李 素 芬， 代 蘭 花， 尚 妍， 東 明， 端 木 琳， 李 祥 立

( 1.大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院, 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024 )

動(dòng)力工程

基于不同動(dòng)態(tài)負(fù)荷的太陽(yáng)能輔助地源熱泵系統(tǒng)供暖特性研究

李 素 芬*1， 代 蘭 花1， 尚 妍1， 東 明1， 端 木 琳2， 李 祥 立2

( 1.大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院, 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024 )

建立了太陽(yáng)能輔助地源熱泵系統(tǒng)(SAGSHPS)動(dòng)態(tài)仿真模型，基于間歇負(fù)荷1(8:00-20:00末端開(kāi)啟)、間歇負(fù)荷2(18:00-次日7:00末端開(kāi)啟)和連續(xù)負(fù)荷(末端全天24 h開(kāi)啟)條件，對(duì)大連地區(qū)SAGSHPS在整個(gè)供暖期內(nèi)的運(yùn)行過(guò)程分別進(jìn)行逐時(shí)動(dòng)態(tài)仿真，分析了3種典型動(dòng)態(tài)負(fù)荷下SAGSHPS的運(yùn)行特性．結(jié)果表明：冬季最冷日內(nèi)不同負(fù)荷下，系統(tǒng)供暖運(yùn)行方式不同．間歇負(fù)荷1下系統(tǒng)以地源熱泵(GSHP)和太陽(yáng)能熱泵(SHP)交替供暖；間歇負(fù)荷2下系統(tǒng)以地源熱泵供暖為主，只在入夜初期輔以太陽(yáng)能熱泵供暖；連續(xù)負(fù)荷下系統(tǒng)白天以太陽(yáng)能熱泵供暖，夜間以地源熱泵供暖．整個(gè)供暖期內(nèi)，蒸發(fā)器入口溫度對(duì)熱泵機(jī)組性能系數(shù)的影響高于對(duì)系統(tǒng)性能系數(shù)的影響；對(duì)于太陽(yáng)能、地?zé)崮芎碗娔軐?duì)熱負(fù)荷的貢獻(xiàn)比例而言，蒸發(fā)器入口溫度越高，太陽(yáng)能對(duì)熱負(fù)荷的貢獻(xiàn)比例越大，地?zé)崮艿呢暙I(xiàn)比例越小，而電能的貢獻(xiàn)比例變化不明顯．

太陽(yáng)能；地源熱泵系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)負(fù)荷；供暖特性；動(dòng)態(tài)仿真

0 引 言

太陽(yáng)能輔助地源熱泵系統(tǒng)(solar assisted ground source heat pump system，SAGSHPS)因其能充分利用太陽(yáng)能和地?zé)崮軐?shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)條件下的能量高效利用而成為領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)[1-2]．特別是近10年來(lái)，學(xué)者們通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)SAGSHPS的優(yōu)化設(shè)計(jì)[3-5]、運(yùn)行模式[6-10]、控制策略[11-13]以及運(yùn)行性能[14-17]等進(jìn)行了多方面的研究．Chen等[3]、Rad等[4]和Wang等[5]通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)SAGSHPS進(jìn)行研究，獲得了地埋管長(zhǎng)度或蓄熱水箱體積與集熱器面積的最優(yōu)比率．楊衛(wèi)波等[6-7]、Si等[8]、Dai等[9]和Chen等[10]研究了SAGSHPS的不同運(yùn)行模式，認(rèn)為以太陽(yáng)能集熱器與地埋管串聯(lián)的運(yùn)行方式獲得的系統(tǒng)性能較高．Wang等[11]、Kjellsson等[12]和Reda等[13]針對(duì)SAGSHPS的不同運(yùn)行策略進(jìn)行了模擬研究，指出太陽(yáng)能向地下蓄熱有助于提高系統(tǒng)性能，地下蓄熱的控制溫差應(yīng)該根據(jù)鉆孔深度、集熱器面積以及輔助熱源類型進(jìn)行合理設(shè)置．Trillat-Berdal等[14]、Bakirci等[15]、Wang等[16]和Busato等[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)SAGSHPS在住宅或辦公建筑中的運(yùn)行性能進(jìn)行了研究，獲得的熱泵平均供暖性能系數(shù)均在3.0以上．

