獨立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統模型建立與影響因素分析

王 蕓 端木琳 李祥立 仝 倉

(大連理工大學建筑工程學部 大連 116024)

Model and Parametric Analysis of Solar-assisted Ground-source Heat Pump System with Dual Independently Buried Tubes

Wang Yun Duanmu Lin Li Xiangli Tong Cang

(Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, 116024, China)

AbstractA solar-assisted ground-source heat pump system is an excellent way of supplying clean energy in extremely cold regions. In this system, the solar energy collection and storage system has different connection and operation modes from the ground-source heat pump system. The running time of the solar system directly affects the thermal recovery characteristics of the soil. In this study, a solar-assisted ground-source heat pump system with a year-round heat storage was established based on the TRNSYS platform. A simulation calculation method for a soil heat accumulator with double independently buried pipes was proposed. The simulation results were compared to the field test data. Based on the actual project of a public building in Dalian, the operating parameters, which greatly influence the total operating energy consumption and the soil temperature change rate of the system, were obtained using an orthogonal experimental design and TRNSYS simulation. Their influence laws were subsequently analyzed. The results showed that the total operating energy consumption of the system positively correlated with the water supply temperature of the heat pump in winter, load-side water flow rate, and soil-side water flow rate. It negatively correlated with the water supply temperature of the heat pump in summer. When the cumulative heating and cooling capacity ratio was 1.31, the total operating energy consumption of the system negatively correlated with the start-up temperature of the heat storage. When the ratio was 2.32, it positively correlated with the start-up temperature of heat storage and when the ratio was 1.77, the start-up temperature of heat storage was 35 ℃, and the energy consumption of the system was the lowest. The change rate in the soil temperature negatively correlated with the start-up temperature of heat storage. The operating time and parameters of the solar system were adjusted according to the heating and cooling ratios of the system.

Keywordssolar energy; ground-source heat pump; TRNSYS; model establishment; influence factors

我國地域遼闊，有豐富的太陽能與地熱能資源，將太陽能與地熱能結合可以彌補太陽能與地熱能單獨使用時存在的缺陷。太陽能與土壤源熱泵系統結合應用于實際工程時存在多種連接方式和運行模式：土壤源熱泵單獨供熱/供冷、太陽能蓄熱水箱與地埋管串聯/并聯供熱、太陽能集熱器直接供熱、太陽能蓄熱水箱直接供熱、太陽能蓄熱水箱聯合熱泵供熱、太陽能向土壤蓄熱等。研究人員通過實驗或模擬對系統不同運行模式進行了多方面研究。

危日光等[1-2]研究表明太陽能與土壤源熱泵結合可以提高熱泵機組性能和系統性能。A.Girard等[3]分別模擬了19個城市的傳統土壤源熱泵系統和太陽能輔助土壤源熱泵系統，結果表明，前者耗電量均大于后者，兩個系統回收期均在壽命范圍內，均具有經濟性，且在太陽輻射強的地區，集熱器對熱泵性能影響更大。S. H. Razavi等[4]通過TRNSYS模擬了5種太陽能輔助地源熱泵系統組合情況，對比表明，能耗均低于地源熱泵系統，最高降低了8.7%。鄭志濤等[5]設計了蓄熱型太陽能地源熱泵系統，結果表明，該系統經濟效益明顯，蓄熱水箱和地埋管換熱器間歇運行有利于地下土壤溫度的恢復。李素芬等[6]建立了太陽能輔助地源熱泵系統數學模型，研究了不同動態負荷下系統的供暖特性。郝紅等[7]通過TRNSYS平臺建立了太陽能-土壤源熱泵與熱網互補供暖系統仿真模型，結果表明，相比于土壤源熱泵與熱網互補供暖系統，太陽能-土壤源熱泵與熱網互補供暖系統提高了蒸發器進出口水溫、系統性能系數，增加了熱網運行時間。E.Kjellsson等[8-9]利用TRNSYS軟件模擬了太陽能系統在太陽能輔助地源熱泵系統中不同運行模式的運行特性，確定了太陽能系統最佳運行模式。

