嚴寒地區太陽能-地埋管地源熱泵系統耦合性能研究*

哈爾濱商業大學 劉 逸 陳培強 東北石油大學 成慶林 哈爾濱商業大學 許國鋒 徐 瑩

0 引言

嚴寒地區單獨采用地埋管地源熱泵系統很難滿足建筑供暖、供冷及生活熱水要求[1]。利用太陽能作為地埋管地源熱泵系統的輔助熱源對建筑進行聯合供能是一種比單一熱源熱泵系統更高效、節能、環保的能源利用模式[2],該耦合系統符合建筑節能需求，進而得到了越來越廣泛的關注[3]。與其他供能方式相比，耦合系統有很多優點，但同時也面臨一個難題：嚴寒地區供暖要求遠大于供冷要求，且土壤溫度偏低，若不采取相關措施，耦合系統長期運行會造成土壤熱失衡，進而系統不能長期高效運行[4]。為了更好地滿足供能要求，需要對其運行模式進行優化[5]。

針對太陽能-地埋管地源熱泵耦合系統的運行模式優化問題，國內外學者主要研究了系統供暖模式優化[6]。目前采用較多的運行模式控制策略優化方法為負荷域法、時間域法和溫差控制法[7]。然而控制策略優化過程中存在集熱器面積設計過大、系統初投資較高等問題[8]。對耦合系統進行經濟性分析可知，初投資過高主要由鉆井深度引起[9]。楊泉等人利用數值模擬的方法得出耦合系統供暖模式下集熱器面積增加1 m2，可以減少地埋管換熱器長度4.09 m[10]。

由于太陽能-地埋管地源熱泵耦合系統各主要部件龐大及實驗研究成本很高等，對其全年供能性能研究相對較少。研究人員主要對系統供暖模式模擬優化[11]、初投資[12]、適用區域[13]、優化系統數學模型[14]等方面開展了研究。Emmi等人采用數值模擬的方法利用水箱溫度控制埋管環路啟停[15]。Kegel等人針對地埋管換熱器占地面積大的問題，提出可利用太陽能減少地埋管換熱器數量[12]。Fine等人分析了不同建筑冷熱負荷比下的最小集熱器面積[16]。Razavi等人通過模擬得出耦合系統供能較單一熱源熱泵系統可降低能耗8.7%，年最高COP為3.75[17]。

太陽能-地埋管地源熱泵耦合系統運行方案的設計對系統供能性能影響較大，成為制約其推廣應用的重要因素。為了提高能源利用率，改善系統供能性能，本文提出太陽能-地埋管地源熱泵耦合系統的全年運行方案，利用TRNSYS軟件建立系統仿真模型，通過實驗驗證所建模型的準確性，并對模擬結果進行分析，確定不同土壤初始溫度與集熱器面積的關系。

1 實驗臺介紹

1.1 太陽能輔助地埋管地源熱泵耦合系統原理

圖1所示為太陽能輔助地埋管地源熱泵系統原理圖。該系統主要由太陽能集熱環路、蓄熱水箱蓄熱環路、輔助加熱器加熱生活用熱水水箱環路、地埋管換熱環路、熱泵機組供暖制冷系統組成。

A.太陽能集熱器；B.地埋管換熱器；C1.蓄熱水箱；C2.生活熱水水箱；D.熱泵機組；P1～P4.循環水泵；E.板式換熱器；1～23.閥門。圖1 耦合系統原理圖

1.2 實驗數據采集

采集的實驗數據包括：室內外環境溫度、地埋管進出口溫度、不同深度鉆孔側土壤溫度、機組耗功率、用戶側供回水溫度及太陽能集熱器進出口溫度。各參數均每30 min采集一次，其中室內外溫度以典型月為周期進行數據采集，其他參數均進行全年長期的數據采集。

1.3 實驗方案介紹

本文意在將該耦合系統中太陽能集熱系統的作用發揮到最大，使其在冬季輔助地埋管地源熱泵供暖，以期減少地埋管換熱器從地下的取熱量。在夏季及過渡季進行土壤蓄熱，進而對全年系統運行模式及控制策略進行設計。