現(xiàn)有文獻(xiàn)主要集中在單一負(fù)荷條件下SAGSHPS運(yùn)行特性的研究，專門針對(duì)不同動(dòng)態(tài)負(fù)荷下SAGSHPS供暖性能的研究還未見(jiàn)報(bào)道．本文以大連地區(qū)SAGSHPS在3種典型動(dòng)態(tài)負(fù)荷下的供暖過(guò)程為研究對(duì)象，探討不同動(dòng)態(tài)負(fù)荷下系統(tǒng)的供暖運(yùn)行特性，考察間歇性負(fù)荷和連續(xù)性負(fù)荷對(duì)SAGSHPS運(yùn)行性能的影響．

1 SAGSHPS與控制條件

1.1 系統(tǒng)運(yùn)行原理

本文模擬的熱用戶為大連地區(qū)供暖面積為400m2的實(shí)驗(yàn)室，利用SAGSHPS供暖．系統(tǒng)由5個(gè)主要部件構(gòu)成：熱管式真空管集熱器(HPETC)、太陽(yáng)能蓄熱水箱(SHSWT)、熱泵機(jī)組(HPU)、地埋管換熱器(GHE)以及末端風(fēng)機(jī)盤管(FC)．運(yùn)行原理如圖1所示．集熱器內(nèi)防凍液通過(guò)蓄熱水箱將太陽(yáng)能的熱量傳遞給水，根據(jù)水溫高低，水箱內(nèi)流體依次可經(jīng)閥門1直接供暖，或經(jīng)閥門7與地埋管內(nèi)流體混合后進(jìn)入熱泵供暖，或經(jīng)閥門7直接進(jìn)入熱泵供暖，或經(jīng)閥門4向地下蓄熱．當(dāng)水箱內(nèi)水溫過(guò)低，達(dá)不到利用要求時(shí)，地埋管內(nèi)流體經(jīng)閥門9和閥門10進(jìn)入熱泵供暖．

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行方式及控制條件

SAGSHPS可實(shí)現(xiàn)4種供暖運(yùn)行方式：太陽(yáng)能直接供暖，太陽(yáng)能輔助地源熱泵供暖，太陽(yáng)能熱泵供暖以及地源熱泵供暖．當(dāng)太陽(yáng)能蓄熱水箱出口水溫高于45 ℃，直接利用太陽(yáng)能供暖；當(dāng)水箱出口溫度介于30～45 ℃，利用太陽(yáng)能和地?zé)崮荞詈蠠岜寐?lián)合供暖；當(dāng)水箱出口溫度介于15～30 ℃，利用太陽(yáng)能熱泵供暖；當(dāng)水箱出口溫度低于15 ℃，利用地源熱泵供暖．

2 SAGSHPS各部件模型

2.1 熱管式真空管集熱器參數(shù)模型

本文利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次擬合，用所得的二次函數(shù)關(guān)系式模擬集熱器瞬時(shí)效率變化．熱管式真空管集熱器瞬時(shí)效率方程和集熱器出口流體溫度分別如式(1)和(2)所示．

(1)

(2)

式中：ηsc為集熱器瞬時(shí)集熱效率；tsci為集熱器入口流體溫度，℃；ta為室外環(huán)境溫度，℃；It為單位集熱面積太陽(yáng)總輻射，W·m-2；tsco為集熱器出口流體溫度，℃；Asc為集熱器總采光面積，m2；msc為集熱器內(nèi)防凍液總質(zhì)量流量，kg·s-1；csc為集熱器內(nèi)防凍液比熱容，J·kg-1· ℃-1．

2.2 盤管浸沒(méi)式蓄熱水箱參數(shù)模型

作為太陽(yáng)能與熱用戶的連接裝置，蓄熱水箱建模需同時(shí)獲得集熱側(cè)和用熱側(cè)出口流體溫度．根據(jù)用熱側(cè)和集熱側(cè)的控制條件不同，可將蓄熱水箱的工作過(guò)程分成4種工況．

