左春帥，樊海鷹，王恩宇*

（1.河北工業(yè)大學(xué)河北省熱科學(xué)與能源清潔利用技術(shù)重點實驗室，天津300401；2.懷安縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，河北懷安076150）

0 引言

冬季供暖是我國北方地區(qū)重要的民生工程，而清潔供暖是解決能源與環(huán)境問題的必然選擇。太陽能是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕鍧嵞茉粗?，因此，太陽能供暖是繼太陽能熱水之后最有可能在我國推廣普及的太陽能熱利用技術(shù)。但太陽能供暖具有季節(jié)性使用明顯、系統(tǒng)使用率低和季節(jié)需熱與太陽能輻射量不匹配等問題［1］。淺層地?zé)崮苁墙陙戆l(fā)展較快的一種清潔能源，其儲量大、穩(wěn)定性好、可循環(huán)利用，是具有現(xiàn)實競爭力的新能源，“十三五”期間，我國大力推廣淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用［2］。

在我國北方地區(qū)，由于土壤初始溫度較低，年采暖熱負荷遠大于年供冷負荷，土壤的取熱量遠大于排熱量，導(dǎo)致土壤溫度逐年下降，熱泵運行制熱系數(shù)下降，制約了土壤源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)的發(fā)展［3-8］。太陽能跨季節(jié)儲熱供熱技術(shù)的應(yīng)用很好地實現(xiàn)了太陽能和地源熱泵系統(tǒng)的互補增益，眾多學(xué)者對該技術(shù)做了詳細的應(yīng)用研究［9-13］，但大多數(shù)是在非嚴(yán)寒地區(qū)，少數(shù)學(xué)者對嚴(yán)寒地區(qū)的系統(tǒng)整體運行模式與耦合方式做了部分研究，且主要集中在東北地區(qū)［14-16］。但針對該系統(tǒng)在華北嚴(yán)寒地區(qū)的局部控制策略及供熱性能研究極少，并且氣象條件相似的不同地區(qū)，由于地質(zhì)條件不同，該系統(tǒng)的運行性能也存在很大差異。本文對華北嚴(yán)寒地區(qū)建立的太陽能跨季節(jié)儲熱供熱系統(tǒng)開展試驗測試及性能預(yù)測研究，以期對該技術(shù)在嚴(yán)寒地區(qū)的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)概況

本文中的太陽能跨季節(jié)儲熱供熱（Solar Seasonal Storage Heating，SSSH）系統(tǒng)建設(shè)在河北省張家口市的高海拔鄉(xiāng)村，該地區(qū)屬于嚴(yán)寒地區(qū)，太陽能資源豐富，全年只需供熱。該系統(tǒng)為滿足某辦公建筑約500 m2的供暖面積（如圖1 所示）而設(shè)計。根據(jù)當(dāng)?shù)毓嵝枨?，將系統(tǒng)分為供熱季和非供熱季2 種運行模式。供熱季為10 月15 日到次年的4 月15日，長達半年，其余半年為非供熱季。

圖1 辦公建筑實物圖Fig.1 Physical map of the office building

SSSH 系統(tǒng)原理如圖2 所示，圖中標(biāo)記了主要設(shè)備、控制閥門以及主要設(shè)備進出口節(jié)點，熱量表和溫度傳感器等計量器件在圖中未標(biāo)注。該系統(tǒng)主要設(shè)備有太陽能集熱器、集熱水箱、熱泵機組、風(fēng)機盤管、儲熱地埋管和各種循環(huán)泵。在非供熱季，太陽能集熱器與水箱進口1 和出口2 連接形成集熱循環(huán)，通過集熱循環(huán)泵將熱量暫存到集熱水箱中，集熱水箱中的水溫度升高到符合儲熱條件時，儲熱循環(huán)泵啟動，水箱中的高溫水由地埋管進口10進入地埋管，將熱量儲存到土壤中，再經(jīng)過出口9回到水箱進口4，完成儲熱循環(huán)；供熱季時，集熱水箱將太陽能集熱高溫水通過熱泵機組冷凝器側(cè)管路5直接供給風(fēng)機盤管，當(dāng)集熱水箱中的水進入冷凝器側(cè)的水溫低于熱泵機組設(shè)定值時，熱泵機組啟動，以太陽能+熱泵機組的方式為末端供熱。

