫度及全年逐月集熱器集熱量來驗證文中所建模型的準確性，并繪制如圖3所示的曲線。

圖3 模擬值與試驗值比較

從圖中可看出，各參數(shù)的試驗值與模擬值之間的誤差較小，最大相對誤差分別為2.89%，3.00%，9.60%。整體來看誤差均在允許范圍內，因此該模型具有一定的準確性，可用于后續(xù)研究。

4 模擬結果分析與討論

利用本文所建系統(tǒng)模型，以1月1日0：00時為起點，對太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)供能后土壤平均溫變特性進行為期1a的數(shù)值模擬。計算得到埋管側土壤平均溫度由最初的8.60 ℃升高到8.69 ℃。全年土壤平均溫度變化如圖4所示。

圖4 全年土壤平均溫度逐時變化情況

由此可以看出，不考慮系統(tǒng)供能建筑所處環(huán)境、地理位置以及系統(tǒng)中各主要部件的能量輸配過程等因素，直接按照能量守恒原則設計集熱器面積大小（即冬季埋管取熱量等于夏季及過渡季太陽能蓄熱量之和）將導致與實際工程中所需最優(yōu)集熱器面積大小產生誤差，這直接影響到系統(tǒng)的初投資，這也是其不被廣泛推廣的原因之一。

在地埋管換熱器埋深設計過程中，是以其完全承擔建筑最大冷熱負荷為原則，進而系統(tǒng)中太陽能集熱器面積的大小可任意選擇并不會在很大程度上影響到系統(tǒng)第一年的供能特性。故本文在建筑內環(huán)境的舒適性得以保證的前提下，系統(tǒng)其余參數(shù)不變，將太陽能集熱器面積從43 m2開始以5%的縮小比例遞減。從表2可知，當集熱器面積下降到38.80 m2后，土壤平均溫度下降梯度明顯變大，若按土壤熱失衡率不超過1%為評判標準，則 40.85，38.80，36.90 m2中之一即為此次試驗臺的最優(yōu)集熱器面積。因此本文將3種工況依次命名為工況一、二、三，以便后續(xù)研究。

表2 不同太陽能集熱器面積對應下的土壤平均溫度

4.1 確定相對最優(yōu)集熱器面積

4.1.1 熱泵機組性能分析

圖5示出3種工況的全年逐月熱泵機組COP對比，從圖中可以看出3種工況在冬季時的熱泵機組COP最大值出現(xiàn)在1月份，依次為3.69，3.65，3.20，從供暖初期到結束，整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是由于在系統(tǒng)各主要部件設計選型時，熱泵機組是按建筑全年所需最大熱負荷進行選取。供暖初末期建筑所需熱負荷較少，致使熱泵機組偏離最佳工況運行，且頻繁啟停導致能耗略顯增加。相比而言，在熱負荷需求較大的12月份及1月份時，有太陽能的輔助，機組在最佳工況下運行，進而熱泵機組在整個供暖期呈現(xiàn)先增后減的趨勢。夏季熱泵機組COP最大值出現(xiàn)在7月份，依次為 6.00，6.12，6.20，整個供冷季同樣出現(xiàn)先增后減的趨勢，導致這一現(xiàn)象的原因與供暖季相同，這里不再贅述。

圖5 3種工況全年逐月熱泵機組COP對比

盡管3種工況在供暖、供冷時的熱泵機組COP波動幅度基本一致，但在冬夏季時呈現(xiàn)出不同的性能優(yōu)劣。在供暖季時，工況一、二的熱泵機組COP相差不大且優(yōu)于工況三。這是由于在本文設計的溫控允許范圍內，太陽能集熱器收集的熱量在冬季可進一步提升地埋管換熱器出口溫度，進而提升機組蒸發(fā)器進口溫度，使得機組供能性能有所提升。在供冷季時，3種工況的熱泵機組COP相差不大，但其供能優(yōu)勢與冬季恰恰相反。這是由于嚴寒地區(qū)夏季日照強度大，太陽能蓄熱效率高，為確保系統(tǒng)連年運行引起的嚴重土壤熱失衡問題能夠得到更好的解決，本文提出夏季在供冷間歇運行時加入太陽能進行土壤蓄熱模式。正因如此，太陽能集熱器面積越大，埋管側土壤溫度越高，導致熱泵機組冷凝器進口溫度升高，影響了機組供能性能。