Liu Long等[10]通過實驗研究了太陽能系統過渡季或夏季蓄熱的可行性，蓄熱量占太陽能總輻射量的50.2%。蘆子健等[11]提出了蓄熱式太陽能土壤源耦合系統，系統采用兩組地埋管，可進行蓄熱期兩組地埋管蓄熱、供冷期一組地埋管蓄熱和另一組地埋管供冷、供熱季兩組地埋管并聯供熱以及供熱季太陽能耦合兩組地埋管串聯供熱4種運行模式。通過TRNSYS建立系統仿真模型，模型中使用兩個地埋管模塊進行模擬研究，證明了系統在嚴寒地區的適用性。葛鳳華等[12]利用TRNSYS建立太陽能土壤源熱泵系統仿真模型，地埋管系統分為兩組，冬季所有地埋管供熱；夏季，一組地埋管供冷，另一組補熱；過渡季所有地埋管補熱。通過模擬將兩組地埋管井數與負荷相互匹配，使得兩組地埋管溫度場恢復到同一水平。Wang Xiao等[13]通過實驗研究了太陽能季節性蓄熱式太陽能輔助地源熱泵系統運行特性。冬季太陽能和所有地埋管交替耦合熱泵供熱；過渡季所有地埋管蓄熱；夏季一組地埋管蓄熱，另一組地埋管供冷；該系統熱泵從地埋管的取熱量占季節性蓄熱量的75.5%，太陽能直接供熱量占總供熱量49.7%，提高了系統性能系數。

P. Eslami-nejad等[14]提出可預測帶有兩個獨立環路的雙U形埋管鉆孔穩態傳熱的分析模型，其中一環路應用于熱泵冬季供熱模式，另一環路與太陽能集熱器直接相連，考慮兩環路的流體和埋管熱阻及其熱相互作用，預測了兩環路沿鉆孔深度的流體溫度分布，評估了單孔兩環路入口溫度(各自恒定)與流量(可變)對各環路傳熱影響，并將其應用于單孔住宅系統中，結果表明，太陽能補熱雖未顯著降低熱泵年運行功耗，但減少了系統鉆孔長度，可降低成本。F. M. Rad等[15-17]研究也表明系統中加入太陽能集熱器可以減少地埋管長度和安裝成本。隨著累計熱負荷與累計冷負荷比值的增大，減少的地埋管換熱器長度與太陽能集熱器面積比值減小，后者比值越大，太陽能輔助地源熱泵系統可行性越高。

目前的研究和工程應用中，太陽能輔助土壤源熱泵系統中土壤源熱泵環路與太陽能蓄熱環路通常共用一組地埋管，土壤源熱泵系統冬季供熱，夏季供冷，過渡季停止運行，太陽能系統向該組地埋管蓄熱。而當太陽能系統需要全年蓄熱運行時，系統設置兩組地埋管。冬季土壤源熱泵系統使用兩組地埋管同時供熱；夏季土壤源熱泵系統使用其中一組地埋管供冷，太陽能系統使用另一組地埋管進行蓄熱；過渡季太陽能系統同時向兩組地埋管蓄熱[11-13]。從土壤熱平衡的角度出發，太陽能集熱系統最根本的目的是向土壤蓄熱，為此，季永明等[18]提出了獨立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統，該系統的太陽能蓄熱系統與土壤源熱泵系統相互獨立，并各自對應一組地埋管系統。冬季土壤源熱泵系統使用熱泵地埋管供熱，夏季土壤源熱泵系統使用熱泵地埋管供冷，太陽能系統使用蓄熱地埋管全年運行。

研究人員針對不同形式不同功能的太陽能耦合土壤源熱泵系統中的系統設備參數和控制運行參數進行了實驗或模擬，分析了參數對不同目標的影響，并對參數進行優選同時給出建議范圍。鄒曉銳等[19]以費用年值為目標對集熱器面積、水箱容積及機組啟停設定溫度進行了優化匹配。S. Rayegan等[20]使用多目標遺傳算法確定系統可行的優化設計參數，結果表明，可根據熱舒適性及太陽能利用率來確定最佳再生溫度、地埋管鉆孔數量、集熱器面積。徐飛等[21-23]模擬分析了系統參數(蓄熱流量、水箱體積、集熱器面積、地埋管換熱器結構等)和控制參數(集熱泵啟動設定溫度、蓄熱時間、蓄熱溫度等)對土壤蓄集熱特性的影響。王孟等[24-26]研究了機組設定溫度、水泵頻率、太陽能集熱器面積與地埋管長度、發生器與冷凝器溫度等對系統性能的影響。