在冬季，當蓄熱水箱頂部出口溫度tt比埋管出口溫度tc高10 ℃時，開啟循環泵，地埋管換熱器出口流體先進入板式換熱器與蓄熱水箱內的水換熱，然后進入熱泵機組蒸發器，最后流回地埋管，采用太陽能輔助地埋管地源熱泵系統供暖。當tt低于tc時，關閉循環泵，單獨采用地埋管地源熱泵系統供暖。當tt高于45 ℃時，強制關閉輔助加熱環路，采用太陽能系統供生活熱水。

在夏季需要供冷且tt低于tc時，單獨采用地埋管地源熱泵系統供冷。系統供冷間歇運行時，采用太陽能進行土壤蓄熱，當蓄熱水箱停止加熱生活熱水且蓄熱水箱頂部溫度比地埋管出口水溫高10 ℃時，啟動水泵P2和P3，開始對地埋管補熱。當蓄熱水箱頂部溫度比地埋管出口水溫高2 ℃時，關閉P2和P3，停止對地埋管補熱。

在過渡季，tt比tc高10 ℃時，地埋管內流體進入板式換熱器與蓄熱水箱內流體換熱后流回地埋管。當tt低于tc時停止蓄熱。tt高于45 ℃時，太陽能系統僅供生活熱水。

2 系統選型及軟件模擬

2.1 模型假設條件

由于太陽能輔助地埋管地源熱泵系統運行過程的性能分析比較復雜，想要利用模擬仿真精確還原實際工況很難完成。為了使模擬結果與實際工況滿足合理的精度要求，對所建模型作如下假設：

1) 土壤各向同性且質地均勻；

2) 忽略地下水滲流對土壤和換熱器之間換熱的影響；

3) 忽略換熱器與土壤之間的接觸熱阻；

4) 將太陽能集熱器、熱泵機組各自當作整體來進行仿真計算；

5) 忽略管路熱損失；

6) 忽略無限遠處土壤溫度對地埋管側土壤溫度的影響。

2.2 建筑物

以哈爾濱某小型2層辦公建筑為研究對象，其總建筑面積為462 m2，建筑體形系數為0.3，建筑窗墻面積比分別為北向0.30、東西向0.25、南向0.45。經實驗測得該地區全年室外溫度波動范圍為-22.5～38.0 ℃，最冷月為1月，最熱月7月。該建筑采用太陽能輔助地埋管地源熱泵耦合系統進行供暖、供冷。辦公建筑圍護結構按照JGJ 26—2010《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》[18]進行設計。利用DeST軟件模擬全年建筑逐時負荷分布情況。圖2顯示了建筑模型，圖3顯示了建筑全年逐時負荷。建筑全年最大熱負荷為33.97 kW，最大冷負荷為26 kW。

圖2 建筑模型

圖3 建筑全年逐時負荷

2.3 太陽能集熱器

采用真空管型太陽能集熱器，忽略管路損失，與文獻[19]選用的模型一致。真空管型太陽能集熱器的熱力學分析參照文獻[19]。該耦合系統中太陽能的利用與傳統供暖、供生活熱水不同，其主要作用是維持土壤熱平衡，按照規范要求顯然是不合理的。相關學者模擬了該耦合系統中地埋管地源熱泵不同運停比下土壤溫度場的恢復情況，以恢復率維持在70%左右為前提，反推出哈爾濱地區最佳太陽能保證率在50%～70%之間[20]。綜合考慮哈爾濱的氣象條件、集熱器加熱埋管內流體的比例等因素，取太陽能保證率為70%，經計算得集熱器面積為43 m2。

2.4 水箱

采用多節點溫度豎向分層蓄熱水箱模型，與文獻[19]選用的水箱模型一致。水箱模型的熱力學分析參照文獻[19]。本次實驗用到的2種水箱容積按GB 50495—2009《太陽能供熱采暖工程技術規范》[21]選取，蓄熱水箱容積為2.4 m3，生活熱水水箱容積為0.3 m3。

2.5 熱泵機組

本文重點研究太陽能輔助地埋管地源熱泵耦合系統的性能，忽略機組內壓縮機、節流裝置、蒸發器等機組裝置之間的影響，與文獻[22]選用的熱泵機組模型一致，熱泵機組的熱力學分析參照文獻[22]。依據最大熱負荷選取熱泵型號，最終選擇額定制熱量為35 kW、額定制冷量為30 kW、額定制熱功率為7.5 kW、額定制冷功率為7 kW的熱泵機組，采用R22作為制冷劑。