當(dāng)?shù)貧夂驀?yán)寒，0～50 m 平均初始地溫只有6.12 ℃，低于哈爾濱的7.00 ℃和沈陽的10.50 ℃［14］。為了降低成本，該SSSH 系統(tǒng)用水作為換熱工質(zhì)，由于較低的初始地溫不足以進行換熱，故采用先儲熱后供熱的運行模式。該系統(tǒng)主要設(shè)備性能參數(shù)見表1。

圖2 SSSH系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of the SSSH system

表1 系統(tǒng)主要設(shè)備性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of the main equipment in the system

2 非供熱季系統(tǒng)性能研究

2.1 非供熱季系統(tǒng)試驗性能分析

針對集熱循環(huán)和儲熱循環(huán)的啟/?？刂茥l件，對集熱性能和儲熱性能的影響進行研究分析，試驗日期及集熱（儲熱）啟/?？刂茥l件見表2。

表2 中：集熱啟/停條件8/4 表示當(dāng)集熱器溫度與集熱水箱底層溫度的溫差大于等于8 ℃時，集熱循環(huán)泵啟動，小于等于4 ℃時集熱循環(huán)泵停止；儲熱啟/停條件45/5 表示當(dāng)集熱水箱溫度大于45 ℃時，儲熱循環(huán)泵啟動，溫差小于5 ℃時，儲熱循環(huán)泵停止，其他控制條件同理。

表2 系統(tǒng)控制條件Tab.2 System control conditions ℃

太陽能集熱器集熱效率ηa及儲熱效率ηs計算公式為

式中：Qt為太陽能集熱量，kJ；A 為太陽能集熱器面積，m2；G 為接收到的太陽輻照量，MJ/m2；Qc為儲存在地下的熱量，kJ。

試驗設(shè)置了7 ℃/4 ℃，8 ℃/4 ℃，9 ℃/4 ℃和10 ℃/4 ℃共4種集熱啟/停控制條件，在每種集熱啟/停控制條件下選取了4 d 氣象條件良好的試驗數(shù)據(jù)做對比分析，其結(jié)果如圖3 所示。停止溫度均為4 ℃的條件下，隨著啟/停溫差的增大，平均集熱效率緩慢下降，啟動溫差從7 ℃變?yōu)?0 ℃時，集熱效率從0.494 降至0.470。可見，啟/停溫差平均每增大1 ℃，平均集熱效率降低1.6%。

圖3 不同集熱控制條件下的集熱效率對比Fig.3 Heat collection efficiency under different heat collection control conditions

設(shè)置集熱啟/停條件恒定為10 ℃/5 ℃，在儲熱啟/停控制條件為35 ℃/5 ℃，40 ℃/5 ℃和45 ℃/5 ℃下各做5 d的儲熱試驗（如圖4所示），儲熱效率均高于0.950。這是由于土壤溫度較低且太陽能的集熱量全部用于儲熱，唯一的熱損失是水箱向周圍環(huán)境散熱。隨著儲熱啟動溫度的升高，水箱平均溫度上升，產(chǎn)生了一定的熱量累積，向周圍環(huán)境散熱加大，儲熱效率下降。儲熱控制條件變化引起的水箱溫度變化也影響了集熱效率。集熱效率從儲熱啟/停條件為35 ℃/5 ℃時的0.566 變化到45 ℃/5 ℃時的0.482。儲熱啟動溫度每升高1 ℃，集熱量和儲熱量分別下降31 212，15 336 kJ，下降幅度較大。因此，儲熱啟動溫度對集熱和儲熱性能影響顯著。

圖4 不同儲熱控制條件下集熱（儲熱）性能對比Fig.4 Heat collection（heat storage）performance under different heat storage control conditions

2.2 非供熱季仿真模擬研究

2.2.1 仿真模型的建立與校驗

本文運用TRNSYS動態(tài)仿真軟件對系統(tǒng)進行模擬預(yù)測。根據(jù)該SSSH 系統(tǒng)各設(shè)備的實際運行工況參數(shù)建立仿真模型并進行參數(shù)設(shè)置，模擬過程中的集熱（儲熱）啟/停條件的含義與表2相同。

