李天英

摘要：在已有針對(duì)太陽(yáng)能-土壤源熱泵（SESHPS）的運(yùn)行策略的基礎(chǔ)上，提出更適用實(shí)際工程的太陽(yáng)能熱水梯級(jí)利用運(yùn)行模式，并且對(duì)太陽(yáng)能-土壤源熱泵在各種運(yùn)行策略下運(yùn)用trnsys進(jìn)行了數(shù)值模擬，以系統(tǒng)具體運(yùn)行情況、系統(tǒng)運(yùn)行總能耗及土壤溫度變化為指標(biāo)，進(jìn)行分析比較，結(jié)果表明，太陽(yáng)能熱水梯級(jí)利用的運(yùn)行策略具有明顯優(yōu)勢(shì)。同時(shí)對(duì)于在太陽(yáng)能-土壤源熱泵系統(tǒng)中熱水的梯級(jí)利用的地區(qū)適用性做了相關(guān)討論，得出該運(yùn)行策略更適合在太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)采用。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能-土壤源熱泵；熱水梯級(jí)利用；trnsys；適用性

1.前言

太陽(yáng)能-土壤源熱泵系統(tǒng)（SESHPS）是將太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和土壤源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合的復(fù)合式系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅克服了太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)受天氣、溫度等環(huán)境因素影響的不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，而且可以緩解土壤源熱泵長(zhǎng)期運(yùn)行造成的土壤溫度逐漸下降的問(wèn)題，從而提升了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、節(jié)能率。而目前對(duì)于太陽(yáng)能-土壤源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行策略的研究多數(shù)是建立在太陽(yáng)能集熱器與地埋管換熱器串并聯(lián)方式的基礎(chǔ)上，例如楊衛(wèi)波等人提出了集熱器和地埋管的三種連接形式，并進(jìn)行了數(shù)值模擬，提出最佳運(yùn)行模式為集熱器與地埋管串聯(lián)，載熱流體先流經(jīng)集熱器后流經(jīng)地埋管，并進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；余延順等人提出了系統(tǒng)運(yùn)行工況和運(yùn)行時(shí)間分配與實(shí)際的建筑負(fù)荷、當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件有關(guān)，并根據(jù)這些相關(guān)因素去優(yōu)化太陽(yáng)能保證率，從而最終優(yōu)化運(yùn)行工況和各工況的時(shí)間分配。而馮曉梅等人以北京某實(shí)際工程為例，提出了對(duì)太陽(yáng)能熱水的梯級(jí)利用，盡量增大太陽(yáng)能集熱器面積，以加大對(duì)太陽(yáng)能熱水的直接利用率。

本文主要是對(duì)馮曉梅提出的太陽(yáng)能熱水的梯級(jí)利用進(jìn)行了工程優(yōu)化及數(shù)值模擬，以驗(yàn)證其在土壤溫度恢復(fù)率及系統(tǒng)總能耗上的優(yōu)勢(shì)，并且對(duì)其地區(qū)適用性做了討論。

2.系統(tǒng)模型的建立

2.1系統(tǒng)負(fù)荷模擬

本文選取了銀川市某實(shí)際小型建筑為模型，采用DEST軟件進(jìn)行了該幢建筑全年逐時(shí)負(fù)荷的模擬，得出該建筑夏季冷負(fù)荷為63kW，冬季熱負(fù)荷為105kW，模擬結(jié)果如下：

從圖1可以看出該建筑的冬季熱負(fù)荷明顯比夏季冷負(fù)荷大，如果采用單一的地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行制冷制熱，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，土壤的取熱量將大于排熱量，導(dǎo)致土壤溫度下降，從而導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行能效下降。

2.2系統(tǒng)原理及構(gòu)成

根據(jù)楊衛(wèi)波等人提出的太陽(yáng)能板與地埋管的最優(yōu)連接方式所構(gòu)建的系統(tǒng)流程1如圖2：太陽(yáng)能熱水將直接進(jìn)入地埋側(cè)板換，與地源側(cè)水進(jìn)行換熱，地源側(cè)水先與太陽(yáng)能熱水進(jìn)行換熱，再進(jìn)入地埋管進(jìn)行換熱。

