馬玉國 呂 建 段月強

1天津城市建設學院能源與安全工程學院

2上海聯(lián)創(chuàng)國際武漢分公司

天津地區(qū)太陽能-土壤源復合式熱泵系統(tǒng)性能研究

馬玉國1呂 建1段月強2

1天津城市建設學院能源與安全工程學院

2上海聯(lián)創(chuàng)國際武漢分公司

北方某些地區(qū)由于冷熱負荷的不平衡性，單一的土壤源熱泵系統(tǒng)受到限制。太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)是一種有效利用可再生能源的系統(tǒng)形式。本文對天津地區(qū)太陽能輻射情況、建筑全年逐時冷熱負荷量及復合熱泵系統(tǒng)的制熱機組效率進行研究，分析在天津地區(qū)太陽能-土壤源復合熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性。

太陽能土壤源熱泵機組效率節(jié)能性

0 引言

土壤源熱泵因其節(jié)能和環(huán)保性而被廣泛應用，但是對于寒冷地區(qū)，可能出現(xiàn)建筑的熱負荷遠大于冷負荷，冬季熱泵機組向地埋管的吸熱量大于夏季向地下的排熱量[1]。為了滿足冬季熱負荷的需要，勢必要加大地熱換熱器的配置，造成系統(tǒng)初投資的增加，而且由于冬夏季冷熱負荷的不平衡造成了地下溫度場的變化，導致了熱泵機組效率的下降，所以，單一的土壤源熱泵系統(tǒng)受到限制。太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)是一種復合式地源熱泵系統(tǒng)，既能有效解決土壤源熱泵長期運行引起土壤溫度的變化，保持土壤溫度的穩(wěn)定性，又能彌補太陽能的不穩(wěn)定性、間歇性的缺點[2]，實現(xiàn)連續(xù)供暖和供應生活熱水。

國外對土壤源熱泵的研究較早，而對太陽能-土壤源熱泵復合熱泵系統(tǒng)的研究則不多；國內(nèi)只在近幾年才開始對土壤源熱泵、太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)進行基礎性研究，基本上處在起步階段，尤其針對北方某一確定地區(qū)的研究更少。本文以天津地區(qū)的氣候條件及建筑冷熱負荷為切入點分析太陽能-土壤源復合熱泵系統(tǒng)在天津地區(qū)的可行性，并通過模擬以及實驗的方法，對復合熱泵的機組效率及節(jié)能性與單一土壤源熱泵系統(tǒng)進行比較，研究復合熱泵系統(tǒng)應用的合理性。

1 天津地區(qū)太陽能資源分析

據(jù)估算，我國的陸地表面每年可接收的太陽輻射能大約為50×1018kJ，太陽能年輻射總量達335～837 kJ/cm2·a，可折算為2.4×104t標準煤，屬于太陽能資源豐富的國家。根據(jù)我國的太陽能資源分布，可劃分為五類地區(qū)[3]。天津?qū)儆诙惖貐^(qū)，近30年太陽總輻射量的平均值約為5966MJ/m2，其中太陽輻射量最大值約為6409.7MJ/m2，最少則僅為5400.4MJ/m2。天津地區(qū)太陽輻射量較大，為太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)提供了便利條件。實行土壤源熱泵和太陽能的聯(lián)合運行，不僅充分利用太陽能這一可再生能源，彌補了太陽能不穩(wěn)定、密度低的缺陷，而且可解決土壤溫度下降的問題。深入研究太陽能與土壤源熱泵結(jié)合的復合源熱泵系統(tǒng)對社會節(jié)能有較為深遠的意義。

2 理論分析

2.1 TRNSYS模型建立

太陽能-土壤源復合熱泵系統(tǒng)的模型建立由四部分組成分別為：建筑模型、土壤源熱泵系統(tǒng)、太陽能系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。其主要應用的模塊有：全玻璃真空管集熱器模塊、循環(huán)水泵模塊、蓄熱水箱模塊、地埋管換熱器以及暖通HVAC等。土壤源熱泵系統(tǒng)主要有：熱泵機組模塊、循環(huán)水泵模塊、地埋管模塊。TRNSYS模型如圖1。

