趙忠超，豐威仙，鞏學梅，米浩君，成 華，云 龍

(1.江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

(2.寧波工程學院建筑工程學院，浙江寧波315016)

太陽能－地源熱泵是一種使用清潔可再生能源、環(huán)保、低能耗的理想系統(tǒng).自1956年Penrod提出太陽能集熱器與地源熱泵組合的設想［1］并于1969年給出系統(tǒng)的設計過程和方法后［2－3］，學者們對該類系統(tǒng)進行了大量研究［4－8］.進入21世紀，隨著世界各國對能源與環(huán)境問題更加重視，太陽能－地源熱泵系統(tǒng)的研究得到了進一步的發(fā)展.文獻［9］首次以TRNSYS為模擬平臺，證明了在寒冷地區(qū)，混合地源熱泵系統(tǒng)在經(jīng)濟上是可行的，節(jié)能效果明顯.文獻［10］通過對太陽能與地源熱泵復合系統(tǒng)的模擬提出了最佳配置和運行方式.文獻［11］設計了太陽能－地源熱泵復合控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了多能源的綜合互補利用，同時，系統(tǒng)將模糊PID控制算法與自動變頻急速相結合，提高了對采暖末端溫度的控制精度，降低能耗.

目前，針對太陽能－地源熱泵復合系統(tǒng)研究技術手段主要采用理論分析和模擬分析，而采用實驗研究較少，缺乏太陽能與地源熱泵聯(lián)合運行的實驗數(shù)據(jù)，對其運行性能缺乏足夠的認識.因此對太陽能－地源熱泵復合系統(tǒng)進行實驗研究，對掌握其運行特性，具有重要意義.文中利用寧波某公用建筑的復合系統(tǒng)，對太陽能輔助地源熱泵供暖進行實驗研究，獲得了SAGSHP供暖運行特性變化規(guī)律，驗證了太陽能輔助地源熱泵供暖性能優(yōu)于地源熱泵單獨供暖，SAGSHP供暖在技術上是完全可行的.

1 實驗系統(tǒng)

為了研究太陽能輔助地源熱泵的供暖性能，文中對寧波某公用建筑的太陽能－地源熱泵復合系統(tǒng)進行實驗研究.該實驗系統(tǒng)由兩套機組參數(shù)相同的獨立的太陽能－地源熱泵復合系統(tǒng)組成，如圖1.系統(tǒng)主要包括6個部分:水源熱泵機組、地埋管換熱系統(tǒng)、空調(diào)末端系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、太陽能集熱系統(tǒng)和生活熱水系統(tǒng).其中，兩套系統(tǒng)的空調(diào)末端相互獨立，GSHP系統(tǒng)對該建筑右邊9個辦公室進行供暖，SAGSHP系統(tǒng)對左邊9個辦公室供暖，建筑左右兩邊辦公室規(guī)格及熱負荷皆相同.系統(tǒng)的主要設備及性能參數(shù)如表1.通過四通換向閥，系統(tǒng)在供暖模式和制冷模式間轉換.

圖1 太陽能－地源熱泵復合實驗系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of experimental system

表1 實驗系統(tǒng)主要設備與性能參數(shù)Table 1 Main characteristics of system

2 運行模式

通過閥門的開啟與關閉，該空調(diào)系統(tǒng)可進行多種運行模式.文中主要研究冬季工況下的GSHP供暖模式和SAGSHP供暖模式.

1)GSHP供暖模式

此時，地埋管換熱器與熱泵機組的蒸發(fā)器相接，空調(diào)末端與冷凝器相接，通過制冷劑循環(huán)，不斷從地下土壤中吸收熱量供暖.從圖1可看出，當閥門1～2，8，10和 15開啟，閥門3～7，9及 11～14關閉時，地埋側循環(huán)水僅在蒸發(fā)器和地埋管間循環(huán)流動，熱泵只能通過地埋管換熱器從土壤中吸收熱量，地源熱泵單獨供暖.若室內(nèi)供暖要求不高時，負荷側水泵2驅動地埋管系統(tǒng)內(nèi)水直接通過風機盤管供暖.此時，閥門3～4，8，10和15開啟，閥門1～2，5～7，9和12～14關閉，地埋管換熱系統(tǒng)直接供暖.

2)SAGSHP供暖模式

在此模式下，太陽能集熱器將太陽能轉化為熱能并將熱量轉移至生活熱水箱的熱水中.太陽能部分的換熱采取溫差控制，即系統(tǒng)的啟停取決于熱水溫度(Thw)和地埋管回水溫度(T2).當T2＜Thw時，閥門1～2，8，10和 13～14開啟，閥門 3～7，9，12及15關閉，閥門11開度由 T3，T4兩處的溫度控制，確保 T3≤60℃，T4≤25℃.如圖 1，循環(huán)水經(jīng)蒸發(fā)器換熱后，先進入地埋管與土壤換熱，再進入生活熱水箱中從熱水中吸收熱量，最后回到蒸發(fā)器，熱泵可從土壤和熱水中吸收熱量，太陽能輔助地源熱泵供暖.

