金 光，張宏葛，郭少朋,2，郝 楠

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2. 天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實驗室，天津 300072)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，綠色能源要求逐步增高.地源熱泵(GSHP)是一種高效的新能源，在我國京津冀地區(qū)已投入使用.因內(nèi)蒙古地區(qū)氣溫變化明顯，地源熱泵系統(tǒng)的性能并未得到顯著優(yōu)化，因此并未投入使用.我國西北地區(qū)約占全國面積30%，年日照時數(shù)可達(dá)2 500 h，年輻射總量約達(dá)5 800 MJ/m2[1]，太陽能資源極其豐富.因此，在嚴(yán)寒地區(qū)對太陽能-地源熱泵系統(tǒng)(SGSHP)的性能進(jìn)行優(yōu)化研究具有重要意義.

Emmi. G.等人[2]利用TRNSYS軟件針對GSHP系統(tǒng)加入太陽能輔助系統(tǒng)進(jìn)行了六個寒冷地區(qū)的模擬研究，分析了鉆孔長度對熱泵能效的影響，并確定了合適的控制策略來管理太陽能集熱器和埋管換熱器.Razavi S H等人[3]針對伊朗一座住宅建筑利用TRNSYS軟件模擬了五種不同的太陽能輔助GSHP系統(tǒng)的組合，結(jié)果表明，考慮到生活熱水的情況時，單一地源熱泵不能提供生活熱水所需的熱量.在低平均氣溫地區(qū)，適合集熱器輔助GSHP系統(tǒng)以增強(qiáng)地埋管流體溫度的模式.E Parham等人[4]又對SGSHPS系統(tǒng)進(jìn)行了實驗研究，通過交替使用太陽能輔助熱泵和單一地源熱泵模式，證明在該地區(qū)由SGHPS加熱是可行的.我國的楊衛(wèi)波等人通過對SGSHP在不同雙熱源耦合模式下的熱性能進(jìn)行實驗與模擬研究，測試了太陽能集熱器效率和地埋管進(jìn)出口溫度分別對系統(tǒng)COP的影響，并以青島地區(qū)作為模擬實驗地點(diǎn)，對SGSHP的交替運(yùn)行進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，實驗結(jié)果表明，節(jié)能效果顯著并且運(yùn)行性能更好[5-6].李新國[7]等人對天津地區(qū)的太陽能、蓄熱與地源熱泵組合系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究，對太陽能向地下的跨季節(jié)儲熱量進(jìn)行了分析.季永明[8]等人對大連地區(qū)定時蓄熱與隨時蓄熱兩種模式下的系統(tǒng)熱利用率進(jìn)行分析，確定了兩種模式下最佳集熱器面積參數(shù).

國內(nèi)外大部分學(xué)者利用TRNSYS對當(dāng)?shù)氐貐^(qū)SGSHP系統(tǒng)進(jìn)行了研究，由于系統(tǒng)無普遍適用性，不同地區(qū)的性能參數(shù)分配比例以及運(yùn)行方式不同，針對太陽能-地源熱泵系統(tǒng)在不同氣候地區(qū)適應(yīng)性的研究目前顯得尤為重要.但在我國嚴(yán)寒地區(qū)并未形成復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計方法，實際工程中系統(tǒng)的性能及運(yùn)行策略仍需進(jìn)一步驗證.因此，以包頭市為例，對太陽能-地源熱泵系統(tǒng)的補(bǔ)熱模式和輔助模式進(jìn)行研究，并基于仿真模型對太陽能集熱器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，得到最佳的系統(tǒng)運(yùn)行模式，為實際工程予以參考.

1 模型建立

1.1 建筑模型

建筑物以包頭市民用住宅為選取模型，面積為6 451.94 m2.包頭市位于北緯40°38′，東經(jīng)109°59′，海拔為1 067 m，日照輻射小時數(shù)可達(dá)2 200 h[8].包頭市全年太陽輻射量如圖1所示.因包頭市屬于嚴(yán)寒地區(qū)，夏季供冷時間短，因此不考慮供冷需求，冬季供暖時間為10月15日到次年4月15日[9].通過DeST建立模型，得到建筑物全年熱負(fù)荷.其中，全年最大熱負(fù)荷為179.51 kW，總負(fù)荷為216.23 kW，指標(biāo)為38.99 W/m2.負(fù)荷模擬結(jié)果如圖2所示.