根據(jù)馮曉梅等人提出的太陽(yáng)能熱水梯級(jí)利用，熱水的利用分為四個(gè)溫度梯級(jí)，這樣的利用方式當(dāng)然有其節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，但是控制上過(guò)于復(fù)雜，閥門(mén)過(guò)多，系統(tǒng)切換頻繁，因此本文借鑒其控制思路，簡(jiǎn)化其運(yùn)行策略，提出如圖系統(tǒng)流程2：當(dāng)水箱內(nèi)太陽(yáng)能熱水溫度大于50℃時(shí)，直接利用其熱量供暖，此時(shí)熱泵機(jī)組是處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，太陽(yáng)能熱水直接進(jìn)入負(fù)荷側(cè)板換加熱負(fù)荷側(cè)熱水；當(dāng)熱水溫度低于50℃時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行如流程1。

根據(jù)朱家玲等人的研究，系統(tǒng)原理流程2中地埋管內(nèi)的水會(huì)將部分太陽(yáng)能熱水的熱量帶入土壤中，而這樣的熱量會(huì)在土壤的滲流等因素的影響下很快散失掉，造成熱量的損失，因此對(duì)流程2進(jìn)行改進(jìn)，如圖4，讓地埋管內(nèi)的水先經(jīng)過(guò)地埋側(cè)板換，吸收太陽(yáng)能熱水的熱量，當(dāng)水箱內(nèi)水溫低于25℃時(shí)，再切換成普通的地埋管換熱系統(tǒng)。

3.系統(tǒng)數(shù)值模擬

本文采用TRNSYS軟件對(duì)上述的三種系統(tǒng)形式進(jìn)行數(shù)值模擬，圖5是根據(jù)以上三種運(yùn)行模式在TRNSYS中所搭建的模擬流程，可以調(diào)整相關(guān)閥門(mén)以及增減修改少量的部件來(lái)實(shí)現(xiàn)以上三種流程，為了驗(yàn)證軟件可靠性，參考文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行相應(yīng)模擬，得出結(jié)果與其實(shí)驗(yàn)值的比較見(jiàn)表1。

從表1可以看出，該模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的偏差是在可接受的范圍內(nèi)的，因此該模型可用來(lái)進(jìn)行相關(guān)模擬，本文的模擬條件為：

①末端系統(tǒng)采用上述模擬的逐時(shí)負(fù)荷；

②熱泵機(jī)組2臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)工況下（夏季空調(diào)側(cè)供回水溫度為7/12℃，地埋側(cè)供回水溫度為30/25℃，冬季空調(diào)側(cè)供回水溫度為45/40℃，地埋側(cè)供回水溫度為5/10℃），制冷量59.08kW，制冷功率15.90kW，制熱量71.97kW，制熱功率25.16kW；

③土壤初始溫度為12℃，導(dǎo)熱系數(shù)為4.68W/m·K，土壤熱容為2016kJ/m²/K，地埋管管深100m，水平管埋深2m，鉆孔直徑140mm，每延米換熱量按當(dāng)?shù)赝寥罒犴憫?yīng)測(cè)試報(bào)告冬夏季分別為45W/m和60W/m，數(shù)量按冬季熱負(fù)荷計(jì)算，105kW/（45W/m*100m）≈24個(gè)；

④太陽(yáng)能集熱器面積根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)論“尺寸比例13.8m（埋管）/m²（集熱器）”選取，2400/13.8≈174m²，水箱體積按照工程經(jīng)驗(yàn)值估算，1m²集熱器配50L水箱，故采用9m？不銹鋼保溫水箱兩個(gè)，水箱內(nèi)的水交替加熱，隔天使用，以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能系統(tǒng)最大蓄能量，忽略水箱自身的熱損失。

⑤當(dāng)太陽(yáng)能熱水供水溫度大于50℃時(shí)，流程2與流程3太陽(yáng)能熱水經(jīng)過(guò)負(fù)荷側(cè)板換與空調(diào)水進(jìn)行換熱，利用太陽(yáng)能熱水直接供暖；當(dāng)太陽(yáng)能熱水供水溫度在50℃到27℃時(shí)，太陽(yáng)能熱水經(jīng)過(guò)地埋側(cè)板換與地源水進(jìn)行換熱；當(dāng)太陽(yáng)能熱水供水溫度低于27℃時(shí)，不利用其熱量。

從圖6中可以看出：1.第一天和第四天流程3的系統(tǒng)COP最大，流程2和流程1基本相當(dāng)；2.第二天流程3和流程2的COP為0，此時(shí)機(jī)組并未啟動(dòng)；3.第三天流程3和流程2的COP起初為0，而后增大；4.第五天流程3的COP起初顯著大于其他流程，而后三者COP又趨于相同；5.橫向比較發(fā)現(xiàn)第二天流程1的COP相比第一天呈現(xiàn)急劇上升和急劇下降的趨勢(shì)。

