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太陽能輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及展望

2022-04-14 03:29劉逸秦羽寧浩然徐瑩劉冰冰陳培強(qiáng)
制冷 2022年1期
關(guān)鍵詞:集熱器源熱泵換熱器

劉逸,秦羽,寧浩然,徐瑩,劉冰冰,陳培強(qiáng)

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱,150028;2.江蘇四季沐歌有限公司,江蘇連云港,222000)

引 言

近年來,環(huán)境污染、全球變暖和能源短缺等問題促使世界各國對(duì)可再生能源的利用越來越重視。在我國,建筑能耗占全國總能耗的比重較大,因此,可再生能源的開發(fā)和利用也被提升到了國家戰(zhàn)略地位[1]。進(jìn)而以土壤為冷熱源的地埋管地源熱泵技術(shù)得到了快速的發(fā)展,但因其在嚴(yán)寒地區(qū)為建筑供暖會(huì)引起嚴(yán)重的土壤熱失衡問題[2],進(jìn)而相關(guān)學(xué)者提出利用太陽能輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)為建筑供能,以期改善采用單一土壤熱源供能的弊端。在相關(guān)學(xué)者的共同努力下,該技術(shù)逐漸成熟,其應(yīng)用已涉及到融化路面積雪[3]以及西瓜的反季節(jié)種植[4]等領(lǐng)域。經(jīng)查閱,J.Chu等人[5]針對(duì)加拿大住宅利用該耦合系統(tǒng)供暖的最佳設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了綜述,發(fā)現(xiàn)不同學(xué)者采用不一致的判優(yōu)指標(biāo),致使比較不同系統(tǒng)供暖的最佳設(shè)計(jì)方案難度加大;Z.Wang等人[6]針對(duì)該耦合系統(tǒng)對(duì)建筑所需生活熱水加熱方面進(jìn)行了綜述;M.Mohanraj等人[7]針對(duì)該耦合系統(tǒng)中制冷劑的選取以及系統(tǒng)的環(huán)境效益進(jìn)行了綜述;S.Poppi等人[8]針對(duì)該耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了綜述并提出減少初投資為未來研究方向之一。

既往研究主要是對(duì)該耦合系統(tǒng)的某一方面進(jìn)行了分析討論,而針對(duì)該耦合系統(tǒng)的綜合性分析較少,這使得現(xiàn)有綜述相對(duì)片面化。鑒于此,本文對(duì)該耦合系統(tǒng)的國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)行了概括總結(jié),分析了系統(tǒng)中主要部件及運(yùn)行方案的相關(guān)優(yōu)化研究,并結(jié)合實(shí)際工程討論其經(jīng)濟(jì)適用性,提出了目前研究的不足之處。本文研究工作將為該耦合系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及未來研究工作提供新思路。

1 耦合系統(tǒng)中部件配置優(yōu)化研究

1.1 集熱器優(yōu)化研究

目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)本文所討論的復(fù)合式熱泵系統(tǒng)中太陽能集熱器的優(yōu)化研究主要集中在真空管式太陽能集熱器,但也有學(xué)者對(duì)平板式、槽式太陽能集熱器做了一定程度的研究。

Wang等人[9]將太陽能輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用到一棟住宅建筑中并對(duì)系統(tǒng)供能過程中的主要參數(shù)進(jìn)行整理分析,提出了水箱容積與集熱器面積的最佳配比。此外,也有學(xué)者提出應(yīng)根據(jù)鉆孔深度選擇集熱器面積[10]。季永明等人[11]對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)法、太陽能保證率法[12]及土壤熱平衡法[13]這幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)分別進(jìn)行了討論并提出了優(yōu)化后的平衡法,其數(shù)學(xué)解析式見式(1)。隨后,在其他工況不變的條件下,利用TRNSYS瞬態(tài)模擬軟件對(duì)利用該方法設(shè)計(jì)的太陽能集熱器面積能否維持系統(tǒng)模擬以年為周期運(yùn)行后的土壤熱平衡。結(jié)果表明:改進(jìn)后的熱平衡法較原方法下設(shè)計(jì)的太陽能集熱器具有更好的蓄熱性能。