3 實驗結果及分析

在冬季工況下，對GSHP供暖以及SAGSHP供暖進行實驗研究.實驗期為2011年11月30日～2012年2月30日.每天早上8∶30同時啟動兩套系統(tǒng)，分別按GSHP供暖模式以及SAGSHP供暖模式連續(xù)運行8 h，16∶30同時關閉系統(tǒng).計量設備的性能參數(shù)見表2，該工程配備一個數(shù)據(jù)采集裝置.運行期間，采集裝置每隔30s自動采集一次負荷側供回水溫度和流量、地埋管側供回水溫度和流量、熱泵機組功率及太陽輻照度等模擬信號，通過組態(tài)軟件中的顯示模塊將采集數(shù)據(jù)圖形化.由于數(shù)據(jù)龐大，經(jīng)過計算分析發(fā)現(xiàn)每天系統(tǒng)的參數(shù)變化曲線趨勢相同，故選取系統(tǒng)運行期間具有代表性時間段(8∶30～12∶00)進行分析.兩系統(tǒng)的地埋管回水溫度(T)隨時間變化規(guī)律如圖2.圖3為熱泵機組的某一時段的平均功率(W).表3為實驗數(shù)據(jù)，其中T1～T6為某一時段的平均溫度(T1為GSHP供暖地埋管供水溫度，T2為回水溫度;T3為SAGSHP供暖地埋管供水溫度，T4為回水溫度;T5為室內(nèi)供水溫度，T6為回水溫度)，v1～v2為某一段時間的平均流量(v1為負荷側流量，v2為地源側流量)，Whp1～Whp2為某一時段熱泵機組的平均功率(Whp1為GSHP供暖時機組的功率，Whp2為SAGSHP供暖時機組的功率)，G為某一時段內(nèi)太陽輻照度.

表2 計量設備性能參數(shù)Table 2 Characteristics of measure equipments

圖2 地埋管側回水溫度Fig.2 Inlet water temperature of ground heat exchanger

圖3 熱泵機組的功率Fig.3 Power of heat pump units

表3 實驗數(shù)據(jù)及計算結果Table 3 Experimental datum and the calculated values

從圖2可看出，SAGSHP供暖時的地埋管側回水溫度明顯高于GSHP單獨供暖.這是由于單一熱源的地源熱泵系統(tǒng)地埋管側循環(huán)水僅在蒸發(fā)器與地埋管間循環(huán)流動，而加入太陽能輔助熱源后循環(huán)水除了與土壤換熱外，還可從生活熱水箱的熱水中吸收熱量.地源熱泵單獨供暖時，地埋管側回水(進入蒸發(fā)器)的平均溫度為18℃，而加入太陽能作為輔助熱源后，地埋管側回水平均溫度升至20.4℃.

熱泵機組的功率隨時間的變化規(guī)律如圖3，兩種運行模式下的熱泵耗功曲線變化基本相同，均是隨著運行時間的增加，耗功量逐漸增大，至10∶30左右時達到最大值(SAGSHP供暖時，機組功率為4.8 kW，GSHP供暖時，機組功率為5.5 kW)，機組停止運行30 min，之后重新啟動.地源熱泵單獨供暖時，供暖負荷主要由土壤和電能承擔，而如上所述使用太陽能作為輔助熱源后地埋管回水溫度升高，故土壤負荷銳減，熱泵耗功也隨之減少，使用太陽能輔助熱源供暖時的耗功量明顯少于地源熱泵單獨供暖時熱泵耗功量.地源熱泵單獨供暖時，熱泵機組的平均功率為5.3 kW，而加入太陽能作為輔助熱源后，熱泵機組的平均功率降至4.5 kW.

熱泵機組能效比COP計算公式:

式中，Q為運行期間供給室內(nèi)的總熱量，J;Whp為熱泵機組的瞬時功率，W.

系統(tǒng)COP計算公式:

式中:WΣP為水泵等其他設備的瞬時功率，W.供給室內(nèi)熱量的計算公式:

式中:c為負荷側循環(huán)水的比熱容，J/(kg·℃);v為負荷側循環(huán)水流量，m3/h;ρ為循環(huán)水的密度，kg/m3;T5為負荷側供水溫度，℃;T6為負荷側回水溫度，℃.

太陽能作為輔助熱源，可利用式(4)計算集熱系統(tǒng)總集熱量［12］:

式中:Q1為太陽能集熱器的集熱量，J;η為太陽能集熱器的效率，η =0.8005－5.56Ti，Ti為歸一化溫差，根據(jù)參考文獻［13］，Ti=0.026 9;A為太陽能集熱器采光面積，m2;G為輻照度，W/m2;t為系統(tǒng)運行的時間，s.