2.2.1 只蓄熱不用熱情況下蓄熱水箱參數(shù)模型 當(dāng)集熱側(cè)循環(huán)溫差大于設(shè)定值，而水箱出口水溫小于設(shè)定值時(shí)，蓄熱水箱相當(dāng)于儲(chǔ)熱裝置，處于只蓄熱不用熱的情況．根據(jù)文獻(xiàn)[6]的模型，盤管浸沒(méi)式蓄熱水箱出口集熱流體溫度及某時(shí)刻水箱內(nèi)水溫分別如式(3)和(4)所示．中間計(jì)算參數(shù)F1和F2詳見(jiàn)文獻(xiàn)[6]．

式中：dco為水箱內(nèi)盤管外徑，m；Kcw為盤管內(nèi)外總換熱系數(shù)，W·m-2· ℃-1；lcw為水箱內(nèi)盤管總長(zhǎng)，m；tw,n為n時(shí)刻水箱內(nèi)平均水溫，℃；Δτ為時(shí)間間隔，s．

2.2.2 用熱蓄熱同時(shí)進(jìn)行情況下蓄熱水箱參數(shù)模型 當(dāng)集熱側(cè)循環(huán)溫差和水箱出口水溫同時(shí)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，蓄熱水箱處于用熱蓄熱同時(shí)進(jìn)行的情況，水箱內(nèi)水溫由兩者共同決定．集熱過(guò)程的水溫tw,n1可由式(4)確定，用熱過(guò)程的水溫tw,n2由式(5)確定，水箱的平均水溫由式(6)確定．

(5)

(6)

式中：twti,n為n時(shí)刻水箱用熱側(cè)入口水溫，℃；Quse,n為n時(shí)刻用熱側(cè)負(fù)荷，W；muse,n為n時(shí)刻用熱側(cè)流體質(zhì)量流量，kg·s-1；cf為水的比熱容，J·kg-1· ℃-1．

2.2.3 只用熱不蓄熱情況下蓄熱水箱參數(shù)模型 當(dāng)集熱側(cè)循環(huán)溫差小于設(shè)定值，而水箱出口水溫大于設(shè)定值時(shí)，蓄熱水箱相當(dāng)于放熱裝置，此過(guò)程中水箱內(nèi)水溫的變化由提供給熱用戶的熱量以及水箱自身的熱損失共同決定，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式：

(7)

式中：Fw為圓柱形蓄熱水箱熱容，W· ℃-1，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[18]；ta′為水箱外環(huán)境溫度，℃．

2.2.4 不用熱不蓄熱情況下蓄熱水箱參數(shù)模型 不用熱不蓄熱情況下，蓄熱水箱內(nèi)水溫的變化只受自身熱損失的影響，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式：

(8)

式中：Mw為水箱內(nèi)水的質(zhì)量，kg．

2.3 垂直U形埋管換熱器參數(shù)模型

本文對(duì)U形埋管換熱器物理模型做如下簡(jiǎn)化假設(shè)：(1)忽略土壤與換熱器之間的相互影響，并將鉆孔內(nèi)U形管視為等價(jià)單管；(2)忽略土壤含濕和地下水滲流引起的熱量遷移，認(rèn)為換熱器與土壤的傳熱過(guò)程為純導(dǎo)熱；(3)不考慮地表面溫度波動(dòng)對(duì)土壤溫度的影響，認(rèn)為土壤初始溫度均勻一致．基于以上假設(shè)對(duì)地埋管換熱器鉆孔內(nèi)、外分別建立了數(shù)學(xué)模型．鉆孔外二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型如式(9)所示，鉆孔內(nèi)一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型如式(10)所示．

式中：ρs為土壤的密度，kg·m-3；cs為土壤的比熱容，J·kg-1· ℃-1；ts為土壤溫度，℃；z為地下垂直距離，m；r為地埋管換熱器熱作用半徑，m；λs為土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1· ℃-1；mf為地埋管內(nèi)流體質(zhì)量流量，kg·s-1；tgi和tgo分別為U形管進(jìn)、出口流體溫度，℃；keff為地埋管管內(nèi)至管外有效導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1· ℃-1，參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]；tbw,mean為鉆孔壁平均壁溫，℃；Lb為單個(gè)鉆孔深度，m．

結(jié)合U形埋管換熱器實(shí)際換熱過(guò)程，其數(shù)學(xué)模型的初始及邊界條件如下．

(1)初始條件：初始狀態(tài)下，U形管內(nèi)流體溫度tg、鉆孔壁溫tbw和土壤溫度ts都等于土壤原始溫度t0，如下式所示：

tg(τ,z)=tbw(τ,z,r)=ts(τ,z,r)=t0；τ=0

(11)