2.6 地埋管換熱器

采用單U形豎直地埋管換熱器，與文獻[22]選用的地埋管換熱器模型一致，地埋管換熱器模型的熱力學分析參照文獻[22]。根據GB 50366—2005《地源熱泵系統工程技術規范》[23]的要求及在實驗地點進行的巖土熱響應實驗得到的數據，設計地埋管參數，其中回填材料采用含水量5%的致密沙土。表1給出了巖土熱響應實驗數據，地埋管設計主要參數見表2。

表1 土壤初始溫度 ℃

3 模擬驗證

本文旨在探究嚴寒地區該耦合系統的性能。由于嚴寒地區冬季室外溫度低，建筑全年熱負荷遠大于冷負荷，故系統供暖需求較大、供冷需求較小，因此模型驗證以供暖期典型日1月1日的逐時室內溫度、全年逐月集熱器集熱量及熱泵機組COP的實測數據為依據，驗證模型可靠性并繪制折線圖，見圖4。

表2 地埋管換熱系統主要參數

由圖4可以看出，模擬值與實測值變化趨勢相同，最大相對誤差分別為2.9%、8.9%、9.6%。因此本文所建系統模型具有可靠性。

4 結果分析與討論

4.1 室內外平均溫度

圖5顯示了實測的全年典型月室內外平均溫度。哈爾濱地區冬季室外溫度偏低，通過氣象站實地測量，最低室外溫度可達-28.6 ℃。在這種極其惡劣的室外環境溫度下，該耦合系統在設計的運行方案下仍然可以將室內平均溫度穩定在19 ℃左右，室內溫度得到了很好的控制，如果以(19±1) ℃為房間舒適性標準溫度，供暖舒適度保證率可達100%。

圖5 全年典型月室內外平均溫度的逐時變化

4.2 地埋管換熱器供能性能

圖6為地埋管換熱器取熱量及蓄熱量全年逐月變化圖。從圖中可以直觀看出本文提出的運行方案可以使系統全年為土壤蓄熱，即使是在最寒冷的12月、1月時，也有少許蓄熱。在供暖開始的半個月及鄰近結束的半個月內地埋管的取熱量零，蓄熱量較大，這是由于哈爾濱雖處在嚴寒地區，但其太陽能輻射量在4月為140 kW·h/m2，10月為85 kW·h/m2，室外月平均溫度都可以達到8 ℃左右，進而導致供暖初期與末期的建筑所需熱負荷不大。在室外環境溫度與太陽能輻射量的綜合作用下，集熱器集熱量較大，使蓄熱水箱出口溫度完全可以達到輔助供暖的標準，甚至更高，地埋管換熱器就無須從土壤中提取熱量，當熱泵機組源側流體溫度達到名義設定值時，多余的熱量就會通過換熱器傳遞給土壤，為土壤蓄熱。

圖6 地埋管換熱器取(蓄)熱量全年逐月變化

整體來看，地埋管全年蓄熱量集中在4—10月，最大值出現在7月，為2 041 kW·h。全年取熱量集中在1月和12月，分別為2 576、2 435 kW·h。全年總取熱量為8 095 kW·h，總蓄熱量為12 313 kW·h。

4.3 土壤溫度變化特性

圖7a顯示了系統運行1 a的土壤平均溫度全年逐時變化。土壤初始平均溫度為8.6 ℃，1月1日到4月15日為供暖期，土壤平均溫度下降到8.05 ℃。4月15日到10月15為夏季及過渡季，土壤平均溫度升幅達到1.31 ℃。一方面由于白天日照強度大，集熱器集熱量多，蓄熱水箱溫度得到大幅度提升，向土壤中的蓄熱量增大；另一方面此時熱泵機組采用逆卡諾循環原理制冷，將房間熱量通過換熱器傳遞給土壤，因此土壤得到一定程度的回溫。10月15日到12月31日為供暖期，土壤平均溫度下降到8.69 ℃。經過1 a，土壤平均溫度升高0.09 ℃。

圖7 土壤平均溫度逐時變化

圖7b顯示了系統運行10 a的土壤平均溫度逐時變化。從圖中可以明顯看出，在本文設計的方案下運行，10 a后的土壤平均溫度升高0.35 ℃，偏移率為104%，熱平衡率在80%～120%之間，不會對系統運行產生不利影響[24]。