獨立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統與常規系統不同之處在于兩組地埋管分為常規井和蓄熱井，蓄熱井中設置兩個U形地埋管，分別與土壤源熱泵系統和太陽能系統連接。與文獻[11-13]不同的是，本文系統的兩組地埋管共用同一個土壤區域，在供冷季或供熱季，地埋管聯合熱泵向系統供冷或供熱的同時太陽能系統對應的地埋管仍然可以向同一土壤區域蓄熱。蓄熱井在整個地埋管區域的中心，數量上少于常規井，這樣可以保證蓄存的熱量不易散失；太陽能蓄熱用的U形管與熱泵用的U形管在一個鉆孔內，二者僅交換熱量，因此該埋管方式還可以邊蓄邊用。雖然兩組地埋管系統運行互不影響，但經過長時間運行，來自太陽能并蓄存在土壤中的熱量，會對蓄熱井周圍的土壤溫度有較大影響。S. Chapuis等[27]通過修改TRNSYS中Type557對應的地埋管傳熱模型 (duct ground heat storage model，DST)的局部傳熱計算代碼來模擬均包含兩個獨立環路的鉆孔群，修改后鉆孔半徑處新邊界條件有兩個傳熱量，忽略鉆孔中兩個U形管間熱短路效應及其中一個U形管由于穩態熱流產生的地溫變化，通過對案例模擬表明，該鉆孔形式可以降低蓄熱體熱損失，太陽能集熱器平均效率達58%。與文獻[27]不同的是，本文系統中熱泵地埋管與蓄熱地埋管數量并不相同且太陽能集熱器并未直接與蓄熱地埋管相連，但若采用兩個互不相關的地埋管模塊進行仿真模擬，則與實際系統運行情況并不相符。而目前有關該獨立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統模型建立的研究較少，全面性研究系統運行參數也較少。本文基于TRNSYS軟件通過合理簡化地埋管連接和地埋管內部熱平衡計算建立了適用于該系統的模型，并針對大連某公共建筑實際工程對此系統進行了正交試驗設計與模擬，得到對系統運行能耗與土壤溫度變化率有重要影響的運行參數并分析影響規律。

1 模型建立

1.1 熱泵模型

本文模型采用文獻[28]開發的熱泵機組模塊，該模塊使用半經驗模型擬合出熱泵容量和能耗的表達式來對熱泵機組進行建模，根據熱泵樣本參數可擬合出表達式中各系數大小。不同運行工況下滿負荷運行容量系數和耗功量系數與蒸發器水流量、冷凝器水流量、蒸發器出口水溫、冷凝器進口水溫有關，部分負荷耗功量系數與部分負荷率有關。以制冷為例，各代數表達式[28]為：

CAPrcool=a1+b1rme+b2rme2+c1rmc+c2rmc2+

d1rTeo+d2rTeo2+e1rTci+e2rTci2+f1rTeorTci

(1)

Pr1cool=a2+b3rme+b4rme2+c3rmc+c4rmc2+d3rTeo+

d4rTeo2+e3rTci+e4rTci2+f2rTeorTci

(2)

Pr2cool=a3+b5PLR+c5PLR2

(3)

PLR=Q/CAPmax

(4)

式中：CAPrcool為熱泵制冷滿負荷修正系數；Pr1cool為熱泵制冷滿負荷修正系數；Pr2cool為熱泵制冷部分負荷修正系數；rme、rmc、rTeo、rTci分別為蒸發器流量、冷凝器流量、蒸發器出口溫度、冷凝器進口溫度與額定設計工況的比值；PLR為部分負荷率；CAPmax為滿負荷制冷容量，kW；Q為當前負荷，kW；a1～a3、b1～b5、c1～c5、d1～d4、e1～e4、f1～f2為表達式擬合系數。

