嚴(yán)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(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150028）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)于建筑內(nèi)環(huán)境舒適性的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)這一現(xiàn)狀，有學(xué)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(yīng)用在供暖需求大、土壤平均溫度偏低的嚴(yán)寒地區(qū)將導(dǎo)致嚴(yán)重的依靠土壤自身無法恢復(fù)的熱失衡問題［2］，從而系統(tǒng)無法長期高效運(yùn)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(xué)者的研究熱點(diǎn)［4-5］。

近年來，相關(guān)學(xué)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(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)運(yùn)行成本較低［6］，但初投資較大［7］，而太陽能集熱器是導(dǎo)致系統(tǒng)初投資較大的主要因素［8］。同時(shí)，部分學(xué)者對(duì)系統(tǒng)運(yùn)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(jī)組COP最高分別可達(dá)6.2，4.6。但由于該耦合系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)的實(shí)際工程案例較少，加之試驗(yàn)成本較高，故通過試驗(yàn)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(yán)寒地區(qū)推廣應(yīng)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(duì)象，自行搭建熱泵試驗(yàn)臺(tái)，采用TRNSYS軟件按照試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)搭建系統(tǒng)模型，利用實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型可靠性，并以土壤熱失衡率不超過1%為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定相對(duì)最優(yōu)集熱器面積，進(jìn)而得出適用于本文研究對(duì)象的集熱器面積與換熱器長度的關(guān)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(yàn)臺(tái)

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(duì)象，建筑面積為462 m2，全年最大冷熱負(fù)荷按面積熱指標(biāo)法進(jìn)行計(jì)算［11］，經(jīng)計(jì)算得知最大熱負(fù)荷為34.65 kW，總熱負(fù)荷為2 032.36 kW。最大冷負(fù)荷為28.72 kW，總冷負(fù)荷為949.47 kW。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理

依據(jù)最大熱負(fù)荷選取熱泵型號(hào)，選用一臺(tái)LFKT-30S熱泵機(jī)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(yīng)試驗(yàn)測得試驗(yàn)地點(diǎn)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(yàn)裝置原理如圖2所示，隨后確定出滿足建筑冷熱負(fù)荷需求的埋管長度為1 200 m，共布置12個(gè)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(jié)合文獻(xiàn)［13］計(jì)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(yīng)試驗(yàn)裝置原理

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測

試驗(yàn)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(cè)供水進(jìn)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(jī)組及循環(huán)水泵處。各測量儀器安置好后，分多次前往試驗(yàn)地點(diǎn)采集所需數(shù)據(jù)，并剔除試驗(yàn)壞值。

2 試驗(yàn)方案

本文中，熱源側(cè)采用太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)，負(fù)荷側(cè)采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)。在8：00～18:00期間若熱水不滿足用戶需求時(shí)開啟輔助加熱設(shè)備加熱生活熱水水箱。土壤源熱泵系統(tǒng)開啟時(shí)間為7：00～18:00，負(fù)荷側(cè)系統(tǒng)開啟時(shí)間為8：00～18:00。本文提出在供冷間歇運(yùn)行及過渡季時(shí)加入太陽能對(duì)土壤蓄熱模式，以期太陽能利用率最大化。熱源側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行模式按季度進(jìn)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(yùn)行方案見表1。

3 系統(tǒng)仿真模塊選取與驗(yàn)證

本文以瞬態(tài)系統(tǒng)仿軟件TRNSYS作為模擬平臺(tái)，該軟件具有模塊化、形象化的獨(dú)特特點(diǎn)。依據(jù)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)搭建太陽能輔助土壤源熱泵供暖系統(tǒng)，按照試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)以及試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)設(shè)置各模塊參數(shù)，隨后對(duì)所選部件設(shè)置相應(yīng)的控制信號(hào)，進(jìn)而完成系統(tǒng)模擬。由于該軟件涉及到的各部件數(shù)學(xué)模型現(xiàn)已成熟，文中只對(duì)各模塊進(jìn)行簡要概述。

3.1 模型假設(shè)

因系統(tǒng)各部件之間的能量輸運(yùn)過程較復(fù)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(shí)又具有可靠性，故做如下幾點(diǎn)假設(shè)：（1）試驗(yàn)地點(diǎn)巖土質(zhì)地均勻，且無地下水流動(dòng)；（2）假設(shè)巖土溫度場對(duì)稱分布；（3）忽略集熱器表面污漬對(duì)集熱效率的影響；（4）系統(tǒng)整體運(yùn)行是造成的部件損耗忽略不計(jì)。

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(hào)為Type71，該模塊在二次效率曲線和雙軸入射角修正值（IAM）基礎(chǔ)上建立。使用Hottel-Whillier模型［14］來評(píng)估模擬步長內(nèi)的熱力學(xué)特性，其數(shù)學(xué)模型與文獻(xiàn)［15］一致。

3.3 熱泵機(jī)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(yùn)行時(shí)加入太陽能蓄熱水箱對(duì)土壤蓄熱模式，故需針對(duì)熱泵機(jī)組全年制冷、制熱運(yùn)行工況進(jìn)行分析。熱泵機(jī)組COP數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中 COP——熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)；

Cap——熱泵機(jī)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(hào)為Type557a，埋管內(nèi)流體進(jìn)行對(duì)流換熱，埋管與土壤之間為純導(dǎo)熱，認(rèn)為埋管是關(guān)于中心對(duì)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(nèi)流體流動(dòng)溫度。其數(shù)學(xué)模型與文獻(xiàn)［16］一致。