圖1 包頭市太陽能輻射量圖Fig.1 Solar radiation in Baotou

圖2 負(fù)荷模擬結(jié)果Fig.2 Result of load simulation

1.2 參數(shù)選取

1.2.1 熱泵機(jī)組的選型

該模型的熱泵機(jī)組采用的是滿液式水源熱泵螺桿機(jī)組.制熱名義工況為：地埋管的進(jìn)水溫度為15 ℃，熱水的進(jìn)水溫度為40 ℃；制熱工況的最高熱水溫度為55 ℃.

1.2.2 地埋管參數(shù)

地埋管是地源熱泵系統(tǒng)的重要組成部分，其設(shè)計是總體系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容.故此部分的數(shù)據(jù)計算對后期的參數(shù)設(shè)置至關(guān)重要.具體計算公式如下：

(1)確定地埋管吸熱量[10]

(1)

式中，Q為冬季地埋管從土壤中的吸熱量，kW；

Q1為設(shè)計總熱負(fù)荷，kW；COP為設(shè)計工況下熱泵機(jī)組的制熱性能參數(shù).

(2)確定地埋管長度

地埋管換熱器的長度與地質(zhì)、地溫及進(jìn)入熱泵機(jī)組的水溫等參數(shù)有關(guān).本研究前期未進(jìn)行土壤熱響應(yīng)實驗，故每延米換熱量確定為45W/m[10].地埋管換熱器的長度的計算公式如下：

L=1 000nQ/q

(2)

式中，L為冬季工況下所需埋管長度，m；q為單位埋深吸熱量，W/m；n為地埋管長度修正系數(shù)，單U為2，雙U為4.

(3)確定鉆孔數(shù)量及井間距

(3)

式中，N為鉆孔數(shù)量；H為鉆孔深度，m.

根據(jù)參考設(shè)計規(guī)范[11]，運(yùn)用半經(jīng)驗公式法，基于傅里葉導(dǎo)熱定律，Kelvin線熱源理論為基礎(chǔ)得到井間距，具體公式如下：

(4)

表1 仿真中主要部件參數(shù)

2 系統(tǒng)模式

2.1 太陽能-地源熱泵系統(tǒng)補(bǔ)熱模式

此模式在夏季6月為地埋管蓄熱，采用集熱器與地埋管串聯(lián)的模式.因內(nèi)蒙古地區(qū)氣候變化明顯，夏季太陽能總輻射量輻射高達(dá)6 490 MJ/m2，選擇在6月份進(jìn)行蓄熱.冬季單獨(dú)利用地埋管系統(tǒng)為用戶供暖，夏季利用太陽能系統(tǒng)向土壤中補(bǔ)熱，補(bǔ)熱時間為6月份每日9～17時.系統(tǒng)圖如圖3所示.

圖3 SGSHP系統(tǒng)補(bǔ)熱模式Fig.3 SGSHP system heating mode

2.2 太陽能-地源熱泵系統(tǒng)輔助模式

此模式在供暖期間進(jìn)行蓄熱，系統(tǒng)采用地埋管與集熱器并聯(lián)的模式.兩者的出口流體進(jìn)入熱泵機(jī)組前，在分混水泵中進(jìn)行混合，再通過用戶側(cè)進(jìn)行循環(huán).太陽能系統(tǒng)輔助時間為供暖期每日10～16時，系統(tǒng)圖如圖4所示.

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 不同集熱器面積下土壤溫度的變化特性

通過對土壤溫度變化的情況進(jìn)行分析，比較補(bǔ)熱與輔助兩種模式.系統(tǒng)的模擬結(jié)果分別如圖5、6所示.以集熱器面積作為變換量，分析土壤的熱失衡情況.因建筑物為6 451.94 m2，考慮到集熱器之距離，集熱器最大面積取為250 m2，取集熱器面積分別為100、150、200、250 m2，對該建筑物進(jìn)行5年時間的模擬，分析土壤溫度的變化趨勢.