(2)邊界條件：包括土壤遠(yuǎn)邊界、U形管流體入口邊界、鉆孔壁與土壤接觸邊界和管內(nèi)壁與流體接觸邊界，如式(12a)～(12f)所示．

①土壤遠(yuǎn)邊界，認(rèn)為此處邊界上的土壤溫度值為原始溫度．

ts(τ,z,r)=t0；r=r∞，z=Lb+r

(12a)

式中：r∞為不受干擾半徑，m．

②U形管流體入口邊界，地源熱泵供暖時(shí)為熱泵機(jī)組蒸發(fā)器出口溫度teo(式(12b))，地下蓄熱時(shí)為蓄熱水箱出口溫度twto(式(12c))．

地源熱泵供暖

tgi(τ,z)=teo(τ)；z=0

(12b)

地下蓄熱

tgi(τ,z)=twto(τ)；z=0

(12c)

③鉆孔壁與土壤接觸邊界，鉆孔壁與土壤之間交界面是耦合傳熱邊界，在忽略接觸熱阻的假設(shè)下，鉆孔壁溫與土壤溫度相等．

tbw(τ,z,r)=ts(τ,z,r)；r=rb

(12d)

式中：rb為地下鉆孔半徑，m．

④管內(nèi)壁與流體接觸邊界，因強(qiáng)化傳熱的需要，U形管內(nèi)流體均處于紊流狀態(tài)，管內(nèi)壁與流體邊界處通過(guò)對(duì)流進(jìn)行換熱，機(jī)組運(yùn)行和停止時(shí)的邊界條件如式(12e)和(12f)所示．

機(jī)組運(yùn)行

(12e)

機(jī)組停止

hci=0

(12f)

式中：hci為盤管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)，W·m-2·℃-1；dpi為U形管內(nèi)徑，m；λf為管內(nèi)流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·℃-1．

基于以上邊界條件和初始條件，利用數(shù)值方法對(duì)式(9)和(10)進(jìn)行離散求解，即可得U形管出口流體的溫度及地埋管換熱器換熱量，如式(13)和(14)所示．

(13)

Qghe=mfcf(tgi-tgo)

(14)

式中：Qghe為地埋管換熱器換熱量，W．

2.4 水-水熱泵機(jī)組參數(shù)模型

根據(jù)實(shí)測(cè)值及現(xiàn)有樣本數(shù)據(jù)擬合得到供熱模式下熱泵機(jī)組參數(shù)模型如式(15)和(16)所示．

Qe=25.555+0.554tei-0.302tci

(15)

Wcom=4.294-0.065tei+0.041tci

(16)

式中：Qe為熱泵機(jī)組蒸發(fā)器吸熱量，kW；tei為熱泵機(jī)組蒸發(fā)器入口溫度，℃；tci為熱泵機(jī)組冷凝器入口溫度，℃；Wcom為熱泵機(jī)組壓縮機(jī)功率，kW．

2.5 末端風(fēng)機(jī)盤管參數(shù)模型

對(duì)于末端風(fēng)機(jī)盤管的模擬，通常采用簡(jiǎn)化處理，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式所示：

tci=tco-Qload/mloadcf

(17)

式中：tco為熱泵機(jī)組冷凝器出口溫度，℃；Qload為末端逐時(shí)負(fù)荷，W；mload為負(fù)荷側(cè)流體質(zhì)量流量，kg·s-1．

2.6 SAGSHPS動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真平臺(tái)的可靠性，2013年1月利用大連理工大學(xué)SAGSHPS綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了供暖實(shí)驗(yàn)[9]．圖2給出了SAGSHPS以運(yùn)行12 h、停止12 h的間歇運(yùn)行方式下系統(tǒng)的主要參數(shù)模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果．從圖2可以看出，各主要參數(shù)的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的變化規(guī)律一致，其中鉆孔壁平均溫度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值平均相對(duì)誤差為2.96%，最大誤差出現(xiàn)在土壤進(jìn)入自然恢復(fù)過(guò)程初期，隨著恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，誤差逐漸降低．集熱器出口溫度、熱泵機(jī)組壓縮機(jī)功率和熱泵機(jī)組性能系數(shù)COPhp的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的平均誤差分別為1.2%、3.8%和2.1%．主要參數(shù)的相對(duì)誤差均低于5%，表明本文所建一體化動(dòng)態(tài)仿真模型正確可用．