式中,Qh— 建筑所需熱負(fù)荷,W;qscw—供暖季集熱器單位面積集熱量,kWh/m2;COP—機(jī)組制熱性能系數(shù);Qc— 建筑所需冷負(fù)荷,W;EER—機(jī)組制冷性能系數(shù);qsct過渡季集熱器單位面積集熱量,kWh/m2;α—太陽能蓄熱比;Qd—年土壤表面凈得熱量。

Vega等人[14]利用數(shù)值模擬軟件對(duì)智利的五層住宅類建筑進(jìn)行熱計(jì)算,隨后模擬了使用真空管式、平板式集熱器的耦合系統(tǒng)供能效果,結(jié)果表明:真空管式集熱器的供熱COP為4.88,平板型集熱器的供熱性能系數(shù)為4.64;真空管式集熱器較平板式集熱器更適合應(yīng)用在太陽能輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)中,這一結(jié)論同樣得到了相關(guān)學(xué)者的認(rèn)可[14]。李瑞等人[16]通過對(duì)北京地區(qū)的住宅案例以土壤年平均溫度偏移率大小為設(shè)計(jì)太陽能集熱器面積方法的判優(yōu)依據(jù),結(jié)合圖1的集熱器面積計(jì)算流程圖,利用模擬軟件反復(fù)調(diào)整集熱器面積的10 %從而確定最優(yōu)集熱器面積。

圖1 集熱器面積計(jì)算流程圖

高文龍[17]等人通過數(shù)值模擬的手段得出可以滿足土壤熱平衡的最小集熱器面積,隨后分析了為滿足土壤熱平衡下的六種集熱器面積的15a運(yùn)行費(fèi)用之和以及耦合系統(tǒng)初投資,并將兩者作為供能的總投資進(jìn)行對(duì)比,從而得出相對(duì)最為合適集熱器面積。最后以同樣的方法擬合出土壤導(dǎo)熱系數(shù)與相對(duì)最佳集熱器面積之間的關(guān)系以及單位建筑面積與集熱器面積的函數(shù)關(guān)系。綜上所述,大部分學(xué)者對(duì)于太陽能集熱器面積優(yōu)化問題均考慮其外在因素,而究其自身因素對(duì)集熱器效率的影響研究較少。但也有少部分學(xué)者提出集熱器自身溫度過高也會(huì)在一定程度上影響其集熱效率,進(jìn)而本文所討論的耦合系統(tǒng)中太陽能集熱器面積優(yōu)化問題仍需解決。

1.2 地埋管換熱器優(yōu)化研究

地埋管作為太陽能輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)的主要換熱裝置,加強(qiáng)其換熱研究的重要性不言而喻。與其相關(guān)的研究大體可分為換熱器外在因素、內(nèi)在因素兩個(gè)部分,國內(nèi)對(duì)于換熱器強(qiáng)化換熱的研究已經(jīng)取得了一定的成果。