1.2 系統構成

圖1所示為獨立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統原理，系統包括土壤源熱泵系統和太陽能系統兩個子系統。土壤源熱泵系統用于冬季供熱，夏季供冷，通過冬夏轉換閥門實現運行工況的轉換；太陽能系統原則上全年可以蓄熱運行。兩個子系統各自對應于一組地埋管換熱系統，蓄熱地埋管在常規地埋管區域的中間。圖2所示為系統地埋管的布置連接，其中a、b、c環路代表土壤源熱泵系統對應的地埋管系統，d環路代表太陽能系統對應的地埋管系統。蓄熱埋管與部分常規埋管共用同一地源井，地源井7與9均為太陽能系統的蓄熱井，蓄熱井中分別設置兩個單U形換熱器，其中一個與土壤側埋管支路供回水管連接，另一個與蓄熱環路供回水管連接(共計4個U形管)；其余地源井均為土壤源熱泵系統的換熱井(冬季取熱，夏季放熱)，井中均設置一個雙U形換熱器。兩地埋管系統共用同一區域，蓄熱地源井在此區域中分散布置，運行互不影響。

T1熱泵用戶供水溫度；T2熱泵用戶回水溫度；T3熱泵土壤供水溫度；T4熱泵土壤回水溫度；T5集熱器進口溫度；T6集熱器出口溫度；T7土壤蓄熱進口溫度；T8土壤蓄熱出口溫度。圖1 獨立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統原理Fig. 1 Principle of solar assisted ground-source heat pump system with independent double buried pipe

圖2 系統地埋管布置連接Fig. 2 Layout and connection of the buried pipe

1.3 地埋管區域模型

針對上述雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統建立地埋管區域模型時，由于土壤源熱泵與太陽能系統同時運行時，兩個地埋管系統在蓄熱井處存在局部互相熱影響，而且蓄熱地埋管位于熱泵地埋管中心，兩子系統共同作用于埋管所在土壤區域，會出現同時向土壤取熱和蓄熱的情況。隨著運行時間的增加，影響越大，使用兩個地埋管模塊來分別模擬兩個地埋管系統無法模擬出該影響，因此考慮到長期運行太陽能系統對整體土壤的熱影響，在TRNSYS軟件中使用一個地埋管模塊Type557進行模型的建立。使用一個地埋管模塊進行模型建立時，對地埋管側連接進行簡化。由于土壤源熱泵系統和太陽能系統共用一個土壤區域，如圖3所示，將土壤源熱泵系統土壤側輸出流體和太陽能側水箱蓄熱輸出流體混合后作為地埋管模塊的輸入，簡化后該地埋管運行分3種工況。

圖3 地埋管連接簡化Fig. 3 Simplified connection of buried pipes

工況1：當土壤源熱泵系統不運行，太陽能系統運行時，地埋管模塊輸出流體即為太陽能側水箱蓄熱輸入流體，地埋管模塊輸出流體的流量和溫度分別為太陽能側水箱蓄熱輸入流體的流量和溫度。

工況2：當土壤源熱泵系統運行而太陽能系統不運行時，地埋管模塊輸出流體即為土壤源熱泵土壤側輸入流體，地埋管模塊輸出流體的流量和溫度分別為土壤源熱泵土壤側輸入流體的流量和溫度。

工況3：當土壤源熱泵系統和太陽能系統同時運行時，土壤源熱泵系統土壤側輸出流體和太陽能側水箱蓄熱輸出流體混合后的總流量為地埋管模塊輸入流體的流量，混合后的溫度為地埋管模塊輸入流體的溫度。

由于地埋管模塊輸出流體溫度為土壤源熱泵系統土壤側輸入流體溫度，地埋管輸出流體溫度并不等于太陽能側水箱蓄熱進口溫度，因此需要對太陽能側水箱蓄熱進口溫度進行計算。通過地埋管模塊內部熱平衡，本文推導出太陽能側水箱輸入流體溫度公式(5)～(7)，并將公式編制成計算模塊放入TRNSYS的“Type Txuout”模塊(見圖4)。

(6)

Qrb=4.18Mrb(Trbin-Trbout)

(7)

