太阳能-土壤源热泵复合系统优化与性能分析

丁力勤

（宁夏建设职业技术学院；宁夏银川 750000）

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.05.202

太阳能-土壤源热泵复合系统优化与性能分析

丁力勤*

（宁夏建设职业技术学院；宁夏银川 750000）

本文利用瞬时系统模拟软件（Trnsys）搭建了常规土壤源热泵系统及太阳能-土壤源热泵并联复合式系统的模型，并根据不同集热器单位面积流量和水箱体积等参数进行了模拟计算。结果表明，土壤源热泵系统性能系数达3.6～3.8，具有明显的节能优势。

太阳能；土壤源热泵；优化

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.05.202

0　引言

随着全球经济的高速发展，能源消耗量急剧增加。据统计，社会总能耗中建筑能耗所占比例约27.6%，其中建筑采暖空调能耗和热水能耗就将近65%。由此可以看出，建筑节能具有很大空间。为实现空调行业的可持续发展，学者们提出了一种高效节能的新技术——地源热泵系统[1-3]。地源热泵系统采用可再生清洁能源——地热能，降低环境污染，提高能源利用率。根据冷热源的不同可分为地表水源热泵系统、地下水源热泵系统和土壤源热泵系统，其中，由于土壤源热泵系统[4]具有取热不取水、无水污染、稳定性高等优势，目前被广泛应用。

在寒冷地区或严寒地区，部分建筑的总热负荷大于总冷负荷，因此多采用太阳能与土壤源热泵系统相结合的方式，为建筑提供所需的冷热量，同时在非供暖和空调季还可以提供生活热水，这样的结合方式不仅可以降低系统的费用，还能够提高系统的稳定性，环保经济，具有较好的应用前景。

近十年来，国内外学者才开始着重关注太阳能与土壤源热泵复合运行的系统，通过实验和模拟两种手段进行系统、部件等各方面的性能研究[5-7]。HEPBASLI等[8]为了清晰地反映系统热力性能与经济性之间的关系，从火用角度分析系统各部件的火用效率，提出改善系统效率的可行性措施。CHEN等[9]对不同形式的太阳能-土壤源热泵复合式系统进行建模，实现双热泵机组与太阳能集热器动态结合的模拟计算。但由于地理位置、气候条件及系统的特点不同，一般很难获得普遍的适用方案。因此，针对不同地区、不同建筑，必须对相应的系统进行模型搭建，模拟系统的动态运行情况，从而获得最优配置。

1　系统模型的简介

本文中建立了常规土壤源热泵系统和太阳能‐土壤源热泵并联复合式系统，所用到的模块部件主要有以下6个。

1）Type 668：水‐水源热泵机组模块。此部件工作状态为制热和制冷两种模式，即制热模式下从土壤中吸取热量，制冷模式下向土壤释放热量。水‐水源热泵机组的制冷制热能力是由源侧和负荷侧水的入口温度决定的，因此用户需要自己输入两个外部条件，即在不同源侧和负荷侧入口温度下对应的制冷量、制热量和功率。

2）Type 747：水泵模块。Trnsys中有很多根据不同原理编制建立的水泵部件，如定速水泵、变速水泵、变频水泵等。这里使用的是定速水泵模型，但是需要用户输入外部条件，即不同流量下对应的水头和泵效率。

3）Type 557：地下换热器模块。模型假设埋管均匀布置在蓄热体内，考虑了埋管内的对流传热和蓄热体的导热传热，通过计算总体、局部、稳定通量的温度进行叠加而获得土壤温度。此部件需要设置的参数有44个，如埋管尺寸参数、土壤物性参数和土壤初始温度等。

4）Type 73：太阳能集热器模块。本研究使用的是平板型集热器模型，由Hottel-whillier的稳态传热模型计算集热器的热效率，并采用流量修正、串联修正和入射角修正法对热效率方程进行修正。

5）Type 4：蓄热水箱模块。模型将水箱内的温度视为时间和空间上的函数，沿竖直方向将水箱分成N层，每层内部的温度均匀，层层之间存在温差，然后采用集总参数法对水箱内的温度进行计算。

6）Type 2：温差控制模块。此模块可根据设定的上下限监测某个值的变化范围，形成自动反馈，从而控制相关部件的启停。

2　仿真系统的建立

2.1太阳能-土壤源热泵复合式系统的分类及原理

太阳能与土壤源热泵相结合的复合式系统可以根据结合的方式分为3类。一种是串联复合式系统，即热泵源侧的循环流体经过埋管换热后再进入集热器，如图1；一种是并联复合式系统，即热泵源侧的循环流体一部分通过埋管换热，另一部分通过集热器换热，如图2；还有一种是混联复合式系统，这种系统比较复杂，即一部分埋管利用太阳能来蓄热，另一部分埋管给建筑提供热量，两部分埋管交替使用，如图3。