3.5 模型驗(yàn)證

眾所周知，嚴(yán)寒地區(qū)建筑全年所需總熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于總冷負(fù)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(fù)荷側(cè)供水溫度及全年逐月集熱器集熱量來驗(yàn)證文中所建模型的準(zhǔn)確性，并繪制如圖3所示的曲線。

圖3 模擬值與試驗(yàn)值比較

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

4 模擬結(jié)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(shí)為起點(diǎn)，對(duì)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(jìn)行為期1a的數(shù)值模擬。計(jì)算得到埋管側(cè)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(shí)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(shè)計(jì)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(dǎo)致與實(shí)際工程中所需最優(yōu)集熱器面積大小產(chǎn)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(shè)計(jì)過程中，是以其完全承擔(dān)建筑最大冷熱負(fù)荷為原則，進(jìn)而系統(tǒng)中太陽能集熱器面積的大小可任意選擇并不會(huì)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(nèi)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(dāng)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(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，則 40.85，38.80，36.90 m2中之一即為此次試驗(yàn)臺(tái)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(duì)應(yīng)下的土壤平均溫度

4.1 確定相對(duì)最優(yōu)集熱器面積

4.1.1 熱泵機(jī)組性能分析

圖5示出3種工況的全年逐月熱泵機(jī)組COP對(duì)比，從圖中可以看出3種工況在冬季時(shí)的熱泵機(jī)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(jié)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(shè)計(jì)選型時(shí)，熱泵機(jī)組是按建筑全年所需最大熱負(fù)荷進(jìn)行選取。供暖初末期建筑所需熱負(fù)荷較少，致使熱泵機(jī)組偏離最佳工況運(yùn)行，且頻繁啟停導(dǎo)致能耗略顯增加。相比而言，在熱負(fù)荷需求較大的12月份及1月份時(shí)，有太陽能的輔助，機(jī)組在最佳工況下運(yùn)行，進(jìn)而熱泵機(jī)組在整個(gè)供暖期呈現(xiàn)先增后減的趨勢。夏季熱泵機(jī)組COP最大值出現(xiàn)在7月份，依次為 6.00，6.12，6.20，整個(gè)供冷季同樣出現(xiàn)先增后減的趨勢，導(dǎo)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(jī)組COP對(duì)比

盡管3種工況在供暖、供冷時(shí)的熱泵機(jī)組COP波動(dòng)幅度基本一致，但在冬夏季時(shí)呈現(xiàn)出不同的性能優(yōu)劣。在供暖季時(shí)，工況一、二的熱泵機(jī)組COP相差不大且優(yōu)于工況三。這是由于在本文設(shè)計(jì)的溫控允許范圍內(nèi)，太陽能集熱器收集的熱量在冬季可進(jìn)一步提升地埋管換熱器出口溫度，進(jìn)而提升機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)口溫度，使得機(jī)組供能性能有所提升。在供冷季時(shí)，3種工況的熱泵機(jī)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(yán)寒地區(qū)夏季日照強(qiáng)度大，太陽能蓄熱效率高，為確保系統(tǒng)連年運(yùn)行引起的嚴(yán)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(yùn)行時(shí)加入太陽能進(jìn)行土壤蓄熱模式。正因如此，太陽能集熱器面積越大，埋管側(cè)土壤溫度越高，導(dǎo)致熱泵機(jī)組冷凝器進(jìn)口溫度升高，影響了機(jī)組供能性能。

4.1.2 系統(tǒng)運(yùn)行10 a土壤溫變特性分析

圖6示出系統(tǒng)運(yùn)行10 a土壤平均溫度逐時(shí)變化情況。從圖中可以看出，太陽能的加入有效緩解了嚴(yán)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(yán)寒地區(qū)長期應(yīng)用的可行性。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行10 a土壤平均溫度逐時(shí)變化

綜合上述分析得出工況二為本文研究對(duì)象的相對(duì)最優(yōu)集熱器面積，其數(shù)值為38.8 m2，這與系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)時(shí)相差10%，此誤差可為今后對(duì)嚴(yán)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(shè)計(jì)時(shí)提供參考。

4.2 地埋管長度與集熱器面積的關(guān)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(guān)系，在4.1節(jié)的基礎(chǔ)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(jìn)行遞減，按照相同的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過多次試算確定相對(duì)最優(yōu)集熱器面積見表3。

表3 地埋管長度與相對(duì)最優(yōu)集熱器面積的關(guān)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(fù)相關(guān)關(guān)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(gè)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(jī)組之間的能量轉(zhuǎn)換裝置，若想保持冬季建筑內(nèi)環(huán)境的舒適性，勢必會(huì)增加單位土壤蓄熱體的取熱量，這將導(dǎo)致埋管側(cè)土壤平均溫度嚴(yán)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(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)系

通過數(shù)值分析軟件對(duì)圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)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(xué)表達(dá)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(jié)論

（1）太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用在以供暖為主的嚴(yán)寒地區(qū)，夏季系統(tǒng)制冷間歇運(yùn)行時(shí)，可以采取適當(dāng)?shù)姆绞嚼锰柲軐?duì)土壤蓄熱，這對(duì)本文提出的小型復(fù)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(duì)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(shè)計(jì)系統(tǒng)中太陽能集熱器面積大小，可適當(dāng)縮減10%。由于該值是在模擬情況下得出，利用該值修正時(shí)，應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)氐耐寥蕾|(zhì)地、日照強(qiáng)度等因素是否與本文研究對(duì)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(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)匚飪r(jià)標(biāo)準(zhǔn)，選取兩者最優(yōu)匹配值，以期減少系統(tǒng)初投資。