式中：Txuout為太陽能系統蓄熱出口溫度，℃；Txuin為太陽能系統水箱出口溫度，℃；Tout為過渡季土壤蓄熱出口溫度，℃;Qtyn為太陽能系統給土壤的蓄熱量，kJ/h；Mxu為太陽能蓄熱流量，kg/h；Sh、Sc、Ss分別為太陽能系統在冬季、夏季、過渡季是否運行的信號，是為1，否為0；Qrb為熱泵運行時與土壤側的換熱量，kJ/h；Qfluid為熱泵側土壤進口與太陽能側土壤進口混合流體與土壤的換熱量，kJ/h；Mrb為熱泵土壤側流量，kg/h；Trbin、Trbout分別為熱泵運行時土壤側進出口溫度，℃；

1.4 系統運行方式

根據系統流程基于地埋管區域模型建立TRNSYS仿真模型，如圖4所示。熱泵的運行與負荷密切相關，熱泵運行數量由建筑負荷的大小決定。當負荷小于單臺熱泵額定容量的15%時，熱泵不運行；當負荷大于單臺熱泵額定容量的15%并小于單臺熱泵額定容量的100%時，單臺熱泵運行；當負荷大于單臺熱泵額定容量的100%時，兩臺熱泵運行。用戶水泵、熱泵土壤側水泵各兩臺并聯連接，可按照設定的控制策略運行。用戶負荷由外部文件導入。模型中熱泵的運行由模塊Type14和方程來控制。

太陽能系統分為太陽能集熱循環和太陽能蓄熱循環。集熱循環由太陽能集熱器出口溫度與水箱溫度控制，當溫差大于7 ℃時，集熱水泵運行，溫差小于3 ℃時集熱水泵停止運行；蓄熱循環由水箱溫度控制，當水箱溫度大于35 ℃時，蓄熱水泵運行，水箱溫度小于27 ℃時集熱水泵停止運行。模型中水泵的運行由模塊Type14和模塊Type2b來控制。系統運行結束后使用模塊Type65輸出運行數據。

2 模型實驗驗證

2.1 系統各設備參數

本文以大連某公共建筑為研究對象，建筑面積12 638 m2，空調面積12 011 m2。采用獨立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統來滿足建筑冬季供熱和夏季制冷需求。

系統采用兩臺螺桿式地源熱泵機組，型號為CRTWD 160H；用戶側和熱泵土壤側水泵均兩用一備；垂直地埋管鉆井224口，其中8口為蓄熱井，全部并聯運行，土壤初始溫度為14.4 ℃；太陽能集熱器為真空管集熱器，位于屋面；設有蓄熱水箱，內置波紋管換熱器，蓄熱水箱與集熱器側水環路間接進行熱量交換，與蓄熱埋管環路直接相通；集熱水泵和蓄熱水泵均一用一備。設備參數如表1所示。

表1 設備參數Tab. 1 The parameters of equipments

2.2 模型驗證

實際系統于2020年供暖季運行，因此根據2020年11月15日至2021年3月1日實際運行數據對模型進行實驗驗證。將建筑負荷、室外溫度、土壤地埋管側流量作為輸入參數輸入模型進行相同時間段供熱運行模擬，在土壤源熱泵系統運行的同時，太陽能系統也在運行。各參數模擬值與實驗值對比如圖5～圖7所示，運行結果如表2所示，誤差均在15%以內，驗證了模型的準確性。

圖5 熱泵土壤供/回水溫度模擬值與實驗值對比Fig. 5 Comparison between simulated and experimental values of ground supply and return water temperature of heat pump

圖6 集熱器進口溫度模擬值與實驗值對比Fig. 6 Comparison between simulated and experimental values of collector inlet temperature

圖7 集熱器出口溫度模擬值與實驗值對比Fig. 7 Comparison between simulated and experimental values of collector outlet temperature

對于該模型，需要驗證根據系統簡化連接與地埋管模塊熱平衡計算的土壤蓄熱出口溫度的準確性。本系統采用光纖光柵溫度傳感器對蓄熱井管井井壁溫度進行測量，管井井壁溫度與土壤蓄熱出口溫度對比如表3所示，平均偏差(mean bias error，MBE)在15%以內，均方根誤差變化系數(coefficient of variation of the root-mean-square error，CV(RMSE))在20%以內，均在合理范圍內，證明了計算的土壤蓄熱出口溫度的準確性。