首先針對熱量、電耗和地溫變化進行試驗和模擬數(shù)據(jù)對比，以驗證仿真模型的可靠性。表3 列出了5 月1 日至7 月31 日為期3 個月的集熱量、儲熱量、總電耗和太陽輻射量的試驗值和模擬值，其誤差最大為7.6%。圖5 給出了地溫試驗值和模擬值的對比結(jié)果，誤差基本保持在10.0%以內(nèi)。綜上，該仿真模型可以用于模擬計算。

2.2.2 不同儲熱控制條件下的集熱（儲熱）性能

系統(tǒng)在每種儲熱啟/停條件下進行完整的非供熱季運行，運行結(jié)果如圖6—9所示。

表3 試驗值與模擬值對比Tab.3 Comparison of experimental and simulated values

圖5 地溫試驗值與模擬值對比Fig.5 Comparison between the test value and simulated value of ground temperature

為了分析系統(tǒng)運行性能，引入能效比的概念。集熱循環(huán)能效比αa和儲熱循環(huán)能效比αs計算公式為

式中：Pt為集熱循環(huán)泵耗電量，kW·h；Pc為儲熱循環(huán)泵耗電量，kW·h。

圖6 為整個非供熱季不同儲熱啟/停條件下的集熱量、儲熱量和集熱（儲熱）耗電量對比。由圖6可見，隨著儲熱啟動溫度的升高，各項指標(biāo)均減小。這是因為儲熱啟動溫度越高，水箱平均溫度越高，向周圍環(huán)境散失的熱量就越多。

圖7給出了整個非供熱季的集熱效率和儲熱效率隨儲熱啟/停條件的變化。由圖7可見，儲熱啟/停條件由25 ℃/5 ℃變?yōu)?5 ℃/5 ℃后，集熱效率和儲熱效率分別下降了13.02%和6.19%，儲熱啟動溫度平均每升高1 ℃，集熱效率和儲熱效率分別下降0.7%和0.3%。集熱效率和儲熱效率下降均是由水箱溫度升高后散熱損失增加所導(dǎo)致的。

圖8為不同儲熱控制條件下的集熱（儲熱）循環(huán)能效比。由圖8可見，隨著啟動溫度的升高，集熱循環(huán)能效比先上升然后幾乎不變，而儲熱循環(huán)能效比先是上升然后緩慢下降。儲熱循環(huán)能效比出現(xiàn)拐點是因為隨著儲熱啟動溫度的升高，水箱溫度升高，且水箱上下層溫度分層明顯，熱量不易轉(zhuǎn)移，一定限度導(dǎo)致循環(huán)能效比降低。因此，并不是集熱（儲熱）效率和熱量越高越經(jīng)濟，在優(yōu)化集熱（儲熱）啟/?？刂茥l件時，要同時兼顧效率和能效比。

圖6 不同儲熱控制條件下的熱量和電耗Fig.6 Heat and power consumption under different heat storage control conditions

圖7 不同儲熱控制條件下的集熱（儲熱）效率Fig.7 Heat collection（heat storage）efficiency under different heat storage control conditions

由圖9 可見，儲熱啟/?？刂茥l件由45 ℃/5 ℃變?yōu)?5 ℃/5 ℃，非供熱季結(jié)束時的地溫由11.41 ℃變?yōu)?2.65 ℃。儲熱末期地溫上升緩慢，甚至有局部下降的趨勢，是因為儲熱末期地溫較高且太陽輻照量減弱，儲熱速率變慢，周圍環(huán)境溫度降低，散熱加快。總之，儲熱啟/?？刂茥l件對地溫有比較顯著的影響。

2.2.3 不同集熱控制條件下的集熱性能

圖8 不同儲熱控制條件下的集熱（儲熱）循環(huán)能效比Fig.8 Energy efficiency ratio of heat collection（heat storage）cycle under different heat storage control conditions

圖9 不同儲熱控制條件下的地溫變化Fig.9 Ground temperature variation under different heat storage control conditions