表4為實驗研究中獲得的太陽能輔助地源熱泵的計算結果.

表4 計算結果Table 4 Calculated results

由表4可以看出，SAGSHP供暖時其機組COP以及整個系統(tǒng)的COP均比GSHP單獨供暖高，即SAGSHP供暖運行模式的性能要優(yōu)于GSHP.SAGSHP供暖時機組和系統(tǒng)的平均COP分別為3.8和2.8，GSHP單獨供暖時機組和系統(tǒng)的平均COP分別為3.3和2.6.進一步分析表4可得，當土壤與太陽能所承擔的負荷比例分別為58.1%(2408.69 kJ)與41.9%(1 736.07 kJ)時，使用太陽能作為輔助熱源，機組和系統(tǒng)的平均 COP分別提高了15.1%和7.7%.比較空調(diào)系統(tǒng)實際供熱量與理論供熱量(熱泵的能耗與地埋管吸熱量之和)，獲得熱不平衡率為7.5%，實驗系統(tǒng)設計及實驗手段較為合理.總之，增加太陽能輔助加熱設備后，冬季地埋管換熱器回水溫度和能效比均有較大提高.所以，從技術上來講，增加輔助加熱設備是完全可行的.

4 結論

文中采用寧波某公用建筑的太陽能－地源熱泵復合系統(tǒng)作為實驗系統(tǒng)，對GSHP單獨供暖及SAGSHP供暖進行實驗研究，獲得以下結論:與單一的地源熱泵相比，當太陽能承擔41.9%負荷時，地埋管側回水溫度提高了2.4℃，熱泵機組耗功量減少了0.8 kW，熱泵機組的COP提高了15.1%，整個系統(tǒng)的COP提高了7.7%，SAGSHP運行模式具有明顯的性能優(yōu)勢.實驗結果表明SAGSHP供暖節(jié)能效果顯著，增加輔助加熱設備在技術上是完全可行的.

References)

［1］Cube H L，Steimle F.熱泵的理論與實踐［M］.王子介，譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1986.

［2］Penrod E B，Prasanna K V.A Procedure for designing solar-earth heath pumps［J］.Heating Piping ＆ Air Conditioning，1969，41(6):97－100.

［3］Metz P D.The use of ground-coupled tanks in solar assisted heat pump system［J］.Transaction of ASE Journal of Solar Energy Engineering，1982，104(4):366 －372.

［4］Ozgener O，Hepbasli A.A review on the energy and exergy analysis os solar assisted heat pump systems［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2007，11:482－496.

［5］孔祥雷，周根明，陳育平.一種回收排水熱的新型熱泵式熱水器的設計［J］.江蘇科技大學學報:自然科學報，2009，23(5):407－410.Kong Xianglei，Zhou Gengming，Chen Yuping.Design of heat-pump water heater based on heat recovery of drainage［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology:Natural Science Edition，2009，23(5):407 －410.(in Chinese)

［6］Eicher S.Solar assisted heat pump for domestic hot water production［J］.Energy Procedia，2012，30:571 －579.

［7］Wang E，F(xiàn)ung A S，Qi C，et al.Performance prediction of a hybrid solar ground-source heat pump system［J］.Energy and Buildings，2012，47:600 －611.

［8］Farzin M，Alan S，Wey H.Feasibility of combined solar thermal and ground source heat pump systems in cold climate，Canada［J］.Energy and Buildings，2013，61:224－232.

［9］Andrew D Chiasson，Cenk Yavuzturk.Assessment of the viability of hybrid geothermal heat pump system with solar thermal collector［J］.ASHRAE Transactions，2003，109(2):487 －500.

［10］馮曉梅，張昕宇，鄒瑜，等.太陽能與地源熱泵復合系統(tǒng)的優(yōu)化配置與運行方式［J］.暖通空調(diào)，2011，41(12):79－83.Feng Xiaomei，Zhang Xinyu，Zou Yu，et al.Optimizing configuring and running-mode of solar energy and ground-source heat pump hybrid systems［J］.HV ＆AC，2011，41(12):79 －83.(in Chinese)

［11］程武山，李中彩.太陽能－地源熱泵復合控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.江蘇科技大學學報:自然科學報，2012，26(6):576－580.Cheng Wushan，Li Zhongcai.Design and implementation of the hybrid control system of solar energy and ground source heat pump ［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology:Natural Science Edition，2012，26(6):576 －580.(in Chinese)

［12］楊洪興，周 偉.太陽能建筑一體化技術與應用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［13］萬水.上海地區(qū)太陽能集熱器年平均集熱效率取值探討［J］.給水排水，2012，38(10):95－98.Wan Shui.Discussion on the average thermal efficiency of solar collectors in Shanghai［J］.Water ＆Wastewater Engineering，2012，38(10):95 － 98.(in Chinese)