图1　串联复合式系统

图2　并联复合式系统

图3　混联复合式系统

2.2常规土壤源热泵系统及太阳能-土壤源热泵并联复合式系统的建模

2.2.1建筑负荷计算

本文选用位于中国寒冷地区的一座办公建筑，其空调面积为1,586.44 m2左右。设计空调季节时间为6月1日到8月31日，供暖季节时间为11月15日到次年的3月15日。利用Dest能耗软件进行全年动态负荷计算（见图4），计算得总热负荷为总冷负荷的1.73倍，见表1。

图4　建筑全年动态负荷

表1　建筑负荷相关数据

2.2.2常规土壤源热泵系统的建模

根据建筑负荷特点，选择符合要求的热泵机组，需要计算出热泵机组制冷工况下不同蒸发温度和冷凝温度对应的制冷量和功率，以及制热工况下不同蒸发温度和冷凝温度对应的制热量和功率。其相关性能曲线根据厂家给出的台佳地源热泵机组修正系数计算获得，见图5和图6。

图5　热泵机组制冷工况性能数据

图6　热泵机组制热工况性能数据

利用Trnsys中的模块部件，搭建土壤源热泵系统模型，在建立常规土壤源热泵系统模型过程中，对热泵机组和水泵的控制至关重要。热泵机组的制热制冷信号切换由季节运行时间控制。而热泵机组和水泵的运行控制由日运行时间以及系统回水温度范围决定。本文建立的系统中，采用软件自带的控制器进行回水温度的自动控制，使得系统的回水温度在规定的范围内变化。如冬季供暖期，当系统回水温度超过限定的温度上限，则控制器输出信号使得机组停止运行；当系统回水温度低于限定的温度下限，则控制器输出信号使得机组开启。同理可知夏季的系统回水温度对机组的启停影响，这里不加赘述。

2.2.3太阳能-土壤源热泵并联复合式系统的建模

在常规土壤源热泵系统的基础上并联太阳能集热系统，构成太阳能‐土壤源热泵并联复合式系统。

太阳能‐土壤源热泵并联复合式系统模型中利用控制部件，实现热泵源侧的循环流体在规定的时间段按比例分配到埋管和集热系统中，进行热量交换。而为防止在太阳辐射不足时循环流体通过集热器向外放热，必须增加一个温差循环运行控制器。一般在集热器出口和蓄热水箱底部设置温度传感器，当集热器出水和蓄热水箱底部的温差大于设定值（取5℃～10℃）时，控制器启动循环水泵运行，集热器可将热量传输给蓄热水箱；当两者的温差小于设定值（取2℃～5℃）时，控制器控制循环水泵停止运行，即集热系统停止运行。

3　系统性能的优化与分析

本文在搭建太阳能‐土壤源热泵并联复合式系统模型过程中，太阳能集热系统的集热器面积可以根据建筑负荷而确定。利用Trnsys动态模拟软件[11-15]对太阳能‐土壤源热泵并联复合式系统及常规土壤源热泵系统进行模拟计算，分别比较太阳能集热系统中相关设计参数取不同值时（即集热器单位面积流量和水箱体积），供暖期间两种系统的热泵机组月平均性能系数（COP）、系统月平均COP以及热泵机组和系统能耗等参数的变化情况，从而获得系统的最优参数配置。

1）集热器面积为144 m2，集热器单位面积流量取50 kg/(h·m2)，水箱体积按照规定的集热器‐水箱比例范围[10]取值。比较常规土壤源热泵系统与并联复合式系统的运行性能和能耗。

图7和图8分别对应水箱体积为3 m3、7.5 m3、10.5 m3和13.5 m3时，供暖期并联复合式系统与常规土壤源热泵系统的运行性能。由图可知，供暖期并联复合式系统性能明显优于常规土壤源热泵系统，热泵机组月平均COP提升值在0.3～0.7。并联复合式系统中，当水箱体积较小时，太阳能对热泵机组月平均COP和系统月平均COP的提升效果也较小。随着水箱体积的增大，集热系统中的循环流体与热泵源侧出口的循环流体在水箱中混合更充分，换热效果有一定的提升。当水箱体积增加到13.5 m3时，热泵机组和系统的月平均COP提升最大，最大可达到4.98和4.21左右。

