太陽能輔助地源熱泵聯合供暖系統模擬研究

金 滿,徐洪濤,張劍飛,饒江偉

（1.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093；2.西安交通大學 能源與動力工程學院，西安 710049）

隨著我國對化石能源的大量開采和利用，能源消耗引起的環境污染問題得到了人們越來越多的關注。其中，建筑能耗約占國內能源消耗總量的三分之一[1]。因此，將可再生能源應用于建筑領域逐漸成為節能研究的重點[2]。目前，在建筑領域中利用清潔可再生能源供熱的方式主要為太陽能集熱和地源熱泵。太陽能資源豐富、便于采集，但作為單一熱源使用具有壽命短、間歇性和波動性較大、易受季節和天氣因素影響等問題。地源熱泵通過土壤中地埋管換熱器的吸放熱進行制冷或供暖，具有節能環保、維護費用低、壽命長等優點，但地源熱泵長期運行易導致地埋管周圍土壤冷熱失衡、系統換熱效率降低等問題。因此，太陽能和地源熱泵的聯合應用技術既能夠充分發揮兩者各自的優勢，又能彌補各自系統的不足，進而成為學者們研究的熱點[3-5]。

在試驗研究方面，陸游[6]對太陽能?地源熱泵系統的運行模式進行了試驗研究，研究表明，若該系統在供暖初期承擔整個節能樓的熱負荷，既不會降低機組的性能系數，還能夠有效避免系統經過長期運行存在的熱失衡現象。崔云翔等[4]對上海地區不同的太陽能?地源熱泵聯合運行模式進行了試驗研究，研究表明，在并聯運行模式下，蒸發器出口流體進入蓄熱水箱和地埋管的比例相同時，系統的運行模式為上海地區運行的最佳模式。劉逸等[7]利用經濟評價方法，通過與地源熱泵、燃油鍋爐、燃氣鍋爐和電鍋爐的對比，得出太陽能?地源熱泵不僅運行費用較低，且一次能源利用率最高。

在系統仿真方面，瞬時系統模擬程序TRNSYS[8]由于其模塊化的分析方式，被廣泛應用于建筑能耗模擬研究中。Kjellsson等[9]利用TRNSYS軟件對太陽能集熱器與地源熱泵系統的不同組合形式進行了模擬研究，發現該聯合系統在夏季利用太陽能提供生活熱水、在冬季給土壤進行補熱是最佳的組合形式。Rad等[10]采用TRNSYS軟件對加拿大某建筑物的太陽能?地源熱泵聯合供暖系統進行了可行性分析，結果表明，該聯合系統能夠在利用太陽能的同時，將多余的熱量儲存到土壤中，使地埋管換熱器的長度大幅度減少。郝紅等[11]利用TRNSYS軟件對太陽能?地源熱泵與熱網互補供暖系統進行仿真模擬，結果表明，該互補供暖系統同地源熱泵與熱網互補供暖系統相比，平均性能系數由3.167增加到4.650。Calise等[12]利用TRNSYS軟件對太陽能輔助熱泵系統進行了模擬研究，結果表明，該系統的熱效率和電效率分別達到40%和10%以上。

為了驗證TRNSYS軟件模擬結果的可靠性，諸多學者將模擬與試驗結果進行對比驗證。鄒曉銳等[13]以長沙地區某高校學生宿舍的復式熱水系統為研究對象，利用TRNSYS軟件對不同組合下的系統性能進行了模擬研究，并對熱泵機組及地埋管的模擬值與實測值進行了對比分析，結果表明，太陽能跨季地下蓄熱技術能夠使熱泵機組長期穩定運行，且模擬值與實測值的變化趨勢相同，兩者相對誤差較小。季永明等[14]對大連某公共建筑的太陽能輔助地源熱泵系統進行設計，采用TRNSYS軟件對系統長期運行工況進行模擬，結果表明，系統實際供熱量模擬結果與建筑負荷變化趨勢一致，平均誤差為?4%，且冬季熱泵機組的性能系數顯著提高。王恩宇等[15]以天津地區某高校實驗樓的太陽能?地源熱泵供熱系統為研究對象，利用TRNSYS軟件對該系統的運行策略進行模擬研究，結果表明，基于該實際工程，系統的最優運行策略為集熱器出口與水箱出口溫差大于15℃時啟動集熱，小于2℃時停止集熱。