(a)鉆孔壁平均溫度(b)集熱器出口溫度(c)熱泵機(jī)組壓縮機(jī)功率(d)熱泵機(jī)組性能系數(shù)

圖2 SAGSHPS供暖工況下主要參數(shù)的模擬值與實(shí)驗(yàn)值

Fig.2 The simulated and experimental results of the main parameters of the SAGSHPS for heating space

2.7 SAGSHPS評(píng)價(jià)指標(biāo)

為便于分析，主要采用熱泵機(jī)組性能系數(shù)COPhp、系統(tǒng)性能系數(shù)COPsys和太陽(yáng)能對(duì)熱負(fù)荷貢獻(xiàn)比例fsc、地?zé)崮軐?duì)熱負(fù)荷貢獻(xiàn)比例fg，以及電能對(duì)熱負(fù)荷貢獻(xiàn)比例fe對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，各指標(biāo)計(jì)算方法分別如式(18)～(22)所示．

(18)

(19)

(20)

(21)

fe=1-fsc-fg

(22)

3 結(jié)果及分析

基于以上數(shù)理模型，利用Matlab軟件編寫SAGSHPS一體化動(dòng)態(tài)仿真模擬程序．3種典型的動(dòng)態(tài)負(fù)荷分別為間歇負(fù)荷1(8:00-20:00末端開(kāi)啟)、間歇負(fù)荷2(18:00-次日7:00末端開(kāi)啟)和連續(xù)負(fù)荷(末端全天24h開(kāi)啟)．基于3種典型負(fù)荷，對(duì)大連地區(qū)SAGSHPS在整個(gè)供暖期內(nèi)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行逐時(shí)動(dòng)態(tài)仿真，重點(diǎn)分析最冷日(室外溫度全天低于-10 ℃)系統(tǒng)在不同動(dòng)態(tài)負(fù)荷下的運(yùn)行特性．

大連地區(qū)典型年氣候條件下[19]最冷日(2013-01-18)逐時(shí)太陽(yáng)輻射及室外溫度如圖3所示．由圖3可知，當(dāng)日最高太陽(yáng)輻射和最低溫度分別為375W·m-2和-13.6 ℃．利用DeST軟件模擬得到3種末端開(kāi)啟條件下實(shí)驗(yàn)室最大熱負(fù)荷分別為25.76、25.11和26.8kW，根據(jù)文獻(xiàn)[20]和[21]進(jìn)行SAGSHPS設(shè)計(jì)．大連地區(qū)冬季室外溫度將降至零下，考慮抗凍性和集熱效率高效性，本文采用熱管式真空管集熱器，面積為16.8m2，真空管內(nèi)傳熱工質(zhì)采用38.5%的冰點(diǎn)為-20 ℃、密度為1 050kg·m-3、比熱容為3.8kJ·kg-1· ℃-1的乙二醇水溶液．采用盤管浸沒(méi)式蓄熱水箱作為太陽(yáng)能蓄熱水箱，容積為1m3，水箱內(nèi)盤管材質(zhì)為銅．熱泵機(jī)組額定制熱量為19.7kW，壓縮機(jī)額定制熱功率為6.6kW．集熱器側(cè)、熱泵機(jī)組熱源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的循環(huán)泵額定功率Wcp1、Wcp2、Wcp3分別為0.09、1.10和0.75 kW．大連地區(qū)地下5 m以下為砂巖[22]，鉆孔較難，采用9口深度為50 m的單U形地埋管作為地下?lián)Q熱器．回填材料為原巖石粉末．U形管采用高密度聚乙烯管．相關(guān)參數(shù)取值詳見(jiàn)表1．

圖3 大連地區(qū)最冷日逐時(shí)太陽(yáng)輻射及室外溫度(2013-01-18)

Fig.3 The hourly solar radiation and outdoor temperature in the coldest day at Dalian (2013-01-18)