產(chǎn)生這些變化的原因：①?gòu)膱D7中可以看出，第一天和第四天流程3地源側(cè)回水溫度整體上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流程1和2，水溫基本維持在25℃左右，這也是地源水只和太陽(yáng)能熱水換熱的結(jié)果，因此流程3機(jī)組的COP才會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流程1和2；②第二天流程3和流程2的熱泵機(jī)組沒(méi)有開(kāi)啟，從圖8中可以看出此時(shí)太陽(yáng)能熱水水溫在50℃以上，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立供暖，不需要熱泵機(jī)組；③從圖8中可以看出第三天起初太陽(yáng)能水溫在50℃以上，因此流程2和流程3熱泵機(jī)組起初沒(méi)有開(kāi)啟，而后隨著持續(xù)供暖對(duì)太陽(yáng)能熱水熱量的消耗，水溫降低到50℃以下，熱泵機(jī)組才開(kāi)啟；④第五天起初太陽(yáng)能熱水溫度在27℃到50℃之間，熱水經(jīng)過(guò)地埋側(cè)板換換熱，但隨著熱量的釋放，熱水水溫也降到了27℃以下，此時(shí)三種流程的地源側(cè)水只經(jīng)過(guò)地埋管，因此呈現(xiàn)出近似的溫度水平；⑤從圖7可以看出地源側(cè)回水水溫也有類(lèi)似COP的急上急下的特征，這也是導(dǎo)致COP如此變化的表面原因，而通過(guò)觀察圖8可以發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水供水溫度從原來(lái)的60℃左右急劇下降到25℃左右，說(shuō)明此時(shí)地埋側(cè)板換與太陽(yáng)能熱水的換熱量大，而如此大的換熱量說(shuō)明地源水經(jīng)過(guò)地埋管和機(jī)組水溫下降幅度大，從而推導(dǎo)出地源水從板換吸收的熱量大部分被地埋管所吸收。

3.2系統(tǒng)能耗水平比較研究

從圖9可以看出流程3系統(tǒng)一年總能耗最低，其次為流程2，流程1能耗水平最高，相對(duì)于流程1的能耗水平，流程3節(jié)能率為13%，流程2節(jié)能率為10%。

流程2的節(jié)能途徑主要是利用太陽(yáng)能直接供暖，而流程3的節(jié)能途徑主要是利用太陽(yáng)能的直接供暖和COP的提高。具體說(shuō)來(lái)，可以從圖6和圖7可以看出，流程3中地源水通過(guò)地埋側(cè)板換換得的水溫在25℃左右，可以明顯提高系統(tǒng)COP，達(dá)到節(jié)能效果；而從圖10可以看出流程3的太陽(yáng)能直接供暖總量要比流程2更大，原因可以從圖8看出，流程3對(duì)于熱水的梯級(jí)利用更加平穩(wěn)，每天制熱結(jié)束時(shí)水溫都都要高于其它流程，這樣第二天制取的太陽(yáng)能熱水水溫就更高，因而更有利于太陽(yáng)能熱水直接供熱，這樣流程3太陽(yáng)能直接供暖總量也就比流程2要大，更加節(jié)能。

3.3系統(tǒng)土壤溫度變化比較研究

從圖11可以看出流程1和流程2的土壤溫度變化規(guī)律相似，最后的土壤溫度分別為11.25℃和11.29℃，土壤一年的溫降分別為0.75℃和0.71℃；而流程3的土壤變化趨勢(shì)與流程1和流程2接近，最后的土壤溫度為11.05℃，土壤一年的溫降為0.95℃，相比流程1和流程2溫降加大。

參考圖12可以看出土壤整體的熱量變化和溫度變化情況一致，流程1的土壤熱量減少了40954961kJ，流程2的土壤熱量減少了38704686kJ，流程3的土壤熱量減少了46460310kJ，可見(jiàn)流程3土壤減少的熱量最多，流程1其次，流程2最少。具體來(lái)說(shuō)，土壤整體熱量的變化可以分為兩部分，一部分是土壤同地埋管的熱量交換，另一部分是土壤與周?chē)寥阑蚱渌橘|(zhì)的熱量交換。從圖13可以看出，流程3的土壤被地埋管吸收的熱量也是最大，而流程1和流程2基本相當(dāng)。其原因可以從圖8看出，流程3的太陽(yáng)能熱水熱量基本沒(méi)有排向土壤，而流程1和流程2的太陽(yáng)能熱水熱量通過(guò)地埋管大部分被土壤所吸收，因此才會(huì)出現(xiàn)圖13的熱量變化情況；而從圖14可以看出流程1土壤散失的熱量最大，流程2其次，流程3最小，這是因?yàn)榱鞒?土壤吸收的太陽(yáng)能熱量越多，土壤自身散失的熱量也就越大，文獻(xiàn)也可以佐證這一觀點(diǎn)。