綜上所述，大部分學者對太陽能?地源熱泵系統的組合形式、性能提升等方面進行了研究，而針對北方寒冷地區結合不同溫控策略的太陽能光伏光熱系統輔助地源熱泵進行聯合供暖的研究較少。因此，本文基于北京市某民用節能建筑，結合不同的溫控策略設計了太陽能光伏光熱輔助地源熱泵（PV/T-GSHP）聯合供暖系統，利用瞬時系統模擬程序TRNSYS進行模擬計算，分析該聯合供暖系統的節能潛力及長期運行后的土壤溫度變化，為實際工程應用提供參考。

1 研究對象

將設計的PV/T-GSHP系統擬應用于北京市某民用節能建筑，該建筑主體為鋼筋混凝土結構，共有4層，采暖面積約350 m2，采暖時間為2018?11?15—2019?03?15。

根據相關標準[16]并結合該民用建筑實際需求，確定供暖季室內設計溫度為18℃。建筑圍護結構主要參數如表1和表2所示。

表1 窗墻面積比Tab.1 Area ratio of window to wall

表2 圍護結構傳熱系數Tab.2 Heat transfer coefficient of the enclosure structure

利用TRNBuild平臺建立該民用建筑熱負荷模型，利用熱流平衡法計算2880 h建筑逐時熱負荷，結果如圖1所示。由圖1可知，該建筑熱負荷最大值為15.9 kW，最大單位熱負荷指標為45.4 W/m2。

圖1 節能建筑供暖季逐時熱負荷Fig.1 Hourly heat load of the energy-saving building in heating season

2 系統設計及模擬

2.1 系統原理

PV/T-GSHP系統主要由太陽能光伏光熱系統和地源熱泵系統組成。其中，太陽能PV/T系統主要由PV/T集熱器、分層水箱和循環水泵等組成，而地源熱泵系統主要由地埋管、地源熱泵、循環水泵和熱用戶（民用節能建筑）等組成。太陽能PV/T系統與地源熱泵系統之間的熱量交換通過板式換熱器進行。PV/T-GSHP系統原理如圖2所示。在太陽能集熱循環中，分層水箱熱側出口的循環介質通過PV/T集熱器，將吸收到的太陽能熱量傳遞到分層水箱中。PV/T集熱器產生的電能則儲存到蓄電池中，作為系統的備用電源。在板式換熱器中，分層水箱冷側出口溫度較高的循環介質將在板式換熱器中加熱地源熱泵源側循環介質；在地源熱泵循環中，熱泵源側出口循環介質經地埋管換熱器和板式換熱器加熱，使得地源熱泵負荷側出口的循環介質溫度提高，經熱用戶釋放熱量，再回流至地源熱泵。

圖2 PV/T-GSHP聯合供暖系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of the combined PV/T-GSHP heating system

2.2 系統部件的選擇

2.2.1 PV/T集熱系統的設計

a.平板型集熱器的面積計算[17]。

式中：Ac,s為集熱器總面積；f為太陽能保證率；QJ為建筑物熱負荷；Ja為集熱器采光面上的年平均日太陽能輻射量；?cd為集熱器平均集熱效率；?L為管路和儲熱設備的熱損失率；Ds為當地采暖期天數；?s為季節蓄熱系統效率。