3.1 基于間歇負(fù)荷1的系統(tǒng)運(yùn)行特性

圖4給出了間歇負(fù)荷1下SAGSHPS在冬季最冷日的冷凝器入口溫度tci、蒸發(fā)器入口溫度tei、鉆孔壁平均溫度tbw,mean、蓄熱水箱出口溫度twto和集熱器出口溫度tsco隨時(shí)間的變化．從圖4可以看出，太陽(yáng)輻射較低時(shí)(8:00-11:00)，系統(tǒng)利用地源熱泵供暖，tei主要受地溫的影響，隨tbw,mean下降而降低．隨著太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，twto開(kāi)始隨tsco升高而上升(12:00)．當(dāng)水溫高于15 ℃時(shí)，實(shí)行太陽(yáng)能熱泵供暖，此時(shí)tei受twto影響，溫度有明顯升高(由8.3 ℃升為15.4 ℃)．但由于冬季最冷日末端負(fù)荷較大，水箱回水溫度較低，并且最冷日太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小(最大值為375 W·m-2)，twto在下一時(shí)刻(13:00)僅達(dá)到14.4 ℃，不滿足太陽(yáng)能熱泵供暖運(yùn)行要求，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)為地源熱泵供暖．間歇負(fù)荷1下系統(tǒng)在白天供暖，太陽(yáng)能和地?zé)崮茉谙到y(tǒng)供暖時(shí)交替利用．

表1 SAGSHPS主要參數(shù)Tab.1 The main parameters of the SAGSHPS

圖4 最冷日間歇負(fù)荷1下SAGSHPS運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間變化

Fig.4 Variations of SAGSHPS′s operating parameters with time on the coldest day under intermittent load 1

圖5為整個(gè)供暖期內(nèi)間歇負(fù)荷1下熱泵機(jī)組性能系數(shù)COPhp和系統(tǒng)性能系數(shù)COPsys隨蒸發(fā)器入口溫度變化．COPhp隨蒸發(fā)器入口溫度升高而顯著上升，而系統(tǒng)性能系數(shù)COPsys則變化較平緩．這是因?yàn)檎舭l(fā)器入口溫度升高，壓縮機(jī)耗電量會(huì)顯著下降，COPhp則顯著提高；但對(duì)于COPsys而言，除了受到壓縮機(jī)耗電量影響外，還受到熱泵機(jī)組熱源側(cè)和負(fù)荷側(cè)循環(huán)泵以及太陽(yáng)能集熱泵功率的影響．當(dāng)蒸發(fā)器入口溫度升高時(shí)，雖然壓縮機(jī)功耗降低，但各循環(huán)泵的功率不變，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的性能系數(shù)變化不大．整個(gè)供暖期內(nèi)熱泵機(jī)組性能系數(shù)COPhp的平均值為5.26，系統(tǒng)性能系數(shù)COPsys的平均值為3.26．

圖5 整個(gè)供暖期內(nèi)間歇負(fù)荷1下COPhp和COPsys隨蒸發(fā)器入口溫度變化

Fig.5 Variations ofCOPhpandCOPsyswith inlet temperature of evaporator in heating season under intermittent load 1

為了考察整個(gè)供暖期內(nèi)SAGSHPS在間歇負(fù)荷1下太陽(yáng)能、地?zé)崮芎碗娔軐?duì)熱負(fù)荷的貢獻(xiàn)情況，圖6給出了太陽(yáng)能、地?zé)崮芎碗娔軐?duì)熱負(fù)荷的貢獻(xiàn)比例隨蒸發(fā)器入口溫度的變化．從圖6可以看出，fe隨tei的升高緩慢下降，fg顯著降低，同時(shí)fsc則顯著升高，特別當(dāng)蒸發(fā)器入口溫度高于18 ℃之后，太陽(yáng)能的貢獻(xiàn)比例高達(dá)0.8以上．整個(gè)供暖期內(nèi)fsc、fg和fe的平均值分別為0.40、0.41 和0.19．

圖6 整個(gè)供暖期內(nèi)間歇負(fù)荷1下fsc、fg和fe隨蒸發(fā)器入口溫度變化

Fig.6 Variations offsc,fgandfewith inlet temperature of evaporator in heating season under intermittent load 1