1.2.1 基于換熱器外在因素的強(qiáng)化換熱研究

目前,對(duì)于地埋管換熱器的外在換熱影響因素主要包括(目前,影響地埋管換熱器外在換熱的主要因素有):鉆孔內(nèi)回填材料的選取、換熱器內(nèi)部流體參數(shù)的確定以及地下水滲流的影響[18]。學(xué)者們對(duì)地埋管強(qiáng)化換熱研究的手段主要為實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬[19]以及兩者的結(jié)合。湯盼城等人[20]在對(duì)地埋管換熱器的實(shí)測中發(fā)現(xiàn),鉆孔內(nèi)實(shí)際的導(dǎo)熱熱阻與理想的熱阻在數(shù)值上有一定的差距,這將導(dǎo)致供能系統(tǒng)建成前的設(shè)計(jì)計(jì)算存在一定的誤差,影響換熱器的取放熱情況進(jìn)而影響系統(tǒng)整體性能。陳紅兵等人[21]利用方程離散和編程求解得出:地下水滲流速度越大,換熱器換熱效果越好;埋管內(nèi)流體流速增加未必會(huì)提升換熱器的換熱性能。李璐等人[22]以礫砂作為回填材料對(duì)有無滲流工況下的換熱器周圍溫度場變化情況進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明:在無滲流工況下,隨著熱負(fù)荷的增加,溫度場達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越長;咋有滲流工況下,溫度場達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間比無滲流時(shí)用時(shí)減少。劉逸等人[23]對(duì)有無滲流工況下的地下溫度場進(jìn)行了模擬,并得出如圖2的溫度場云圖,從圖中可以直觀看出地下溫度的變化情況。王楠等人[24]利用FLUENT流體仿真軟件對(duì)土壤分層對(duì)換熱器換熱性能的影響,土壤分層模型圖如圖3所示。研究結(jié)果表明:導(dǎo)熱系數(shù)大的土壤位于整體結(jié)構(gòu)的上半部分時(shí),對(duì)換熱器換熱性能起到積極的作用;土壤各層間壁面溫度穩(wěn)定時(shí)間不同;利用土壤分層模型確定地埋管間距,對(duì)土壤層次分明的地區(qū)顯得尤為重要。

圖2 有無滲流工況下土壤溫度場云圖

圖3 土壤分層模型

朱麗等人[25]分析了流體入口溫度為30 ℃、40 ℃、50 ℃時(shí)的換熱器換熱性能以及流體流速為0.1 m/s、0.3 m/s、0.5 m/s時(shí)的埋管側(cè)溫度分布特性。研究結(jié)果表明:入口溫度為40 ℃、50 ℃時(shí),換熱器換熱效果最佳;流速為0.3 m/s、0.5 m/s時(shí),埋管側(cè)溫升幅度較小。也有學(xué)者提出0.4~0.6 m/s為換熱器內(nèi)部流體最佳流速,在這一范圍內(nèi)的流體流速在一定程度上減少了水泵出力進(jìn)而降低了系統(tǒng)能耗,節(jié)約運(yùn)行成本[26]。在導(dǎo)熱系數(shù)大的土壤區(qū)域內(nèi),換熱器內(nèi)流體流速及溫度對(duì)換熱性能的影響更為顯著[27]。楊衛(wèi)波等人[28]分析了相變回填材料對(duì)換熱器換熱性能的影響。采用相變材料回填后,鉆孔側(cè)土壤平均溫度波動(dòng)明顯降低,有效緩解了土壤熱失衡問題。但混合型相變材料的配比對(duì)換熱器換熱性能的影響同樣不可忽視,實(shí)際工程中需參考目標(biāo)建筑的冷熱負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)[29]。此外,王暢等人[30]分析了相變材料的相變溫度對(duì)地埋管換熱性能影響,和普通材料相比,工程中若采用相變溫度為18 ℃的相變材料進(jìn)行回填,換熱器換熱性能將大幅度提升。

綜上所述,相關(guān)學(xué)者對(duì)于換熱器換熱性能的外在因素已經(jīng)做了較為充分的研究,但理論與實(shí)際項(xiàng)目的結(jié)合較少,這有待后續(xù)學(xué)者進(jìn)一步探討。