圖1 Trnsys模型建立

2.2 模擬結(jié)果分析

本文選取的建筑位于天津地區(qū)，建筑面積為1600m2。用TRNSYS模擬軟件模擬天津地區(qū)該建筑的全年逐時冷熱負荷，根據(jù)天津地區(qū)的氣候特點設定其供暖季為：11月15日到第二年的3月15日總計為120天，夏季空調(diào)季為6月15日到9月13日，共計90天，其他時間為過渡季節(jié)。供暖季室內(nèi)的設定溫度為18℃；其通風次數(shù)為0.5次/h。其冬季模擬結(jié)果如圖2?？照{(diào)季室內(nèi)的設定溫度為26℃，其通風換氣次數(shù)為1.0次/h。夏季冷負荷的模擬如圖3。

圖2 夏季冷負荷模擬結(jié)果

圖3 冬季熱負荷模擬結(jié)果

由圖2、3可知空調(diào)季的冷負荷峰值比較大，但是其高峰值出現(xiàn)的時間點比較少，而且冷負荷波動比較大；而冬季的熱負荷峰值小于夏季的冷負荷峰值，但冬季比較穩(wěn)定，甚至連續(xù)幾天的負荷值都接近，這樣就造成了冬季的累計熱負荷要遠大于夏季的累計冷負荷如表1。

表1 建筑物冬夏季負荷比較

建筑物冬季累計熱負荷為3996.8kW·h，夏季的累計冷負荷為1630.5kW·h；根據(jù)土壤源熱泵冬季設計工況COP=3.5、夏季設計工況COP=4可得：冬、夏季吸排熱量累計分別為：2854.6 kW·h、2039.2kW·h，冬夏季的吸熱量與排熱量之差是815.4 kW·h，其不平衡率為39.9%。

由于天津地區(qū)的冷熱負荷不平衡，長時間運行會導致土壤溫度下降從而破壞土壤層溫度場，土壤源熱泵長期單獨運行就會使土壤溫度下降，甚至土壤中的水分結(jié)冰從而造成植物的死亡、破壞生態(tài)平衡[4]。以20年為運行周期，通過TRNSYS軟件建立的土壤源熱泵運行模型，連續(xù)運行20年后土壤平均溫度和地埋管出水溫度見圖4。

圖4 單一土壤源熱泵運行20年地下溫度變化情況

由圖4可以看出，長期單獨運行土壤源熱泵時土壤溫度是逐年下降的，充分利用天津地區(qū)豐富的太陽能資源，不僅克服熱泵長期運行造成土壤溫度的下降問題，給土壤溫度一個恢復期，而且可達到節(jié)能的目的。

圖5、6分別為土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能-土壤源復合熱泵系統(tǒng)的COP隨時間變化的模擬結(jié)果，由圖可看出太陽能-土壤源復合熱泵系統(tǒng)的COP明顯要比單一土壤源系統(tǒng)的COP高，復合源熱泵的COP值最大可達到4.7左右，而土壤源熱泵的COP值最高才達到3.3左右，由此可以看出復合源熱泵相對于單熱源的熱泵的節(jié)能性有明顯的優(yōu)勢，通過計算，其節(jié)能率可達到30%左右。

圖5 單一土壤源熱泵系統(tǒng)COP隨時間變化曲線

圖6 太陽能-土壤源復合熱泵系統(tǒng)的COP隨時間變化曲線

3 實驗測試系統(tǒng)分析

3.1 實驗測試系統(tǒng)建立

試驗系統(tǒng)主要有四部分組成：熱泵機組、測量控制系統(tǒng)、地埋管及太陽能集熱器。系統(tǒng)圖如圖7。末端裝置為采暖地盤管。

圖7 太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供暖系統(tǒng)圖

3.2 實驗測試結(jié)果分析

由天津地區(qū)太陽能資源分析實測數(shù)據(jù)可知天津地區(qū)的太陽能輻照強度在11:00～13:00時為最強的，在此時間段如果條件允許可以采用太陽能供暖，在7:00～9:00、14:00～19:00時由于太陽輻照強度比較弱此時段必須運行土壤源熱泵以保證用戶需求，夜間需單獨運行土壤源熱泵系統(tǒng)供暖。圖8可以看出太陽能側(cè)的回水溫度在8.2℃左右，在11:00后水溫開始趨于穩(wěn)定狀態(tài)，溫度波動變化不大穩(wěn)定在20℃左右，在15:30以后由于太陽輻照強度的下降，集熱器的產(chǎn)熱也開始下降。