表2 實驗值與模擬值對比Tab. 2 Comparison between experimental and simulated values

表3 管壁平均溫度與土壤蓄熱出口平均溫度對比Tab. 3 Comparison of average temperature between pipe wall and soil heat storage outlet

3 影響因素

在系統各個設備確定的情況下，應該考慮如何在滿足用戶需求的同時，使系統的運行情況達到最優。

本文基于上述大連市某公共建筑研究系統運行參數對系統運行能耗與土壤溫度變化率的影響。系統運行能耗為土壤源熱泵系統和太陽能系統能耗之和，包括熱泵機組及各個水泵運行能耗；土壤溫度變化率為系統經過一個運行周期后土壤溫度變化值與初始土壤溫度的比值。土壤溫度變化率越接近于零，土壤溫度波動越小。

正交試驗設計可以使用較少的試驗次數，了解試驗因素的重要性程度與交互作用，因此本文采用正交試驗方法進行模擬研究。

3.1 影響因素的重要程度

本文以熱泵夏季供水溫度、熱泵冬季供水溫度、負荷側水流量、土壤側水流量、蓄熱流量、蓄熱啟動溫度、蓄熱停止溫差、集熱流量、集熱運行溫差上限、集熱運行溫差下限、蓄集熱運行時間段11個因素為研究對象進行影響因素分析，11個因素在系統中相互獨立，互不相關。

正交試驗設計中不僅要考慮各因素對試驗目標的影響，還應考慮因素間交互作用對試驗目標結果的影響。將因素按順序進行編號，分別為A～K，如表4所示。通過交互作用判別[30]，對系統運行能耗有影響的兩因素交互作用有：E×F、E×G、E×H、E×I、E×J、F×G、G×H、G×J、H×I、H×J、J×K；對土壤溫度變化率有影響的兩因素交互作用有：E×F、E×G、E×H、E×J、F×G、G×H、G×J、G×K。根據研究對象，以系統運行能耗與土壤溫度變化率為目標在SPSS平臺設計11個因素兩水平正交表，共60個試驗方案，試驗總自由度為60，各影響源自由度均為1，該效應檢驗模型具有顯著性。

表4 影響因素及水平Tab. 4 Factors and levels

通過方差分析，對系統運行能耗影響程度由大到小分別為：負荷側水流量、熱泵冬季供水溫度、土壤側水流量、熱泵夏季供水溫度、蓄熱啟動溫度、蓄集熱運行時間段、蓄熱停止溫度與集熱流量交互作用、蓄熱啟動溫度與蓄熱停止溫度交互作用、蓄熱流量、蓄熱流量與蓄熱啟動溫度交互作用。以顯著性為0.01為指標，其中重要的影響因素為前6項。對系統土壤溫度變化率影響程度由大到小分別為：熱泵冬季供水溫度、蓄熱啟動溫度、熱泵夏季供水溫度、蓄集熱運行時間段、土壤側水流量、集熱溫差上限、蓄熱啟動溫度與蓄熱停止溫度交互作用、集熱流量。以顯著性為0.01為指標，其中重要的影響因素為前5項。

3.2 影響規律

為研究影響因素對研究目標的影響規律，對11因素5水平共50個模擬方案在3種不同系統累計供熱供冷量比(以下簡稱為“供熱供冷量比”)下進行正交模擬試驗，運行周期為10年。供熱供冷量比為運行周期內系統累計供熱量與累計供冷量的比值。當建筑地理位置、圍護結構性能、建筑使用情況等確定時，建筑負荷與室內溫濕度設定有關，不同供熱供冷量比的冬季室內設定溫濕度不同，均滿足規范要求[31]。

3.2.1 影響因素水平的選取

熱泵供水溫度冬季在40～60 ℃之間選取5個水平，夏季在5～13 ℃之間選取5個水平。熱泵蒸發器和冷凝器兩側對最小流量有一定要求，地埋管雙U形換熱器內介質流速不小于0.4 m/s，最低流速不低于0.2 m/s[32]。按照實驗測試中能達到最大流量與熱泵要求最小流量間均勻取5個水平。集熱流量與蓄熱流量在最小流量和系統達到最大流量間均勻選取5個水平。

