金 滿,徐洪濤,張劍飛,饒江偉

（1.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093；2.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)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(huán)境污染問題得到了人們越來越多的關(guān)注。其中，建筑能耗約占國內(nèi)能源消耗總量的三分之一[1]。因此，將可再生能源應(yīng)用于建筑領(lǐng)域逐漸成為節(jié)能研究的重點[2]。目前，在建筑領(lǐng)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(jié)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(jìn)行制冷或供暖，具有節(jié)能環(huán)保、維護費用低、壽命長等優(yōu)點，但地源熱泵長期運行易導(dǎo)致地埋管周圍土壤冷熱失衡、系統(tǒng)換熱效率降低等問題。因此，太陽能和地源熱泵的聯(lián)合應(yīng)用技術(shù)既能夠充分發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢，又能彌補各自系統(tǒng)的不足，進(jìn)而成為學(xué)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(tǒng)的運行模式進(jìn)行了試驗研究，研究表明，若該系統(tǒng)在供暖初期承擔(dān)整個節(jié)能樓的熱負(fù)荷，既不會降低機組的性能系數(shù)，還能夠有效避免系統(tǒng)經(jīng)過長期運行存在的熱失衡現(xiàn)象。崔云翔等[4]對上海地區(qū)不同的太陽能?地源熱泵聯(lián)合運行模式進(jìn)行了試驗研究，研究表明，在并聯(lián)運行模式下，蒸發(fā)器出口流體進(jìn)入蓄熱水箱和地埋管的比例相同時，系統(tǒng)的運行模式為上海地區(qū)運行的最佳模式。劉逸等[7]利用經(jīng)濟評價方法，通過與地源熱泵、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t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(tǒng)仿真方面，瞬時系統(tǒng)模擬程序TRNSYS[8]由于其模塊化的分析方式，被廣泛應(yīng)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(tǒng)的不同組合形式進(jìn)行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)該聯(lián)合系統(tǒng)在夏季利用太陽能提供生活熱水、在冬季給土壤進(jìn)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(lián)合供暖系統(tǒng)進(jìn)行了可行性分析，結(jié)果表明，該聯(lián)合系統(tǒng)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(wǎng)互補供暖系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果表明，該互補供暖系統(tǒng)同地源熱泵與熱網(wǎng)互補供暖系統(tǒng)相比，平均性能系數(shù)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(tǒng)進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明，該系統(tǒng)的熱效率和電效率分別達(dá)到40%和10%以上。

為了驗證TRNSYS軟件模擬結(jié)果的可靠性，諸多學(xué)者將模擬與試驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證。鄒曉銳等[13]以長沙地區(qū)某高校學(xué)生宿舍的復(fù)式熱水系統(tǒng)為研究對象，利用TRNSYS軟件對不同組合下的系統(tǒng)性能進(jìn)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(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，太陽能跨季地下蓄熱技術(shù)能夠使熱泵機組長期穩(wěn)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(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，采用TRNSYS軟件對系統(tǒng)長期運行工況進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，系統(tǒng)實際供熱量模擬結(jié)果與建筑負(fù)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(shù)顯著提高。王恩宇等[15]以天津地區(qū)某高校實驗樓的太陽能?地源熱泵供熱系統(tǒng)為研究對象，利用TRNSYS軟件對該系統(tǒng)的運行策略進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明，基于該實際工程，系統(tǒng)的最優(yōu)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(xué)者對太陽能?地源熱泵系統(tǒng)的組合形式、性能提升等方面進(jìn)行了研究，而針對北方寒冷地區(qū)結(jié)合不同溫控策略的太陽能光伏光熱系統(tǒng)輔助地源熱泵進(jìn)行聯(lián)合供暖的研究較少。因此，本文基于北京市某民用節(jié)能建筑，結(jié)合不同的溫控策略設(shè)計了太陽能光伏光熱輔助地源熱泵（PV/T-GSHP）聯(lián)合供暖系統(tǒng)，利用瞬時系統(tǒng)模擬程序TRNSYS進(jìn)行模擬計算，分析該聯(lián)合供暖系統(tǒng)的節(jié)能潛力及長期運行后的土壤溫度變化，為實際工程應(yīng)用提供參考。

1 研究對象

將設(shè)計的PV/T-GSHP系統(tǒng)擬應(yīng)用于北京市某民用節(jié)能建筑，該建筑主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共有4層，采暖面積約350 m2，采暖時間為2018?11?15—2019?03?15。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[16]并結(jié)合該民用建筑實際需求，確定供暖季室內(nèi)設(shè)計溫度為18℃。建筑圍護結(jié)構(gòu)主要參數(shù)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(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)Tab.2 Heat transfer coefficient of the enclosure structure