4.1.2 系統(tǒng)運行10 a土壤溫變特性分析

圖6示出系統(tǒng)運行10 a土壤平均溫度逐時變化情況。從圖中可以看出，太陽能的加入有效緩解了嚴寒地區(qū)采用土壤源熱泵系統(tǒng)供能引起的土壤熱失衡問題。3種工況引起的土壤熱失衡率依次為3.00%，1.16%，7.56%，由此可以得出，在太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)中，太陽能集熱器面積的選取將直接決定該系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)長期應用的可行性。

圖6 系統(tǒng)運行10 a土壤平均溫度逐時變化

綜合上述分析得出工況二為本文研究對象的相對最優(yōu)集熱器面積，其數(shù)值為38.8 m2，這與系統(tǒng)最初設計時相差10%，此誤差可為今后對嚴寒地區(qū)小型太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)中集熱器面積初步估算設計時提供參考。

4.2 地埋管長度與集熱器面積的關系

為探究小型太陽能輔助土壤熱泵系統(tǒng)中地埋管長度與集熱器面積的關系，在4.1節(jié)的基礎上，利用本文所建系統(tǒng)仿真模型，其他參數(shù)不變，將地埋管長度以100 m的比例進行遞減，按照相同的評判標準經過多次試算確定相對最優(yōu)集熱器面積見表3。

表3 地埋管長度與相對最優(yōu)集熱器面積的關系

從表3中可以看出，太陽能集熱器面積與地埋管長度呈負相關關系。地埋管長度每減少100 m，太陽能集熱器面積大約需增16 m2。這是由于整個系統(tǒng)的主要熱源來自于土壤，而地埋管換熱器正是土壤與機組之間的能量轉換裝置，若想保持冬季建筑內環(huán)境的舒適性，勢必會增加單位土壤蓄熱體的取熱量，這將導致埋管側土壤平均溫度嚴重失衡，維持土壤熱平衡所需的太陽能集熱器面積變大。通過對表中數(shù)據(jù)進行分析，可得到兩者之間的變化曲線如圖7所示。

圖7 地埋管長度與太陽能集熱器面積的關系

通過數(shù)值分析軟件對圖中數(shù)據(jù)點進行擬合，可以得到地埋管長度L與太陽能集熱器面積A的數(shù)學表達式。

擬合判定系數(shù)：R2=0.992 64

擬合方程：L=1 407.097 42-5.411 57A

5 結論

（1）太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)應用在以供暖為主的嚴寒地區(qū)，夏季系統(tǒng)制冷間歇運行時，可以采取適當?shù)姆绞嚼锰柲軐ν寥佬顭幔@對本文提出的小型復合式熱泵系統(tǒng)制冷效果影響不大，還可提高蓄熱效率，以期將太陽能利用率最大化。

（2）針對462 m2的小型辦公建筑，在哈爾濱松北區(qū)條件下，若以能量守恒原則設計系統(tǒng)中太陽能集熱器面積大小，可適當縮減10%。由于該值是在模擬情況下得出，利用該值修正時，應綜合考慮當?shù)氐耐寥蕾|地、日照強度等因素是否與本文研究對象一致，避免造成不必要的損失。

（3）在本文的研究背景下，每增加1 m2太陽能集熱器可減少5.4 m長的地埋管用量。在進行系統(tǒng)設計計算時應綜合考慮當?shù)匚飪r標準，選取兩者最優(yōu)匹配值，以期減少系統(tǒng)初投資。