經計算得到集熱器總面積為40 m2，本系統為了在冬季獲得良好的供暖效果，確定最終集熱器總面積為48 m2。

b.分層水箱的容積計算[17]。

式中：V為分層水箱的容積；B為單位采光面積的分層水箱容積系數。

經計算得到水箱有效容積為1.92～14.4 m3，根據地理位置和設計參數等條件，確定分層水箱容積為3.6 m3。

2.2.2 地源熱泵系統的設計

研究對象為北京市某民用節能建筑，根據地面面積、經濟成本等因素確定地埋管換熱器埋管方式為串聯單U型垂直地埋管。

a.地埋管換熱器的長度計算[18]。

式中：COP為系統的性能系數；Lh為供熱工況下地埋管換熱器總長度；qh為地源熱泵的額定制熱量；Rf為循環介質與垂直地埋管換熱器內壁的對流換熱熱阻；Rtr為垂直地埋管換熱器管壁熱阻；Rb為回填材料導熱熱阻；Re為地層熱阻；Rap為短暫的連續脈沖負荷所形成的附加熱阻；Fh為供熱運行份額；T∞為垂直地埋管換熱器附近土壤的初始溫度；Tmin為垂直地埋管換熱器中循環介質的平均溫度。

b.板式換熱器的換熱面積計算[18]。

式中：Ahe為板式換熱器換熱面積；Crs為分層水箱到換熱器的熱損失系數；Qc,max為太陽能集熱器最大集熱量；Cε為換熱器結垢影響系數；Khe為換熱器傳熱系數；△Th為傳熱溫差。

經計算得到板式換熱器的換熱面積為4.78 m2。

TRNSYS軟件中地埋管換熱器模塊的輸入端參數包括：氣象條件、土壤物性參數及管材的導熱系數等，經過相關部件的選型計算，具體參數如表3所示。

為了保證PV/T-GSHP系統在供暖季的長期運行效果，在TRNSYS平臺上搭建了系統仿真模型（圖3）進行逐時動態模擬。

2.3 系統的溫控策略

為了發揮PV/T-GSHP系統的節能潛力，提高太陽能利用率，結合當地氣象參數和系統設備性能指標，制定了相應的溫控策略，對PV/T-GSHP系統進行聯合控制。

太陽能集熱循環運行控制邏輯如下：當集熱器出口介質平均溫度T1與進口平均溫度T4的溫差高于8℃時，水泵P1開始工作；當此溫差小于2℃時，水泵P1停止工作[19]。

地源熱泵制熱循環運行控制邏輯如下：當節能建筑功能區溫度達到設計溫度18℃時，水泵P3，P4停止工作；若不滿足設計溫度，則水泵P3，P4同時開啟。

整個系統的溫控策略模式流程如圖4所示，運行控制模式如表4所示。

表4 PV/T-GSHP系統運行模式Tab.4 Operation mode of the PV/T-GSHP system

3 結果分析

3.1 分層水箱進出口溫差

圖5為系統在Mode 3模式下運行的分層水箱熱側進出口和冷側進出口溫差變化曲線。從圖5可知，熱側進出口溫差的變化趨勢與冷側進出口溫差的變化趨勢基本保持一致，表明集熱器吸收的熱量通過分層水箱能夠將熱量及時傳遞到板式換熱器中。從圖5可知，分層水箱熱側和冷側平均溫差分別為7.6℃和4.5℃。這是由于在太陽能集熱循環中，循環介質通過PV/T集熱器吸收的熱量在分層水箱進行放熱，致使分層水箱熱側進出口溫差大。同時，由于系統在板式換熱器中的循環介質先通過地埋管預熱，使熱泵源側循環介質溫度提高，與分層水箱冷側的循環介質溫差減小，換熱能力下降，導致分層水箱冷側進出口溫差減小。

圖5 分層水箱進出口溫差Fig. 5 Inlet and outlet temperature differences of the stratrification water tank

3.2 光伏板發電量與溫度

系統在Mode 3模式運行下的光伏板發電量和溫度變化曲線如圖6所示。由圖6可知，在供暖季光伏板的平均溫度為30.3℃，平均發電量為4.8 kW。在2019?01?09光伏板發電量最小為0.2 kW，主要原因是當日太陽輻射強度較低。而在2019?03?12，系統的光伏板溫度最高，光伏板溫度過高將導致光電轉換效率降低，所以，當日的光伏板發電量下降。同時，與供暖初期和中期相比，供暖末期的光伏板發電量更大，原因在于雖然供暖季末期太陽輻射強度較大，光伏板整體平均溫度較高但處于最佳工作溫度范圍之內[17]，光電轉換效率仍然較高。