1.2.2 基于換熱器自身因素的強(qiáng)化換熱研究

近年來,有關(guān)地埋管換熱器強(qiáng)化換熱的自身因素影響研究主要包括:換熱器自身結(jié)構(gòu)及地埋管材質(zhì)的影響。然而對(duì)于單、雙U型的垂直埋管換熱器、管道材質(zhì)以及換熱器布置形式(順排、插排)相關(guān)的研究概況已經(jīng)有了較詳盡的概述[31],為此本文在這一部分僅對(duì)相關(guān)研究的最新進(jìn)展進(jìn)行綜述。危日光等人[32]基于CFD技術(shù)討論了垂直雙U型地埋管換熱器的傳熱熱阻變化特性,發(fā)現(xiàn)管內(nèi)及鉆孔外熱阻基本不受管間距及鉆孔半徑的影響,鉆孔內(nèi)熱阻會(huì)隨著管間距的增大而減小,這一趨勢呈線性分布。楊衛(wèi)波等人[33]對(duì)水平螺旋式埋管換熱器進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)地下水位在4.2 m以上時(shí),埋管側(cè)熱量流失快。水平埋管敷設(shè)在地下1~2 m 處時(shí),受大氣溫度影響較大,通過研究發(fā)現(xiàn)在桂林地區(qū)采用這一敷設(shè)方式的合理埋深為2.5 m,埋管間距為2 m[34]。張爽等人[35]對(duì)四種不同樁基長徑比進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)樁基長徑比對(duì)樁基型換熱器換熱性能影響較大,長徑比越大,換熱器換熱量越大,進(jìn)而導(dǎo)致由溫差產(chǎn)生的樁身軸力、頂部位移以及側(cè)摩阻力增大。杜甜甜等人[36]對(duì)套管式中深層地埋管換熱器的額定取熱量進(jìn)行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)淺層處的土壤導(dǎo)熱系數(shù)越小、深層土壤的導(dǎo)熱系數(shù)越大,換熱器換熱性能越好。進(jìn)而在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)選擇合適的地理位置埋設(shè)換熱器,以期得到更好的換熱性能。套管內(nèi)的循環(huán)流體在允許的范圍內(nèi)應(yīng)取最大值,外管徑取小內(nèi)管徑取大,這有利于換熱性能的提升。Hamid Nareia等人[37]為了找出可以替代高密度聚乙烯復(fù)合材料的埋管進(jìn)行了一系列可靠性實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了將10 wt%的低溫原位可膨脹石墨添加到到高密度聚乙烯管中成為一種新的復(fù)合材料,可以減少68 %的埋管長度,但因缺乏靜水壓力測試,新引入的復(fù)合材料仍需進(jìn)一步研究。

1.3 集熱器與地埋管換熱器最佳配比研究

太陽能輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)中包含兩大熱量轉(zhuǎn)換裝置,即太陽能集熱器、地埋管換熱器。這兩大部件之間的合理搭配必然直接影響該耦合系統(tǒng)的供能性能,楊泉等人[38]選取寒冷地區(qū)作為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)對(duì)該耦合系統(tǒng)中兩大部件的配比關(guān)系進(jìn)行了研究并得出兩者之間的線性擬合曲線,如圖4所示。進(jìn)一步得出:寒冷地區(qū)采用該耦合系統(tǒng)聯(lián)合供暖時(shí),太陽能集熱器面積提升1 m2,地埋管長度可節(jié)約4.09 m,這對(duì)于地質(zhì)條件差,鉆井造價(jià)大的地區(qū)具有一定的參考價(jià)值。劉杰等人[39]針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)代表性城市哈爾濱分析了集熱器面積與換熱器長度關(guān)系,并以此得出嚴(yán)寒地區(qū)兩者之間的推薦值,對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)解析式為:

圖4 集熱器面積與地埋管換熱器的擬合曲線

式中,α—非供暖季與供暖季太陽能輻射量之比;β—非供暖與供暖時(shí)長之比;γ—該地區(qū)負(fù)荷率;φ—地埋管換熱器單位延米換熱量,W/m;e—土壤修正系數(shù)(具體數(shù)值于地點(diǎn)有關(guān),東北黑土取1)。

此外,一些學(xué)者[40,41,42]通過大量具有重復(fù)性實(shí)驗(yàn)的可靠性結(jié)果均表明太陽能集熱器與地埋管換熱器之間呈現(xiàn)出反比的關(guān)系。

2 耦合系統(tǒng)運(yùn)行方案優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 運(yùn)行方案

