唐汝寧 張慧敏

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

嚴(yán)寒地區(qū)建筑能耗主要為冬季采暖能耗，冷熱負(fù)荷極不平衡。單獨(dú)使用地源熱泵，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生地下土壤熱失衡問(wèn)題，而太陽(yáng)能又有間歇性和不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)，為緩解這一問(wèn)題利用了太陽(yáng)能—地源熱泵耦合系統(tǒng)[1-2]。該系統(tǒng)既能利用土壤源克服太陽(yáng)能的間歇性，又可利用太陽(yáng)能起到緩解土壤溫度的恢復(fù)壓力，提高系統(tǒng)的能效，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 耦合系統(tǒng)工作原理

圖1為太陽(yáng)能—地源熱泵耦合系統(tǒng)圖，此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)夏季供冷、冬季供熱、過(guò)渡季土壤蓄熱三種運(yùn)行模式。每種模式包含若干工況，可以通過(guò)閥門(mén)的切換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行模式和工況的轉(zhuǎn)變。太陽(yáng)能地源熱泵耦合系統(tǒng)的運(yùn)行模式見(jiàn)表1。

圖1 太陽(yáng)能—地源熱泵耦合系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)可通過(guò)閥門(mén)的切換實(shí)現(xiàn)夏季供冷、冬季供熱、過(guò)渡季土壤蓄熱三種運(yùn)行模式，其中在供熱期可分為兩種運(yùn)行模式，見(jiàn)表1。在供熱期，如太陽(yáng)能所蓄熱量不足以提供建筑熱負(fù)荷，則采用模式1運(yùn)行模式，該模式具體過(guò)程為：載熱流體經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能集熱器得到熱量，進(jìn)入蓄熱水箱使水箱中水溫升高，同時(shí)地埋管側(cè)載熱流體從水箱中流出進(jìn)入熱泵機(jī)組，完成一個(gè)環(huán)路。如太陽(yáng)能所蓄熱量足夠提供建筑熱負(fù)荷，則采用模式2運(yùn)行模式，在該模式中，太陽(yáng)能集熱器收集的熱量使水箱溫度升高，加熱的載熱流體從水箱流出直接流入熱泵機(jī)組，再回到水箱，完成一個(gè)循環(huán)。在供冷期，太陽(yáng)能集熱器及水箱這一環(huán)路不運(yùn)行，從地埋管流出的載熱流體直接流入熱泵機(jī)組，再回到地埋管，完成一個(gè)循環(huán)。在過(guò)渡期，太陽(yáng)能集熱器收集的熱量使水箱溫度升高，加熱的載熱流體進(jìn)入地埋管，使地埋管周?chē)寥罍囟然厣?，降溫后的載熱流體再回到蓄熱水箱，完成一個(gè)循環(huán)。

表1 太陽(yáng)能地源熱泵耦合系統(tǒng)的運(yùn)行模式

為保證室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范，又避免溫度在小幅度變化時(shí)，頻繁切換閥門(mén)會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行模式改變，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此本系統(tǒng)將室內(nèi)溫度控制在一定范圍內(nèi)，而不是一個(gè)固定的溫度點(diǎn)，冬季設(shè)為18℃～20℃，夏季設(shè)為24℃～26℃，各模式切換由溫度與時(shí)間共同控制，具體控制方法見(jiàn)表2。

表2 太陽(yáng)能地源熱泵耦合系統(tǒng)各運(yùn)行模式的控制方法

2 負(fù)荷模擬

以?xún)?nèi)蒙古阿爾山地區(qū)的一座展覽館為例，該建筑為被動(dòng)房建筑，面積為3800 m2，高度為7.5 m，共一層。該地區(qū)太陽(yáng)能資源十分豐富，太陽(yáng)能年平均輻射強(qiáng)度可達(dá)5275 MJ/m2，年日照數(shù)可達(dá)2468 h，供暖期為10月1日至次年5月1日，共212天。利用DeST-c能耗軟件對(duì)建筑進(jìn)行全年逐時(shí)冷、熱負(fù)荷的計(jì)算，見(jiàn)圖2。