圖8太陽能集熱器的進出口水溫圖

圖9 實測數(shù)據(jù)表明熱泵機組運行時，熱泵機組蒸發(fā)器側(cè)的出水溫度為6.5℃，蒸發(fā)器側(cè)的進水溫度為10.6℃。由圖9可以得到地埋管系統(tǒng)在初運行時地埋管系統(tǒng)內(nèi)水的溫度較高，分析其原因主要是：剛開始運行土壤中儲蓄的熱量充足以致水溫接近土壤的溫度，造成了淺層地埋管內(nèi)水的溫度較高。由圖9可以看出進出口水溫波動比較大其主要原因是：其熱源的不穩(wěn)定性，造成了水溫波動比較大。

圖9 土壤源蒸發(fā)器側(cè)的供回水溫度

由圖10實測數(shù)據(jù)可知熱泵機組蒸發(fā)器平均出水溫度為8.2℃，蒸發(fā)器平均進水溫度為13.2℃，采用太陽能-土壤源復合熱泵的系統(tǒng)的蒸發(fā)器側(cè)進水溫度明顯要高于單獨的土壤源側(cè)，這就使系統(tǒng)的COP值提高，而且其波動的頻率小于單獨的土壤源說明太陽能的加入提高了系統(tǒng)熱源的穩(wěn)定性。

圖10 復合源側(cè)的供回水溫度

圖11所示土壤源與復合源熱泵系統(tǒng)的COP值。由圖11可知太陽能-土源熱泵的COP明顯高于土壤源熱泵，當太陽輻射強度在最大值時兩種運行方式的COP差值明顯增大如圖所示即：兩曲線的間距比曲線兩端較大，當輻射角度較弱時，兩曲線之間的間距減小，兩種運行模式的COP差值減小，由此可以推出太陽能輻射強度的大小對太陽能-土壤源熱泵的運行費用以及其節(jié)能性起著至關(guān)重要的作用。從節(jié)能、運行費用的角度考慮復合源熱泵系統(tǒng)明顯優(yōu)于土壤源熱泵系統(tǒng)。

圖11 復合源熱泵與土壤源熱泵的COP

4 結(jié)論

1）從天津地區(qū)的太陽輻射情況及天津地區(qū)建筑全年逐時冷熱負荷量為切入點，太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)存在必要性。

2）通過分析天津地區(qū)太陽能資源與實測太陽能輻射值，在冬季初期，可以單獨采用太陽能采暖，不僅充分利用這一可再生能源，達到節(jié)能的目的，而且給土壤溫度場一個恢復期。

3）通過數(shù)值模擬與實驗測試，太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)COP要高于單一土壤源熱泵系統(tǒng)，復合源熱泵系統(tǒng)比單一土壤源熱泵系統(tǒng)更節(jié)能，其節(jié)能率可達到30%左右。

[1]王雁生,王成勇.太陽能+地源熱泵并聯(lián)熱水系統(tǒng)冬季運行特性研究[J].通空調(diào),2009,39(9):70-74

[2]李朝佳,孫友宏,吳曉寒.太陽能輔助地源熱泵聯(lián)合供暖(制冷)運行模式分析[J].能源工程,2008,(6):35-38

[3]王徵,邱大雄,顧樹花.我國開發(fā)太陽資源綜述[J].中國管理科學,1997,5(2):42-49

[4]Florides G,Kalogirou S.Ground heat exchangers A review of systems,modelsand applications[J].Renewable Energy,2007, 32:1-8

The Pe rfo rm an c e Ana lys is o f So la r Ene rgy-G round Sou rc e Com b ined w ith Hea t Pum p Sys tem in Tian jin Reg ion

MA Yu-guo1,LV Jian1,DUAN Yue-qiang2
1Schoolof Energy and Safety Engineering,Tianjin InstituteofUrban Construction
2 ShanghaiNew InternationalWuhan Branch

Because of the imbalance in cold and hot load in northern China,the application of single soil source heat pump system is lim ited.The solar energy assisted heat pump system is a kind of effective form to take advantage of renewable energy source.The solar radiation,building all-year hourly cooling and heat load and the unitefficiency of composite heatpump were discussed,and the performance of solarenergy-ground source combined heatpump system in Tianjin regionwasanalyzed.

solarenergy,soilsource heatpump,unitefficiency,energy-saving

1003-0344（2014）02-044-4

2013-4-23

馬玉國（1987～），男，碩士研究生；天津市西青區(qū)津靜公路26號天津城市建設學院能源與安全工程學院（300384）；E-mail:cjmyg1987@163.com