图7　集热器单位面积流量为50 kg/(h·m2) 时热泵COP比较

图8　集热器单位面积流量为50 kg/(h·m2) 时系统COP比较

由图9和图10可以看出，供暖期太阳能‐土壤源热泵并联复合式系统的热泵能耗和系统能耗都有不同幅度的降低。而在不同水箱体积参数下，当水箱体积取13.5 m3时，由于此时的并联复合式系统的运行性能最优，因此热泵能耗和系统能耗减小的幅度达到最大。供暖期，太阳能‐土壤源热泵并联复合式系统相比于常规土壤源热泵系统，此时并联复合式系统的热泵机组能耗的减小值达到1,639.98 kW·h，系统能耗的减小值则达到2,043.57 kW·h。

图9　集热器单位面积流量为50 kg/(h·m2) 时热泵能耗比较

图10　集热器单位面积流量为50 kg/(h·m2) 时系统能耗比较

2）集热器单位面积流量取72 kg/(h·m2)，其他参数如上设置，比较供暖期间太阳能‐土壤源热泵并联复合式系统与常规土壤源热泵系统的运行性能和能耗情况。

图11和图12分别是集热器单位面积流量取72 kg/(h·m2)时，太阳能‐土壤源热泵并联复合式系统与常规土壤源热泵系统在供暖期间的热泵机组月平均COP及系统月平均COP的变化情况。由图可以看出，供暖期，随着水箱体积的增大，并联复合式系统的热泵机组月平均COP及系统月平均COP都有不同幅度的增加，增加幅度最大分别可达到0.63及0.55左右。

图11　集热器单位面积流量为72 kg/(h·m2) 时热泵COP比较

图12　集热器单位面积流量为72 kg/(h·m2) 时系统COP比较

由图13和图14可以看出，供暖期，当水箱体积为13.5 m3时，热泵机组及系统的月平均性能系数最大，所以此时并联复合式系统的能耗达到最低。这是因为水箱体积增大，从热泵源侧进入水箱的循环流体与集热系统内的流体换热更充分，增加了热泵源侧的进口温度，从而提高热泵机组及系统的运行性能。

图13　集热器单位面积流量为72 kg/(h·m2) 时热泵能耗比较

图14　集热器单位面积流量为72 kg/(h·m2) 时系统能耗比较

3）选定水箱体积为13.5 m3，比较不同集热器单位面积流量时的系统性能（见图15）。

图15　不同集热器单位面积流量下的系统COP比较

由模拟结果可知，供暖时期并联复合式系统的性能优于常规土壤源热泵系统，而当集热器单位面积流量取较小值、水箱体积取较大值时，热泵机组及系统的运行性能更优。这是因为集热器内循环流体流动速度减慢，吸收的太阳辐射量增加，从而提高换热效率；而水箱体积在一定范围内取较大值时，热泵源侧的循环流体会从太阳能集热系统中吸收更多热量，提高源侧的进口温度，从而提升系统的运行性能。

通过表3可以看出，并联复合式系统的初投资相同时，当集热系统中的设计参数取值不同，相对的系统能耗和能源节约率都会有所变化。结果表明，集热器单位面积流量较小时系统的能源节约率较高，收益也较大。

表3　不同集热器单位面积流量的并联复合式系统与常规土壤源热泵系统比较

4　结论

1）从供暖季节模拟结果看，常规土壤源热泵系统的热泵机组COP高达4.2～4.5，而系统的运行性能也在3.6～3.8左右，相比一般的空调系统具有明显的节能优势，同时因对环境无气体水污染，环保性能也很高。

2）针对特定地区、特定建筑，建立太阳能‐土壤源热泵复合式系统，根据设计规范来选择相关设备的参数并不会使系统性能达到最佳，必须进行多组参数的模拟计算。由本文的结果表明，集热器面积为144 m2，集热器单位面积流量在50 kg/(h·m2)，水箱体积为13.5 m3时，系统及热泵机组的运行性能更优，能源节约率更高。

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System Optimization and Performance Analysis of Solar Energy and Ground-source Heat Pump Hybrid System

DING Li-qin*
(Ningxia Construction Vocational and Technical College,Yinchuan,Ningxia 750000,China)

The models of ground-source heat pump system and the solar energy and ground-source heat pump shunt-wound hybrid system have been built by transient system (Trnsys) simulation software,and the simulation calculation has been processed according to the flow rate per unit area and water tank volume for different collectors. According to the simulation results,the coefficient of performance of the ground-source heat pump system is 3.6～3.8,and the system has advantages on energy saving,

Solar energy； Ground-source heat pump system； Optimization

*丁力勤（1988-），女，助教，硕士。研究方向：新能源。联系地址：宁夏回族自治区银川市西夏区宁夏建设职业技术学院，邮编：750000。联系电话：18408409552。E-mail：dlqhaidai@126.com。