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

圖1 節(jié)能建筑供暖季逐時熱負(fù)荷Fig.1 Hourly heat load of the energy-saving building in heating season

2 系統(tǒng)設(shè)計及模擬

2.1 系統(tǒng)原理

PV/T-GSHP系統(tǒng)主要由太陽能光伏光熱系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)組成。其中，太陽能PV/T系統(tǒng)主要由PV/T集熱器、分層水箱和循環(huán)水泵等組成，而地源熱泵系統(tǒng)主要由地埋管、地源熱泵、循環(huán)水泵和熱用戶（民用節(jié)能建筑）等組成。太陽能PV/T系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)之間的熱量交換通過板式換熱器進(jìn)行。PV/T-GSHP系統(tǒng)原理如圖2所示。在太陽能集熱循環(huán)中，分層水箱熱側(cè)出口的循環(huán)介質(zhì)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(chǎn)生的電能則儲存到蓄電池中，作為系統(tǒng)的備用電源。在板式換熱器中，分層水箱冷側(cè)出口溫度較高的循環(huán)介質(zhì)將在板式換熱器中加熱地源熱泵源側(cè)循環(huán)介質(zhì)；在地源熱泵循環(huán)中，熱泵源側(cè)出口循環(huán)介質(zhì)經(jīng)地埋管換熱器和板式換熱器加熱，使得地源熱泵負(fù)荷側(cè)出口的循環(huán)介質(zhì)溫度提高，經(jīng)熱用戶釋放熱量，再回流至地源熱泵。

圖2 PV/T-GSHP聯(lián)合供暖系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of the combined PV/T-GSHP heating system

2.2 系統(tǒng)部件的選擇

2.2.1 PV/T集熱系統(tǒng)的設(shè)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(fù)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(shè)備的熱損失率；Ds為當(dāng)?shù)夭膳谔鞌?shù)；?s為季節(jié)蓄熱系統(tǒng)效率。

經(jīng)計算得到集熱器總面積為40 m2，本系統(tǒng)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(shù)。

經(jīng)計算得到水箱有效容積為1.92～14.4 m3，根據(jù)地理位置和設(shè)計參數(shù)等條件，確定分層水箱容積為3.6 m3。

2.2.2 地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計

研究對象為北京市某民用節(jié)能建筑，根據(jù)地面面積、經(jīng)濟成本等因素確定地埋管換熱器埋管方式為串聯(lián)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(tǒng)的性能系數(shù)；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(huán)介質(zhì)與垂直地埋管換熱器內(nèi)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(dǎo)熱熱阻；Re為地層熱阻；Rap為短暫的連續(xù)脈沖負(fù)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(huán)介質(zhì)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(shù)；Qc,max為太陽能集熱器最大集熱量；Cε為換熱器結(jié)垢影響系數(shù)；Khe為換熱器傳熱系數(shù)；△Th為傳熱溫差。

經(jīng)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(shù)包括：氣象條件、土壤物性參數(shù)及管材的導(dǎo)熱系數(shù)等，經(jīng)過相關(guān)部件的選型計算，具體參數(shù)如表3所示。

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

2.3 系統(tǒng)的溫控策略

為了發(fā)揮PV/T-GSHP系統(tǒng)的節(jié)能潛力，提高太陽能利用率，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)和系統(tǒng)設(shè)備性能指標(biāo)，制定了相應(yīng)的溫控策略，對PV/T-GSHP系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合控制。

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

地源熱泵制熱循環(huán)運行控制邏輯如下：當(dāng)節(jié)能建筑功能區(qū)溫度達(dá)到設(shè)計溫度18℃時，水泵P3，P4停止工作；若不滿足設(shè)計溫度，則水泵P3，P4同時開啟。

整個系統(tǒng)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(tǒng)運行模式Tab.4 Operation mode of the PV/T-GSHP system