合理設(shè)計(jì)太陽能輔助土壤源系統(tǒng)的運(yùn)行方案是應(yīng)用該耦合系統(tǒng)的關(guān)鍵所在,系統(tǒng)在運(yùn)行過程中各子系統(tǒng)之間的能量輸運(yùn)及轉(zhuǎn)換很大程度上依賴于運(yùn)行控制策略,這使得深入研究系統(tǒng)運(yùn)行方案顯得尤為重要。Verma等人[43]提出了該耦合系統(tǒng)在白天利用太陽能對(duì)土壤蓄熱,夜間利用土壤本身的熱量以及白天蓄存的熱量進(jìn)行供暖的運(yùn)行模式,有效的提升了系統(tǒng)供暖COP。Wang等人[44]提出了土壤在晴天吸收并儲(chǔ)存的熱能在冬季作為熱泵的輸入源的運(yùn)行模式。太陽能集熱器在采暖模式下直接提供約49.7 %的熱負(fù)荷。在一年的運(yùn)行中,熱泵從土壤中提取了大約75 %的儲(chǔ)存熱量,系統(tǒng)COP得到了很大的提高。Aleksandar等人[45]根據(jù)普羅夫迪夫地區(qū)典型的土壤和氣象條件,著重針對(duì)土壤補(bǔ)熱問題,提出五種適合該地區(qū)太陽能-地埋管地源熱泵耦合系統(tǒng)的運(yùn)行模式。藺瑞山等人[46]提出三種運(yùn)行模式,即太陽能集熱模式、輔助供暖模式及單一土壤源熱泵供暖模式。采用集熱出口與水箱出口溫差控制太陽能集熱系統(tǒng),水箱溫度控制輔助供暖模式的啟停,以室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)供暖模式的啟停。經(jīng)過一個(gè)采暖季的運(yùn)行后,采暖季室內(nèi)平均溫度達(dá)19.1 ℃,室溫波動(dòng)幅度較小,滿足建筑熱舒適性的要求。鐘曉輝等人[47]在前人的基礎(chǔ)上將運(yùn)行模式按季度進(jìn)行劃分,添加了春秋季利用太陽能對(duì)土壤補(bǔ)熱模式并在此運(yùn)行模式下系統(tǒng)有效削弱了土壤熱失衡問題。Yang等人[48]采用三種混合模式對(duì)地源熱泵與太陽能輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)的性能進(jìn)行了比較。三種模式分別為:太陽能集熱器與地埋管換熱器串聯(lián):載熱流體先流經(jīng)地埋管換熱器,再流經(jīng)太陽能集熱器;載熱流體先通過太陽能集熱器,再通過地埋管換熱器。以及太陽能集熱器與埋地線圈并聯(lián)。研究結(jié)果表明,在蓄熱和不蓄熱情況下,地源熱泵在混合模式下運(yùn)行較傳統(tǒng)地源熱泵分別節(jié)約了約14.5 %和10.4 %的能量。

Giuseppe等人[49]針對(duì)寒冷地區(qū)六個(gè)城市的氣候環(huán)境,采用數(shù)值模擬的方法將運(yùn)行模式分為供暖模式及非供暖模式并確定出適合當(dāng)?shù)氐淖顑?yōu)運(yùn)行控制策略。Evgueniy等人[50]提出一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的控制方法,在其控制下的系統(tǒng)運(yùn)行成本較常規(guī)開關(guān)控制節(jié)約81 %左右,但可能造成未滿足室內(nèi)環(huán)境舒適度的時(shí)間增加。李瑞等人[16]在季度劃分運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上提出主要部件的控制邏輯,控制邏輯流程圖如圖5所示,系統(tǒng)運(yùn)行10a后,土壤平均溫度偏移率仍保持在1 %左右。崔云翔等人[51]對(duì)蒸發(fā)器出口流體流入蓄熱水箱和換熱器的不同比例進(jìn)行分析,得出比例為1:1時(shí)為系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的最佳流量比例,采用串聯(lián)運(yùn)行時(shí),流體先經(jīng)地埋管后經(jīng)蓄熱水箱的供能效果較好。Putrayudha等人[52]提出了一種模糊邏輯控制器(FLC)方法使該耦合系統(tǒng)的能量消耗最小化。結(jié)果表明,相對(duì)于傳統(tǒng)的開關(guān)控制方法,F(xiàn)LC可降低18.3 %的年能耗。Kokogiannakis[53]等人提出了一種基于模型的太陽能輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)結(jié)合光伏熱收集器系統(tǒng)的理想控制方法。結(jié)果表明,使用該耦合系統(tǒng)的控制策略可有效減少能耗損失。Emmi等人[54,55]分析了太陽能集熱器對(duì)6 個(gè)冷區(qū)太陽能輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)效率的影響。并采用合適的控制策略對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了10 年的仿真,結(jié)果表明系統(tǒng)的能效是不受季節(jié)變化影響的。