補(bǔ)熱模式下，土壤溫度隨時間的變化情況如圖5所示.從圖中可以看出，在集熱器面積不同的情況下，每年1～5月土壤溫度呈下降趨勢，6～12月土壤溫度回升，但波動幅度較大，并且整體呈現(xiàn)下降的趨勢.集熱器面積為100、250 m2時，土壤進(jìn)行補(bǔ)熱后的回升溫度分別為0.33、0.67 ℃，在一個完整的供暖期后，土壤平均溫降為0.81、0.84 ℃，由于在補(bǔ)熱模式下建筑物所需熱量均由土壤提供，故土壤溫降基本相同.

圖4 SGSHP系統(tǒng)輔助模式Fig.4 SGSHP system assist mode

圖5 補(bǔ)熱模式下不同集熱器面積的土壤溫度Fig.5 Soil temperature of different collector areasin in the heat supplement mode

在輔助模式下，土壤溫度隨時間的變化情況如圖6所示.從圖中可以看出與補(bǔ)熱模式土壤的溫度變化趨勢大體一致，土壤溫度隨運(yùn)行時間整體呈下降趨勢，輔助模式較補(bǔ)熱模式土壤溫度變化更為平緩.當(dāng)集熱器面積為100、200、250 m2時，在一個完整的供暖期后，土壤溫降的平均值分別為0.59、0.30、0.25 ℃.集熱器面積為100 m2時土壤溫降變化最大，集熱器面積為250 m2時土壤溫降趨于穩(wěn)定，集熱器面積為200 m2與集熱器面積為250 m2相比，土壤溫降相差不明顯.

圖6 輔助模式下不同集熱器面積的土壤溫度Fig.6 Soil temperature of different collector areas in auxiliary mode

3.2 不同模式下集熱器傾角參數(shù)的確定

集熱器傾角是影響熱量的關(guān)鍵因素之一[12]，因此通過確定集熱器最佳傾角，分析補(bǔ)熱模式與輔助模式下土壤溫度的變化情況 .太陽能集熱器傾角分別為0～55°時，集熱器單位面積得熱量隨月份的變化如圖7所示.從圖中可以看出，在5～7月，集熱器角度越小，得熱量越大.其中，當(dāng)傾角為0 °、30 °、40 °時，得熱量呈正態(tài)分布，分別為0.72、0.71、0.67 GJ/m2.在供暖期間內(nèi)，集熱器傾角為50°、55°時，得熱量最大，其平均值分別 約為0.57、0.56 GJ/m2.因此，在補(bǔ)熱模式下，集熱器傾角取0 °；輔助模式下，集熱器傾角取50 °.

圖7 集熱器角度隨時間變化的得熱量Fig.7 Heat gain of the collector angle with time

3.3 最優(yōu)集熱器參數(shù)下土壤溫度的變化特性

隨著集熱器的面積增大，兩種模式下土壤溫降平均值均減小.因此，在集熱器參數(shù)優(yōu)化的兩種模式條件下，集熱器面積取250 m2時，補(bǔ)熱模式與輔助模式下土壤溫度隨時間的變化關(guān)系如圖8所示.可以看出補(bǔ)熱模式下，土壤年平均溫降0.80 ℃；輔助模式下，土壤年平均溫降為0.32 ℃.補(bǔ)熱模式下土壤溫度變化幅度顯著，因此輔助模式較補(bǔ)熱模式土壤溫度變化更為穩(wěn)定.

圖8 集熱器參數(shù)優(yōu)化下不同模式土壤溫度Fig.8 Different model soil temperature under the optimization of collector parameters

3.4 熱泵制熱量與系統(tǒng)耗電量分析

集熱器面積為250 m2時，補(bǔ)熱模式及輔助模式下全年逐月熱泵機(jī)組制熱量的對比如圖9所示.從圖中可以看出，滿足建筑物所需供暖量時的全年逐月對比中，補(bǔ)熱模式的制熱量均高于輔助模式的制熱量.補(bǔ)熱模式下熱泵的全年制熱量為236.44 MW·h，輔助模式下全年制熱量為158.36 MW·h.