圖2 建筑全年逐時(shí)總熱負(fù)荷與冷負(fù)荷

由模擬結(jié)果可知，該展覽館的全年最大熱負(fù)荷為175.56 kW，全年最大冷負(fù)荷為163.41 kW，全年累積熱負(fù)荷為 324995.33 kW·h，全年累積冷負(fù)荷為76635.18 kW·h，采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)為4.89 W/m2，空調(diào)季冷負(fù)荷指標(biāo)為3.63 W/m2。說(shuō)明了該建筑全年累計(jì)熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于全年累計(jì)冷負(fù)荷，冷、熱負(fù)荷不平衡率可達(dá)76.42%。

3 耦合系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

基于太陽(yáng)能-地源熱泵耦合系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)三大主要模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括：地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)、太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)、蓄熱水箱設(shè)計(jì)。

3.1 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地埋管換熱器可以實(shí)現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)與深層土壤之間的熱交換，其埋管間距的選擇，管徑的確定，管材的選擇以及循環(huán)介質(zhì)的選擇是否合理，設(shè)計(jì)的是否正確，都決定著系統(tǒng)是否可以正常使用，是否有較高換熱效率。

表3 地埋管參數(shù)設(shè)定

地埋管選取垂直埋管形式，單U管，管間距取5.5 m，埋深為100 m，管材選用韌性好、強(qiáng)度高的PE管。因本研究對(duì)象所在地區(qū)常年下雪室外環(huán)境溫度較低，為防止結(jié)凍本工程選用濃度為25%的乙二醇溶液作為地埋管換熱器的循環(huán)介質(zhì)，具體設(shè)置見(jiàn)表3。

3.2 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能——地源熱泵系統(tǒng)吸熱量等于地埋管冬季向土壤吸取的熱量，放熱量為系統(tǒng)夏季制冷時(shí)向土壤放的熱量與過(guò)渡季太陽(yáng)能集熱器向土壤蓄的熱量，根據(jù)以上分析，得出太陽(yáng)能集熱器面積為：

由此可以推斷出太陽(yáng)能集熱器面積為：

式中：Qh為建筑采暖總熱負(fù)荷，kWh；qs,c為采暖季單位面積集熱板表面的集熱量，kWh/m2；COP為熱泵的供暖系數(shù)；EER為熱泵的制冷系數(shù)；Qc為建筑采暖總冷負(fù)荷，kWh；qs,f為過(guò)渡季單位面積集熱板表面的集熱量，kWh/m2。

表4為阿爾山地區(qū)太陽(yáng)能月總輻射強(qiáng)度值，以及用DeST模擬得出的建筑全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷數(shù)據(jù)，求得采暖季單位面積集熱板表面的集熱量qs,c和過(guò)渡季單位面積集熱板表面的集熱量qs,f，最終得出應(yīng)用于本展覽館的太陽(yáng)能——地源熱泵系統(tǒng)中的太陽(yáng)能集熱器面積為289.72 m2，因此最終確定太陽(yáng)能集熱器面積為300 m2。

表4 阿爾山地區(qū)太陽(yáng)能月總輻射強(qiáng)度

3.3 蓄熱水箱設(shè)計(jì)

根據(jù)《太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝》中的規(guī)定，集熱系統(tǒng)的貯熱水箱的有效容積用下式計(jì)算：

式中：A為太陽(yáng)能集熱器面積，m2；B1為單位采光面積平均日產(chǎn)熱水量，對(duì)于直接加熱系統(tǒng)B1=40～100 L/(m2·d)，對(duì)于間接加熱系統(tǒng) B1=30～70 L/(m2·d)。

因該系統(tǒng)為間接加熱，B1=30～70 L/(m2·d)，經(jīng)計(jì)算得出水箱容積為13.5～31.5 m3。根據(jù)上述計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)情況和設(shè)計(jì)條件確定，本系統(tǒng)選擇20 m3的蓄熱水箱。

4 耦合系統(tǒng)仿真模擬分析

以TRNSYS軟件為平臺(tái)，選取適合系統(tǒng)的模塊，分別搭建傳統(tǒng)地源熱泵供暖系統(tǒng)仿真模型和太陽(yáng)能—地源熱泵耦合供暖系統(tǒng)仿真模型，見(jiàn)圖3與圖4。