4.4 土壤初始溫度與集熱器面積的關系

其他影響參數不變，在保證系統全年運行后，以土壤溫度可以恢復到初始狀態為評判標準，利用本文建立的系統模型，采用集熱器面積遞增的方法多次試算，探究土壤初始溫度與集熱器面積的關系。針對不同土壤初始溫度，分別計算得出對應的最佳集熱器面積，見表3。

表3 不同土壤初始溫度下的最佳集熱器面積

由表3可以看出，隨著土壤初始溫度的升高，集熱器面積增大。造成這種現象的原因是在本文設計的方案中，冬季太陽能輔助供暖的控制策略為蓄熱水箱頂部出口溫度高于地埋管出口溫度10 ℃時開啟，隨著土壤初始溫度的升高，埋管內流體與土壤之間的換熱能力必然提高。若土壤初始溫度為6.6 ℃，在理想狀態下，地埋管換熱器內的流體與土壤充分換熱后達到熱平衡，流體溫度也為6.6 ℃，此時太陽能集熱器將蓄熱水箱加熱至16.6 ℃，蓄熱水箱輔助供暖模式就會開啟；若土壤初始溫度為15.6 ℃，在理想狀態下，埋管內流體與土壤充分換熱達到熱平衡，流體溫度為15.6 ℃，此時太陽能集熱器需將蓄熱水箱加熱至25.6 ℃，該耦合系統才會開啟蓄熱水箱輔助供暖模式。

由此可以看出，蓄熱水箱輔助供暖的工作時間隨著土壤初始溫度的升高而縮短，地埋管換熱器從土壤中的取熱量就會增大，此時想要將系統全年運行后的土壤平均溫度恢復到原始狀態，所需的集熱器面積就會變大。

為使這種變化關系以數學表達式的形式體現出來，引入一個變量，即單位建筑面積下的最佳集熱器面積Ac/S(其中Ac和S分別為最佳集熱器面積和建筑面積)。土壤初始溫度t0與單位建筑面積下的最佳集熱器面積Ac/S的變化曲線如圖8所示。

通過對該曲線進行擬合，可以得到Ac/S與t0的數學表達式為

圖8 單位建筑面積下最佳集熱器面積隨土壤初始溫度的變化

(1)

5 經濟性分析

費用年值法是評價系統經濟性能的高效方法[25]，本文采用費用年值法對太陽能-地埋管地源熱泵系統與常規供能系統進行供暖季的經濟性比較分析。根據市場調查，太陽能-地埋管地源熱泵系統中主要部件的市場價格為真空管集熱器900元/m2、水箱500元/m3，埋管材料及安裝費1 600元/孔，設備使用年限為20 a；燃煤鍋爐初投資為200元/m2，運行費用為37.5元/m2。經計算得出2種系統的初投資、運行費用及費用年值，如圖9所示。從圖9可以看出，太陽能-地埋管地源熱泵系統的初投資較燃煤鍋爐高，但運行費用及費用年值均較低，兩者費用年值相差0.95 萬元，由此可見該耦合系統在嚴寒地區的供暖經濟性具有明顯優勢。

圖9 2種供暖系統經濟性比較

6 結論

1) 太陽能-地埋管地源熱泵耦合系統在本文設計的方案下運行穩定，通過實測數據得出最冷月供暖保障率為100%。

2) 嚴寒地區冬季適合根據蓄熱水箱與地埋管出口溫差控制太陽能輔助供暖模式的啟停，地埋管全年總蓄熱量為12 313 kW·h，總取熱量為8 095 kW·h。系統運行1 a后土壤平均溫度升高0.09 ℃，熱平衡率為101%。模擬預測系統運行10 a后土壤溫度升高0.35 ℃，熱平衡率為104%，符合土壤熱平衡率80%～120%的要求，可以很好地維持系統以年為周期運行后的土壤熱平衡。

3) 從太陽能集熱器面積優化的角度出發，在嚴寒地區利用該耦合系統供能并利用本文介紹的控制策略運行，土壤初始溫度在6.6～15.6 ℃之間時，換熱器從土壤中的取熱量隨著土壤初始溫度的升高而增大，為維持土壤熱平衡所需的集熱器面積增大，并以此擬合出土壤初始溫度與單位建筑面積下最優集熱器面積的數學表達式，對該耦合系統在嚴寒地區的推廣應用及集熱器面積設計具有指導意義。

4) 從系統供能經濟性的角度出發，該耦合系統供暖經濟性優于傳統燃煤鍋爐系統，值得推廣。