圖6 光伏板發電量和溫度Fig. 6 Output power and temperature of the PV panel

3.3 光電光熱轉換效率

系統在Mode 3模式下運行的光電光熱轉換效率如圖7所示。由圖7可知，PV/T系統的光電轉換效率平均值為15.0%。在整個供暖季，PV/T-GSHP系統的分層水箱熱側出口循環介質溫度較高，雖然與光伏板的溫差小，冷卻能力下降，但光伏板被冷卻后的溫度仍位于最佳工作溫度范圍之內[20]，所以，PV/T系統仍然具有相對較高的光電轉換效率。PV/T系統的光熱轉換效率平均值為46.6%。在PV/T-GSHP系統中，流入板式換熱器的熱泵源側循環介質溫度較低，使得PV/T-GSHP系統熱泵源側循環介質與分層水箱冷側循環介質溫差變大，換熱量增加，加大了分層水箱初始溫度與換熱后溫度的溫差，相應地提高了PV/T系統的光熱轉化效率。

圖7 光電光熱轉換效率Fig. 7 Photoelectric and photothermal conversion efficiencies

3.4 系統性能評價

系統的性能系數COP為熱泵制熱量與熱泵消耗電量的比值，是用來評價熱泵系統性能的參數；系統的整體性能系數COPS為熱泵制熱量與熱泵和水泵消耗總電量的比值，是用來評價熱泵系統整體性能的參數。

圖8和圖9分別為系統在Mode 3和Mode 4模式下運行的COP和COPS對比圖。從圖8可知，在供暖季運行期間，GSHP系統的COP平均值僅為4.05，而PV/T-GSHP系統的COP則為4.33，與GSHP系統相比提升了6.9%。從圖9可知，PV/TGSHP系統和GSHP系統的COPS平均值分別為3.86和3.5，兩者相差10.3%。這表明PV/T-GSHP系統引入太陽能光伏光熱聯合作用，不僅實現了PV/T系統的熱電輸出，而且流入熱泵源側的循環介質具有更高的溫度，從而大幅度地減少了熱泵消耗的電能，使得PV/T-GSHP系統具有更優越的供熱性能。

圖8 PV/T-GSHP與GSHP系統的COP對比圖Fig. 8 Comparison of COP between PV/T-GSHP and GSHP systems

圖9 PV/T-GSHP與GSHP系統的COPS對比圖Fig. 9 Comparison of COPS between PV/T-GSHP and GSHP systems

3.5 土壤溫度變化

圖10為PV/T-GSHP和GSHP這2個系統運行10 a地埋管周圍土壤溫度變化對比曲線，土壤初始溫度為14.2℃。從模擬結果可知，地埋管周圍土壤溫度呈逐年下降趨勢。經過10 a運行，PV/TGSHP系統土壤溫度為13.1℃，整體降低8.0%，而GSHP系統土壤溫度為11.0℃，降低幅度為22.3%。PV/T-GSHP系統的土壤下降速度遠低于GSHP系統，其原因在于PV/T-GSHP系統中太陽能的輸入使得熱泵源側的循環介質減小了與土壤的換熱量。

圖10 PV/T-GSHP與GSHP系統10 a內土壤溫度對比Fig.10 Comparision between the soil temperature in 10 years by using PV/T-GSHP and GSHP systems

4 結 論

針對北京市某民用節能建筑設計了一套太陽能光伏光熱輔助地源熱泵（PV/T-GSHP）聯合供暖系統。為了提高系統的整體供熱性能，作者結合當地氣象參數和設備性能指標對系統運行制定了溫控策略，提高了太陽能的利用率。利用TRNSYS軟件對PV/T-GSHP系統和GSHP系統在供暖季運行進行了模擬分析。整個供暖季，PV/T系統的光電和光熱平均轉換效率分別達到15.0%，46.6%，PV/T-GSHP系統的COP和COPS相比GSHP系統分別提升了6.9%和10.3%。PV/T-GSHP系統的土壤溫度降幅遠小于GSHP系統。