集熱啟動溫差上限和蓄熱啟動溫度根據實際系統運行情況參考文獻[33]選取；集熱溫差下限參考文獻[34]選取。

對于該系統而言，系統全年分為4個時段，分別為冬季供熱期、供熱后過渡季、夏季供冷期、供冷后過渡季。蓄集熱運行時間段考慮5個水平，分別為：①供冷后過渡季運行、②所有過渡季運行、③供冷后過渡季和冬季運行、④冬季和所有過渡季運行、⑤全年運行。各影響因素水平如表5所示。

表5 各影響因素水平Tab. 5 Level of each influencing factors

3.2.2 正交結果

圖8所示為不同供熱供冷量比系統運行能耗隨各重要影響因素的變化。由圖8可知，負荷側水流量和熱泵冬季供水溫度對系統運行能耗影響較大，系統運行能耗隨著熱泵冬季供水溫度的升高而增大，隨著熱泵夏季供水溫度的升高而降低，這是由于熱泵冬季供水溫度增大，提高了熱泵冷凝器側的平均溫度，熱泵機組的功耗增加，系統運行能耗隨之增加；熱泵夏季供水溫度降低，減小了熱泵蒸發器側的平均溫度，熱泵機組的功耗增加，系統運行能耗亦增加。系統運行能耗與負荷側水流量、土壤側水流量成正比。負荷側水流量/土壤側水流量越大，水泵功耗越高，系統能耗也隨著增加。

圖8 不同供熱供冷量比系統運行能耗隨各重要影響因素的變化Fig. 8 Variation of system operation energy consumption with various important influencing factors under different load ratios

在一定范圍內減小蓄熱啟動溫度，可以提高集熱效率，增加集熱量和蓄熱量，增加了太陽能系統蓄集熱運行時間，同時影響土壤溫度場，間接影響到土壤源熱泵系統運行能耗，從而影響系統運行能耗。

圖9所示為不同供熱供冷量比系統運行能耗隨不同蓄熱啟動溫度的變化。由圖9可知，當供熱供冷量比為1.31時，系統運行能耗隨著蓄熱啟動溫度的升高而降低；而當供熱供冷量比為2.32時，系統運行能耗隨著蓄熱啟動溫度的升高而升高；當供熱供冷量比為1.77時，蓄熱啟動溫度為35 ℃時，系統運行能耗最低。通過分析模擬結果可知，在不同供熱供冷量比下，太陽能系統能耗均隨著蓄熱啟動溫度的升高而降低，而土壤源熱泵系統能耗均隨蓄熱啟動溫度的升高而升高。系統運行能耗影響為兩者綜合影響。所以不同的供熱供冷量比對系統運行能耗的影響規律不同。

圖9 不同供熱供冷量比系統運行能耗隨不同蓄熱啟動溫度的變化Fig. 9 Variation of system operation energy consumption with different start-up temperature of heat storage under different load ratio

太陽能系統不同時間段運行對土壤源熱泵系統有不同的影響，只在供冷季后過渡季運行，對后續系統供熱有正向影響，只在供熱后過渡季運行，對后續供冷有負面影響，在全年運行，對供熱有正向影響，對供冷有負面影響。對于不同的供熱供冷量比，系統周期運行結束后土壤溫度變化不同，太陽能系統不同時間段運行對系統運行能耗影響也不同。

圖10所示為不同供熱供冷量比系統運行能耗隨不同蓄集熱運行時間段的變化，當供熱供冷量比為1.31時，供冷后過渡季蓄集熱為最優蓄集熱運行時間段；當供熱供冷量比為1.77時，供冷后過渡季和冬季蓄集熱為最優蓄集熱運行時間段；當供熱供冷量比為2.32時，全年蓄集熱為最優蓄集熱運行時間段。

圖10 不同供熱供冷量比系統運行能耗隨不同蓄集熱運行時間段的變化Fig. 10 Variation of operating energy consumption of systems with different load ratios with different heat storage and collection operation periods

通過分析模擬結果可知，不同供熱供冷量比下，太陽能系統能耗均隨蓄集熱運行時間段的增加而增加，土壤源熱泵系統能耗均隨蓄集熱運行時間段的增加而減小，系統運行能耗影響為兩者綜合影響，可以看出隨著供熱供冷量比增大，太陽能最優運行時間逐漸增長。