3.2 基于間歇負(fù)荷2的系統(tǒng)運(yùn)行特性

間歇負(fù)荷2要求系統(tǒng)在夜間供暖，白天太陽(yáng)能儲(chǔ)存在蓄熱水箱中以備夜間使用．為避免水箱過(guò)熱，當(dāng)水溫與地溫相差10 ℃時(shí)，水箱向地下蓄熱．由圖7間歇負(fù)荷2下SAGSHPS在冬季最冷日的運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間的變化可以看出，SAGSHPS 出現(xiàn)短暫的地下蓄熱現(xiàn)象，系統(tǒng)供暖運(yùn)行以地源熱泵為主，只在入夜初期2 h內(nèi)以太陽(yáng)能熱泵供暖．這是因?yàn)殚g歇負(fù)荷2下系統(tǒng)在夜間供暖，白天水箱處于只蓄熱不用熱狀態(tài)，當(dāng)蓄熱進(jìn)行到16:00時(shí)，水箱內(nèi)水溫與地溫相差10.6 ℃，滿足地下蓄熱條件，tbw,mean由11.3 ℃上升至15 ℃，twto從21.8 ℃降至18.8 ℃．此后太陽(yáng)輻射逐漸降低，水箱內(nèi)水溫不再滿足地下蓄熱條件，tbw,mean恢復(fù)至11.9 ℃．當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入夜間供暖時(shí)，初期水箱內(nèi)水溫較高，滿足太陽(yáng)能熱泵供暖運(yùn)行條件．但夜間運(yùn)行無(wú)太陽(yáng)輻射，水箱內(nèi)熱水得不到熱量補(bǔ)充，水溫下降迅速，2 h后系統(tǒng)轉(zhuǎn)入地源熱泵供暖．

圖7 最冷日間歇負(fù)荷2下SAGSHPS運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間變化

Fig.7 Variations of SAGSHPS′s operating parameters with time on the coldest day under intermittent load 2

在整個(gè)供暖期內(nèi)，間歇負(fù)荷2下SAGSHPS的性能系數(shù)和各能源對(duì)熱負(fù)荷貢獻(xiàn)比例隨蒸發(fā)器入口溫度tei變化分別如圖8和9所示．由圖可知，在tei從12 ℃升高到28 ℃的過(guò)程中，COPhp的最低值為3.94，最高值為6.66，平均值為4.74；COPsys的平均值為3.23；fsc、fg和fe的平均值則分別為0.22、0.57和0.21．

3.3 基于連續(xù)負(fù)荷的系統(tǒng)運(yùn)行特性

圖10給出了連續(xù)負(fù)荷下SAGSHPS在冬季最冷日的主要運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間的變化．從圖10可以看出，連續(xù)負(fù)荷下，系統(tǒng)全天24 h供暖，白天蒸發(fā)器入口溫度tei主要受蓄熱水箱影響，以太陽(yáng)能熱泵供暖為主，夜間主要受地溫影響，以地源熱泵供暖為主．白天12:00-17:00，太陽(yáng)輻射充足，twto始終維持在15 ℃以上，系統(tǒng)實(shí)行太陽(yáng)能熱泵供暖，在此期間地溫自然恢復(fù)6 h，從7.4 ℃恢復(fù)至11.6 ℃；其余時(shí)段內(nèi)tei則與tbw,mean保持一致，系統(tǒng)通過(guò)地源熱泵供暖，隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，tei和tbw,mean均降低．

圖8 整個(gè)供暖期內(nèi)間歇負(fù)荷2下COPhp和COPsys隨蒸發(fā)器入口溫度變化

Fig.8 Variations ofCOPhpandCOPsyswith inlet temperature of evaporator in heating season under intermittent load 2

圖9 整個(gè)供暖期內(nèi)間歇負(fù)荷2下fsc、fg和fe隨蒸發(fā)器入口溫度變化

Fig.9 Variations offsc,fgandfewith inlet temperature of evaporator in heating season under intermittent load 2

圖10 最冷日連續(xù)負(fù)荷下SAGSHPS運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間變化

Fig.10 Variations of SAGSHPS′s operating parameters with time on the coldest day under continuous load