4.太陽(yáng)能熱水梯級(jí)利用適用性

對(duì)于太陽(yáng)能熱水的梯級(jí)利用的必要條件是熱水溫度要達(dá)到50℃以上，而如果供熱期太陽(yáng)輻射不足將導(dǎo)致熱水水溫不能達(dá)到50℃以上，因此太陽(yáng)能熱水的梯級(jí)利用并不是適用于所有地區(qū)。就適用性問(wèn)題本文選取了太陽(yáng)能資源分布的一二三類(lèi)地區(qū)的代表城市進(jìn)行太陽(yáng)能制熱水?dāng)?shù)值模擬（四類(lèi)五類(lèi)地區(qū)大多屬南方地區(qū)，一般不需要太陽(yáng)能土壤源熱泵系統(tǒng)）。制熱循環(huán)選取上述流程中太陽(yáng)能制熱水循環(huán)，太陽(yáng)能資源一類(lèi)地區(qū)選取銀川，二類(lèi)地區(qū)選取太原，三類(lèi)地區(qū)選取濟(jì)南。

從圖15圖16圖17可以看出，銀川市太陽(yáng)能熱水箱水溫總體分布上要明顯高于太原市，而太原市要高于濟(jì)南市，一年內(nèi)具體水溫超過(guò)50℃的時(shí)間量可以參考表2。

從表二可以得出：太陽(yáng)能資源較豐富的地區(qū)采用太陽(yáng)能熱水的梯級(jí)利用更為合適，具體看來(lái)一類(lèi)和二類(lèi)地區(qū)在太陽(yáng)能土壤源熱泵系統(tǒng)中可以采用太陽(yáng)能熱水的梯級(jí)利用，而三類(lèi)及三類(lèi)以下的地區(qū)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況考慮是否采用太陽(yáng)能熱水的梯級(jí)利用。

5.結(jié)論

5.1在太陽(yáng)能資源較豐富的地區(qū)的太陽(yáng)能土壤源熱泵系統(tǒng)中，太陽(yáng)能熱水的梯級(jí)利用不僅可以平衡土壤熱量及溫度，還可以起到節(jié)能的作用，其節(jié)能率可達(dá)到10%左右。其原因主要在于對(duì)于溫度高于50℃的這部分熱水的熱量的利用是不經(jīng)熱泵機(jī)組的直接利用，這樣更有利于系統(tǒng)的節(jié)能。

5.2在太陽(yáng)能土壤源熱泵系統(tǒng)的梯級(jí)利用流程中，流程2不僅可以提高熱水對(duì)于平衡土壤熱量及溫度的效果，還可以起到一定的節(jié)能效果，而流程3相較于流程2節(jié)能效果更明顯，但是其土壤熱平衡性卻不如流程2，也不如流程1。當(dāng)然三者對(duì)于以供暖為主的地區(qū)而言都不能完全平衡土壤熱量及溫度，因此實(shí)際運(yùn)行時(shí)可根據(jù)土壤溫度變化情況適當(dāng)進(jìn)行過(guò)渡季節(jié)蓄熱運(yùn)行。

5.3流程1和流程2中太陽(yáng)能熱水的熱量都有被土壤所吸收，這也是這兩個(gè)流程的土壤熱平衡性好于流程3的原因，而土壤吸收的熱量并沒(méi)有完全返還給地源水，大部分熱量被土壤自身所散失，這也是這兩個(gè)流程的節(jié)能性不如流程3的部分原因。

5.4太陽(yáng)能土壤源熱泵系統(tǒng)中太陽(yáng)能熱水的梯級(jí)利用更適用于太陽(yáng)能資源分布的一類(lèi)及二類(lèi)地區(qū)，而三類(lèi)及三類(lèi)以下的地區(qū)因?yàn)樘?yáng)輻射不足而造成可供直接利用的太陽(yáng)能熱水熱量不足，因此要根據(jù)實(shí)際情況采用相應(yīng)的運(yùn)行策略。