圖11所示為不同供熱供冷量比系統土壤溫度變化率隨各重要影響因素的變化，由圖11可知，對土壤溫度變化率影響較大的因素為熱泵供水溫度、蓄熱啟動溫度、蓄集熱運行時間段。

圖11 不同供熱供冷量比系統土壤溫度變化率隨各重要影響因素的變化Fig. 11 Variation of soil temperature change rate with various important influencing factors under different load ratios

土壤溫度變化率隨著熱泵冬季供水溫度的增大而增大，隨著熱泵夏季供水溫度的減小而增大。

當周期運行后土壤溫度下降時，土壤溫度變化率小于零；當周期運行后土壤溫度上升時，土壤溫度變化率大于零。熱泵冬季供水溫度的上升使熱泵機組的性能減弱，功耗增大，當提供給用戶的熱量一定時，從土壤中取的熱量減少，土壤溫度變化率增大。熱泵夏季供水溫度的下降使得熱泵機組的性能減小，功耗增大，當提供給用戶的熱量一定時，向土壤中放的熱量增大，使土壤溫度變化率增大。

當長期運行土壤溫度下降時，減小蓄熱啟動溫度有利于土壤平衡；當長期運行土壤溫度上升時，增大蓄熱啟動溫度有利于土壤平衡，因此蓄熱啟動溫度的降低有利于提高土壤溫度，若供熱供冷量比越接近1，太陽能系統的作用越小，反而會使土壤溫度上升。

當供熱供冷量比為1.31時，針對土壤溫度變化率，太陽能蓄熱系統最優運行時間為供冷后過渡季蓄集熱運行，而當供熱供冷量比為2.32和1.77時，太陽能蓄熱系統最優運行時間為全年蓄集熱運行。太陽能系統的運行對土壤溫度恢復有一定的作用。對于不同的供熱供冷量比，太陽能系統應有不同的運行時間。

4 結論

1)太陽能系統地埋管與土壤源熱泵系統地埋管運行相互獨立，在蓄熱井處存在局部熱影響，對于該獨立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統，通過簡化埋管連接與土壤熱平衡計算建立埋管區域模型，并以現場測試數據驗證模型準確性，此模型可用于模擬太陽能系統對地埋管土壤區域長期熱影響。

2)以大連市某公共建筑為例，通過正交試驗設計和TRNSYS模擬對系統運行參數進行了全面研究，結果表明，對系統運行能耗具有重要影響的因素為負荷側水流量、熱泵冬季供水溫度、土壤側水流量、熱泵夏季供水溫度、蓄熱啟動溫度、蓄集熱運行時間段；對土壤溫度變化率具有重要影響的因素為熱泵冬季供水溫度、蓄熱啟動溫度、熱泵夏季供水溫度、蓄集熱運行時間段、土壤側水流量。

3)通過理論與模擬分析具有重要影響的運行參數對系統運行能耗和土壤溫度變化率的影響。結果表明，系統運行能耗與冬季熱泵供水溫度、負荷側與土壤側水流量均呈正相關，與夏季熱泵供水溫度呈負相關；土壤溫度變化率與冬季熱泵供水溫度呈正相關，與夏季熱泵供水溫度呈負相關。降低系統運行能耗最重要的是要在保證房間熱舒適及用戶需求的情況下，盡可能減小冬季熱泵供水溫度，增大夏季熱泵供水溫度，降低負荷側水流量與土壤側水流量；當周期運行土壤溫度下降時，為減小土壤溫度波動，應增加冬季熱泵供水溫度，降低夏季熱泵供水溫度。當累計供熱供冷量比為1.31時，系統運行能耗與蓄熱啟動溫度呈負相關；當累計供熱供冷量比為2.32時，系統運行能耗與蓄熱啟動溫度為正相關；而當累計供熱供冷量比為1.77時，蓄熱啟動溫度為35 ℃時系統運行能耗最低。土壤溫度變化率與蓄熱啟動溫度呈負相關。對于不同的累計供熱供冷量比，太陽能系統應有不同的運行方式。太陽能蓄集熱系統最優運行時間和蓄熱啟動溫度均與系統累計供熱供冷量比有關。