圖5 控制策略流程圖

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

該耦合系統(tǒng)的初投資較傳統(tǒng)供能系統(tǒng)高,但其運(yùn)行成本低,投資回收期較短[56]。Mohanra等人[57,58]從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境角度對(duì)該耦合系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。認(rèn)為該耦合系統(tǒng)是一種有利的采暖設(shè)備,但其初投資成本高是其在全球市場上競爭的主要障礙。Lazzarin[59]對(duì)該耦合系統(tǒng)和單一地源熱泵系統(tǒng)的性能進(jìn)行了比較。結(jié)果表明:與單一地源熱泵系統(tǒng)相比,耦合系統(tǒng)的換熱器長度更短,因此換熱器投資成本更低。劉逸等人[60]對(duì)該耦合系統(tǒng)的運(yùn)行成本進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)耦合系統(tǒng)在供暖期的運(yùn)行費(fèi)用比鍋爐低3.8 %,比單獨(dú)采用土壤源熱泵系統(tǒng)供暖運(yùn)行費(fèi)用低6.6 %,比燃油鍋爐運(yùn)行費(fèi)用低122 %。

盡管該耦合系統(tǒng)應(yīng)用在某些地區(qū)的節(jié)能性較傳統(tǒng)供能系統(tǒng)有顯著優(yōu)勢,但也面臨著地域性推廣應(yīng)用的問題。金光等人[61]對(duì)該耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)若折現(xiàn)率超過8%,系統(tǒng)將無法獲得經(jīng)濟(jì)回報(bào);若折現(xiàn)率為8 %時(shí),投資回收期高達(dá)27a。相關(guān)學(xué)者[62]提出系統(tǒng)間歇運(yùn)行模式較連續(xù)運(yùn)行模式更能提升系統(tǒng)COP,但也有學(xué)者提出在滲流條件下,地埋管換熱器連續(xù)換熱較間歇換熱的換熱量少,但連續(xù)運(yùn)行模式的運(yùn)行時(shí)間是間歇運(yùn)行模式的兩倍,最后導(dǎo)致連續(xù)運(yùn)行模式的總換熱量較間歇模式更高[21]。從這一點(diǎn)來看,若想廣泛應(yīng)用這一新技術(shù)替代傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)仍然任重而道遠(yuǎn)?,F(xiàn)將具有代表性意義的該耦合系統(tǒng)供能性能及經(jīng)濟(jì)性相關(guān)的研究匯總?cè)绫?所示。

從表1可以看出,太陽能輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)的機(jī)組COP平均可達(dá)4.35,系統(tǒng)能效較高。系統(tǒng)投資回收期從6到27年不等,系統(tǒng)初投資受當(dāng)?shù)匚飪r(jià)以及人力資源的影響較大,即使是針對(duì)同一地區(qū)的研究,投資回收期也會(huì)因時(shí)間的改變而改變。因此,太陽能輔助地埋管地源熱泵技術(shù)的發(fā)展前景可觀,值得深入研究。