整個(gè)供暖期內(nèi)，連續(xù)負(fù)荷下，蒸發(fā)器入口溫度從8 ℃升高到28 ℃過(guò)程中，熱泵機(jī)組性能系數(shù)COPhp逐漸升高，平均值為4.82；系統(tǒng)性能系數(shù)COPsys的平均值為2.9；電能對(duì)熱負(fù)荷的貢獻(xiàn)比例fe從0.27下降至0.13，平均值為0.21；太陽(yáng)能貢獻(xiàn)比例隨入口溫度升高震蕩升高，平均值為0.36；與之相對(duì)的地?zé)崮艿呢暙I(xiàn)比例則震蕩降低，平均值為0.42．詳見(jiàn)圖11和12．

圖11 整個(gè)供暖期內(nèi)連續(xù)負(fù)荷下COPhp和COPsys隨蒸發(fā)器入口溫度變化

Fig.11 Variations ofCOPhpandCOPsyswith inlet temperature of evaporator in heating season under continuous load

圖12 整個(gè)供暖期內(nèi)連續(xù)負(fù)荷下fsc、fg和fe隨蒸發(fā)器入口溫度變化

Fig.12 Variations offsc,fgandfewith inlet temperature of evaporator in heating season under continuous load

4 結(jié) 論

(1)3種動(dòng)態(tài)負(fù)荷下，系統(tǒng)在最冷日的供暖運(yùn)行方式不同．間歇負(fù)荷1下，以地源熱泵和太陽(yáng)能熱泵交替供暖；間歇負(fù)荷2下，以地源熱泵供暖為主，只在入夜初期輔以太陽(yáng)能熱泵供暖；連續(xù)負(fù)荷下，白天以太陽(yáng)能熱泵供暖，夜間以地源熱泵供暖．

(2)整個(gè)供暖期內(nèi)，3種動(dòng)態(tài)負(fù)荷下蒸發(fā)器入口溫度對(duì)熱泵機(jī)組的性能系數(shù)COPhp的影響高于對(duì)系統(tǒng)性能系數(shù)COPsys的影響．

(3)整個(gè)供暖期內(nèi)，3種動(dòng)態(tài)負(fù)荷下SAGSHPS 的電能對(duì)熱負(fù)荷的貢獻(xiàn)比例受蒸發(fā)器入口溫度影響較小，太陽(yáng)能和地?zé)崮軐?duì)熱負(fù)荷的貢獻(xiàn)比例受其影響較大，且入口溫度越高影響越大．

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Research on heating characteristics of a solar assisted ground source heat pump system under different dynamic loads

LI Su-fen*1, DAI Lan-hua1, SHANG Yan1, DONG Ming1, DUANMU Lin2, LI Xiang-li2

( 1.School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China；2.School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

A dynamic simulation model of the solar assisted ground source heat pump system (SAGSHPS) is established. Based on the conditions of the intermittent load 1(heating demand appearing from 8:00 to 20:00), the intermittent load 2 (heating demand appearing from 18:00 to 7:00) and the continuous load (heating demand appearing all day), the hourly dynamic simulation of the heating process for the SAGSHPS is carried out during heating season in Dalian. The operation characteristics of the SAGSHPS are analyzed under these three typical dynamic loads. The results indicate that the heating operation modes of the SAGSHPS are different in the coldest day in winter under different loads. Under the intermittent load 1, the SAGSHPS alternatively operates with the ground source heat pump (GSHP) and solar heat pump (SHP). However, the mainly heating operating mode is the GSHP under the intermittent load 2, which is supplemented by the SHP only in the early night. Under the continuous load, the SHP heats space during the day and the GSHP operates at night. The impact of the evaporator inlet temperature on the coefficient of performance for heat pump is higher than that of on the coefficient of performance for the system during the entire heating season. For the ratio of solar energy, geothermal energy and electric energy to the heating load, the higher the evaporator inlet temperature is, the greater the ratio of solar energy to heating load is, while the lower the ratio of geothermal energy to heating load is. At the same time, the change of the ratio of electric energy to heating load with the evaporator inlet temperature is not obvious.

solar energy; ground source heat pump system; dynamic load; heating characteristics; dynamic simulation

1000-8608(2015)03-0243-09

2014-12-24；

2015-03-16．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50676015，51278076)；2013年遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2013029).

李素芬*(1955-)，女，教授，E-mail:lisuf@dlut.edu.cn；代蘭花(1984-)，女，博士生，E-mail:dailanhua@mail.dlut.edu.cn.

TK519；TK529

A

10.7511/dllgxb201503003