圖3 傳統(tǒng)地源熱泵供暖系統(tǒng)仿真模型

圖4 太陽(yáng)能—地源熱泵耦合供暖系統(tǒng)仿真模型

4.1 傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)模擬結(jié)果分析

圖5～7給出了傳統(tǒng)地源熱泵運(yùn)行10年時(shí)地埋管周?chē)寥罍囟茸兓厔?shì)、地埋管吸熱量、熱泵COP的變化趨勢(shì)。

由圖5可知，土壤初始溫度為9.8℃，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10年，最低溫度降低至-8.33℃，降低了18.13℃。由此可知，在地源熱泵單獨(dú)供熱這種情況下，土壤惡化極度嚴(yán)重且速度極快，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。由圖6可知，地埋管最大吸熱量為2500 kW，最大釋熱量為2000 kW，但大部分時(shí)間地埋管吸熱量小于0，屬于吸熱狀態(tài)。由此可見(jiàn)在傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)中地埋管吸熱量遠(yuǎn)大于釋熱量。由圖7可知，在系統(tǒng)運(yùn)行期間熱泵制冷效率有小幅度上升，從5.5上升到6.8，熱泵制熱效率有小幅度下降，運(yùn)行10年下降0.08，平均COP為4.12。產(chǎn)生這種情況的原因是傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)供熱系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行使得地埋管周?chē)寥罍囟冉档?，從而使得制冷效率升高，制熱效率降低?/p>

圖5 土壤蓄熱體周?chē)鷾囟?/p>

圖6 地埋管吸熱量

圖7 熱泵機(jī)組COP

4.2 太陽(yáng)能—地源熱泵耦合系統(tǒng)模擬結(jié)果分析

圖8～11給出了太陽(yáng)能—地源熱泵耦合系統(tǒng)運(yùn)行10年時(shí)地埋管周?chē)寥罍囟茸兓厔?shì)、地埋管吸熱量、太陽(yáng)能集熱器有效集熱量、熱泵COP的變化趨勢(shì)。

由圖8可知，土壤初始溫度為9.8℃，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10年，最低溫度升高至10.98℃，升高了1.18℃。由此可知，在太陽(yáng)能—地源熱泵系統(tǒng)中，太陽(yáng)能可以很好的解決土壤取熱與放熱不平衡的問(wèn)題。由圖9可知，地埋管吸熱量最大為1800 kW，且大部分時(shí)間地埋管吸熱量大于0，屬于釋熱狀態(tài)。說(shuō)明了加入太陽(yáng)能集熱器可明顯減少地埋管從地下土壤中吸取的熱量。由圖10可知，太陽(yáng)能有效得熱量在一年中最高可達(dá)1800 kW，集熱量每年變化規(guī)律相近，沒(méi)有太大變化。由圖11可知，熱泵制熱效率有小幅度上升，運(yùn)行10年上升0.05，平均COP為4.34，制冷效率有小幅度降低，但幅度很小，說(shuō)明太陽(yáng)能—地源熱泵耦合系統(tǒng)可高效穩(wěn)定的運(yùn)行。

圖8 土壤蓄熱體周?chē)鷾囟?/p>

圖9 地埋管吸熱量

圖10 太陽(yáng)能集熱器有效集熱量

圖11 熱泵機(jī)組COP

4 結(jié)論

1）傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10年，地埋管周?chē)寥罍囟冉档土?8.13℃，熱泵機(jī)組平均COP為4.12。說(shuō)明傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)中單靠土壤自身恢復(fù)溫度程度有限，常年運(yùn)行下去會(huì)使地埋管周?chē)寥缾夯?，降低系統(tǒng)效率。

2）太陽(yáng)能—地源熱泵耦合系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10年，地埋管周?chē)寥罍囟壬吡?.18℃，比傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)地埋管周?chē)寥罍囟雀?9.31℃。熱泵機(jī)組平均COP為4.34，比傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)機(jī)組COP提高了0.22。說(shuō)明加入太陽(yáng)能作為輔助熱源可以很大程度提高地埋管周?chē)寥罍囟?，提高系統(tǒng)效率。