3 結(jié)果分析

3.1 分層水箱進(jìn)出口溫差

圖5為系統(tǒng)在Mode 3模式下運行的分層水箱熱側(cè)進(jìn)出口和冷側(cè)進(jìn)出口溫差變化曲線。從圖5可知，熱側(cè)進(jìn)出口溫差的變化趨勢與冷側(cè)進(jìn)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?qū)崃考皶r傳遞到板式換熱器中。從圖5可知，分層水箱熱側(cè)和冷側(cè)平均溫差分別為7.6℃和4.5℃。這是由于在太陽能集熱循環(huán)中，循環(huán)介質(zhì)通過PV/T集熱器吸收的熱量在分層水箱進(jìn)行放熱，致使分層水箱熱側(cè)進(jìn)出口溫差大。同時，由于系統(tǒng)在板式換熱器中的循環(huán)介質(zhì)先通過地埋管預(yù)熱，使熱泵源側(cè)循環(huán)介質(zhì)溫度提高，與分層水箱冷側(cè)的循環(huán)介質(zhì)溫差減小，換熱能力下降，導(dǎo)致分層水箱冷側(cè)進(jìn)出口溫差減小。

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

3.2 光伏板發(fā)電量與溫度

系統(tǒng)在Mode 3模式運行下的光伏板發(fā)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(fā)電量為4.8 kW。在2019?01?09光伏板發(fā)電量最小為0.2 kW，主要原因是當(dāng)日太陽輻射強度較低。而在2019?03?12，系統(tǒng)的光伏板溫度最高，光伏板溫度過高將導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率降低，所以，當(dāng)日的光伏板發(fā)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(fā)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(nèi)[17]，光電轉(zhuǎn)換效率仍然較高。

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

3.3 光電光熱轉(zhuǎn)換效率

系統(tǒng)在Mode 3模式下運行的光電光熱轉(zhuǎn)換效率如圖7所示。由圖7可知，PV/T系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率平均值為15.0%。在整個供暖季，PV/T-GSHP系統(tǒng)的分層水箱熱側(cè)出口循環(huán)介質(zhì)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(nèi)[20]，所以，PV/T系統(tǒng)仍然具有相對較高的光電轉(zhuǎn)換效率。PV/T系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率平均值為46.6%。在PV/T-GSHP系統(tǒng)中，流入板式換熱器的熱泵源側(cè)循環(huán)介質(zhì)溫度較低，使得PV/T-GSHP系統(tǒng)熱泵源側(cè)循環(huán)介質(zhì)與分層水箱冷側(cè)循環(huán)介質(zhì)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(yīng)地提高了PV/T系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)化效率。

圖7 光電光熱轉(zhuǎn)換效率Fig. 7 Photoelectric and photothermal conversion efficiencies

3.4 系統(tǒng)性能評價

系統(tǒng)的性能系數(shù)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(tǒng)性能的參數(shù)；系統(tǒng)的整體性能系數(shù)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(tǒng)整體性能的參數(shù)。

圖8和圖9分別為系統(tǒng)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(tǒng)的COP平均值僅為4.05，而PV/T-GSHP系統(tǒng)的COP則為4.33，與GSHP系統(tǒng)相比提升了6.9%。從圖9可知，PV/TGSHP系統(tǒng)和GSHP系統(tǒng)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(tǒng)引入太陽能光伏光熱聯(lián)合作用，不僅實現(xiàn)了PV/T系統(tǒng)的熱電輸出，而且流入熱泵源側(cè)的循環(huán)介質(zhì)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(tǒng)具有更優(yōu)越的供熱性能。

圖8 PV/T-GSHP與GSHP系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)果可知，地埋管周圍土壤溫度呈逐年下降趨勢。經(jīng)過10 a運行，PV/TGSHP系統(tǒng)土壤溫度為13.1℃，整體降低8.0%，而GSHP系統(tǒng)土壤溫度為11.0℃，降低幅度為22.3%。PV/T-GSHP系統(tǒng)的土壤下降速度遠(yuǎn)低于GSHP系統(tǒng)，其原因在于PV/T-GSHP系統(tǒng)中太陽能的輸入使得熱泵源側(cè)的循環(huán)介質(zhì)減小了與土壤的換熱量。

圖10 PV/T-GSHP與GSHP系統(tǒng)10 a內(nèi)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(jié) 論

針對北京市某民用節(jié)能建筑設(shè)計了一套太陽能光伏光熱輔助地源熱泵（PV/T-GSHP）聯(lián)合供暖系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)的整體供熱性能，作者結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)和設(shè)備性能指標(biāo)對系統(tǒng)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(tǒng)和GSHP系統(tǒng)在供暖季運行進(jìn)行了模擬分析。整個供暖季，PV/T系統(tǒng)的光電和光熱平均轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到15.0%，46.6%，PV/T-GSHP系統(tǒng)的COP和COPS相比GSHP系統(tǒng)分別提升了6.9%和10.3%。PV/T-GSHP系統(tǒng)的土壤溫度降幅遠(yuǎn)小于GSHP系統(tǒng)。