表1 太陽能輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)性能研究

3 結(jié)論及展望

本文全面系統(tǒng)的論述了太陽能輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)近年來的研究現(xiàn)狀,分析了該系統(tǒng)中太陽能集熱器、地埋管換熱器的優(yōu)化研究以及系統(tǒng)運(yùn)行方案的優(yōu)化措施,并結(jié)合實(shí)際工程討論了其經(jīng)濟(jì)適用性。

在以往的研究中,與太陽能輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化有關(guān)的一般問題,似乎沒有得到較為廣泛的討論,且在研究的過程中仍存在一些問題,如下:

(1)以土壤為熱源時(shí),土壤特有(具有)的熱惰性致使土壤內(nèi)部的導(dǎo)熱受到抑制,依靠土壤自身回溫解決土溫失衡問題的效率較差;另嚴(yán)寒地區(qū)冬季室外溫度較低,土壤與近地面低溫空氣進(jìn)行對(duì)流換熱,造成土壤熱量流失較嚴(yán)重。因此,夜晚依靠土壤本身熱量和白天用太陽能蓄熱的熱量進(jìn)行供暖這一模式在嚴(yán)寒地區(qū)可行性有待進(jìn)一步探究;

(2)在不同的運(yùn)行模式下,系統(tǒng)各組件之間的能量流動(dòng)過程較為復(fù)雜且沒有詳細(xì)的計(jì)算方法,實(shí)驗(yàn)過程中也可能存在誤差。另外,在實(shí)際工程應(yīng)用中,太陽能輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行年限較長且嚴(yán)寒地區(qū)供暖期長達(dá)4~6月之久,而現(xiàn)有文獻(xiàn)中部分實(shí)驗(yàn)的研究時(shí)間較短,采暖模式的實(shí)驗(yàn)必須進(jìn)行長周期的測試;

(3)目前,絕大部分研究只分析該系統(tǒng)在供暖中的應(yīng)用,因此,為更好的研究該系統(tǒng)的適用性,需深入研究該系統(tǒng)在制冷及生活熱水方面的應(yīng)用;

(4)雖然該系統(tǒng)的能效不受季節(jié)變化的影響,但其機(jī)組在不同季節(jié)會(huì)呈現(xiàn)不同的性能優(yōu)劣,因此,需要對(duì)該系統(tǒng)在供暖季和供冷季的機(jī)組性能變化作進(jìn)一步研究;

(5)在研究過程中若以模擬情況下所得值進(jìn)行分析,應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)氐耐寥罈l件、日照強(qiáng)度等因素是否與研究對(duì)象一致,以避免造成不必要的損失。

該耦合系統(tǒng)在減少一次能源消耗方面起著至關(guān)重要的作用,對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和,建立清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系具有重大的戰(zhàn)略意義。綜合目前對(duì)該耦合系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀,提出以下幾點(diǎn)展望:

(1)針對(duì)此耦合系統(tǒng)的推行應(yīng)從因地制宜的角度出發(fā),深入開展研究工作,使得此耦合系統(tǒng)的適用區(qū)域更廣泛;

(2)相關(guān)學(xué)者應(yīng)在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上更深層次的優(yōu)化該耦合系統(tǒng)的運(yùn)行模式及控制策略,以期最大化的利用太陽能和地?zé)崮埽?/p>

(3)由于系統(tǒng)過于龐大,通過數(shù)值模擬的方法進(jìn)行相關(guān)研究可以節(jié)約一定程度的實(shí)驗(yàn)成本,但熱力學(xué)分析過程較復(fù)雜,進(jìn)而應(yīng)開發(fā)有針對(duì)性的數(shù)值模擬軟件并在建模過程中加強(qiáng)模型可靠性驗(yàn)證,使模擬結(jié)果更具有準(zhǔn)確性;

(4)未來應(yīng)進(jìn)一步研究其他控制策略,以便更為詳細(xì)地探討混合系統(tǒng)的潛在優(yōu)勢和可能的缺點(diǎn)。

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