圖9 不同模式下熱泵制熱量對比Fig.9 Heat pump heat comparison in different modes

集熱器面積為250 m2時，補(bǔ)熱模式及輔助模式下全年總耗電量的對比如圖10所示.其中，總耗電量包括熱泵機(jī)組耗電量和各循環(huán)泵的耗電量.從圖中可以看出，1、6、12月補(bǔ)熱模式耗電量多于輔助模式耗電量，補(bǔ)熱模式在1月份耗電量達(dá)到20 kW·h.2、3、4、10、11月輔助模式多于補(bǔ)熱模式的耗電量.補(bǔ)熱模式需在6月向地埋管補(bǔ)熱，輔助模式下在供暖期間增加太陽能，因此,耗電量也增加，補(bǔ)熱模式下全年總耗熱量為86.46 MW·h，輔助模式下全年總耗熱量為83.02 MW·h.輔助模式下年耗電量相比補(bǔ)熱模式下年耗電量降低4.26 %.

圖10 不同模式下全年耗電量對比Fig.10 Comparison of annual power consumption in different modes

通過對SGSHP系統(tǒng)進(jìn)行5年時間模擬，得到補(bǔ)熱模式與輔助模式下的平均COP值如圖11所示.從圖中可以看出，補(bǔ)熱模式與輔助模式下的年平均COP值的變化均趨于穩(wěn)定，說明土壤熱失衡現(xiàn)象得到改善.補(bǔ)熱模式下COP平均值為3.86，輔助模式下COP平均值為4.82，輔助模式下的COP值較補(bǔ)熱模式下提高了24.9 %.

圖11 不同系統(tǒng)模式下年平均COP值Fig.11 Annual averageCOP value in different system modes

4 結(jié)論

模擬了包頭地區(qū)住宅建筑太陽能-地源熱泵系統(tǒng)的兩種模式，補(bǔ)熱模式和輔助模式.分析了土壤溫度的變化情況、不同模式下熱泵機(jī)組的制熱量和系統(tǒng)的耗電量，以及在我國嚴(yán)寒地區(qū)集熱器的傾斜角度最優(yōu)模式下的系統(tǒng)性能.結(jié)論如下：

(1)集熱器參數(shù)優(yōu)化的條件下，即選取集熱器面積250 m2時，補(bǔ)熱模式下集熱器角度為0°，輔助模式下集熱器角度為50°，補(bǔ)熱模式下土壤年平均溫降為0.80 ℃，輔助模式下土壤年平均溫降為0.32 ℃.補(bǔ)熱模式下土壤溫降為輔助模式下土壤溫降的1.5倍.補(bǔ)熱模式雖然在夏季太陽能資源豐富，但相對輔助模式而言，土壤恢復(fù)能力更弱.

(2)隨著集熱器面積的增大，兩種模式下土壤溫度均減小.補(bǔ)熱模式下土壤溫度變化幅度明顯，輔助模式下土壤溫度變化相對平緩，輔助模式可有效的改善土壤熱的堆積現(xiàn)象.與最優(yōu)集熱器面積相比，選擇較小的集熱器面積對于土壤溫度的變化影響不大.

(3)輔助模式與補(bǔ)熱模式下SGSHP系統(tǒng)的機(jī)組COP平均值分別為4.82、3.86，輔助模式下COP值較補(bǔ)熱模式下COP值提高了24.9 %.輔助模式相比補(bǔ)熱模式下熱泵機(jī)組的年制熱量降低了49.3 %，年耗電量降低4.26 %.在相同制熱量的情況下，輔助模式與補(bǔ)熱模式相比，可選擇型號較小的熱泵機(jī)組，從而減少電能的消耗和初投資.輔助模式在土壤熱失衡與系統(tǒng)性能方面，均較補(bǔ)熱模式下更為優(yōu)化.