設(shè)置儲熱啟/?？刂茥l件恒定為25 ℃/5 ℃，圖10 和圖11 給出了完整的非供熱季運行時不同集熱啟/停條件下集熱效率和集熱循環(huán)能效比的變化。當(dāng)集熱啟動溫度一定時，隨著集熱停止溫度的升高，集熱效率減小，而集熱循環(huán)能效比增大；當(dāng)集熱停止溫度一定時，隨著集熱啟動溫度的升高，集熱效率減小，而集熱循環(huán)能效比增大；當(dāng)集熱啟/停溫差相同時，隨著集熱啟動和停止溫度的升高，集熱效率降低，而集熱循環(huán)能效比增大。集熱啟/停溫差每增大1 ℃，集熱效率平均下降1.70%，集熱循環(huán)能效比增加2.00%。上述3 種情況下的集熱效率和集熱循環(huán)能效比變化趨勢均相反，因為不論集熱啟/停溫差增大，還是集熱啟/停止溫度升高，都會導(dǎo)致集熱啟動所需熱量增大，隨之熱量損失增加，集熱效率下降；但因為溫度較高，熱值較高，單位集熱循環(huán)泵耗電的集熱量增多，集熱循環(huán)能效比升高。

3 供熱季系統(tǒng)仿真模擬研究

3.1 供熱負荷計算

將集熱啟/停條件設(shè)置為7 ℃/4 ℃，儲熱啟/停條件設(shè)為25 ℃/5 ℃，在以上非供熱季控制條件下完成儲熱，然后對供熱季運行性能進行模擬預(yù)測。

圖10 不同集熱控制條件下的集熱效率Fig.10 Heat collection efficiency under different heat collection control conditions

圖11 不同集熱控制條件下的集熱循環(huán)能效比Fig.11 Energy efficiency ratio of heat collection cycle under different heat collection control conditions

將供熱建筑分為2 個供熱區(qū)，供熱一區(qū)為辦公區(qū)，供熱面積為340 m2，供熱二區(qū)為衛(wèi)生院，供熱面積為160 m2。供熱溫度設(shè)置為20 ℃，相對濕度為45%。圖12 為建筑負荷曲線變化圖（圖中：正值表示冷負荷，負值表示熱負荷）。一區(qū)供熱面積大，最大熱負荷為41.59 kW，但絕大多數(shù)熱負荷均小于40.00 kW；二區(qū)供熱面積只有一區(qū)的1/2 左右，且二區(qū)朝南的窗墻比較大，可吸收太陽能輻射量提供部分熱負荷，熱負荷都在20.00 kW以內(nèi)。

3.2 供熱性能研究

熱泵機組性能系數(shù)CHP和系統(tǒng)性能系數(shù)CS是供熱性能研究中的2個重要參數(shù)，計算公式如下

式中：QHP為熱泵機組制熱量，kJ；PHP為熱泵機組耗電量，kW·h。

圖12 全年負荷曲線Fig.12 Annual load curve

式中：QS為太陽能供熱量，kJ；Pl為末端負荷側(cè)循環(huán)泵耗電量，kW·h；Ps為地源側(cè)水泵耗電量，kW·h。

定義太陽能直供占比β為太陽能供熱量占總熱量的比值

圖13 表明，隨著供熱的進行，熱泵機組性能系數(shù)CHP由供熱季開始時的3.84 下降到供熱季結(jié)束時的3.31，整個供熱季為3.40。CHP逐漸降低是因為隨著熱泵機組不斷向地下取熱，地溫逐漸下降。系統(tǒng)性能系數(shù)CS在供熱前期和后期一直處于較高水平，而供熱中期相對較低，但是依然保持在2.60 以上，整個供熱季為3.10。造成CS波動較大的原因可由圖14進行解釋。CS與太陽能直供占比β表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。供熱前期和后期太陽能輻射量較大且環(huán)境溫度較高，水箱熱量散失較少，所以β 較大；供熱中期，隨著太陽能輻射量減弱以及環(huán)境溫度降低，水箱熱量散失嚴(yán)重，太陽能幾乎不提供熱負荷，熱泵機組需要承擔(dān)更多的熱負荷，導(dǎo)致耗電增多，系統(tǒng)性能系數(shù)較低。總體來看，整個供熱季的β為0.23。

圖13 供熱季CHP及CS對比Fig.13 Comparison of CHP and CS in heating seasons

圖14 供熱季CS和β對比Fig.14 Comparison of CS and β in heating seasons

地溫對SSSH 系統(tǒng)運行性能有著顯著的影響。由圖15 可見，經(jīng)過長達半年的儲熱期后，地溫由初始的6.12 ℃升高至12.95 ℃，供熱季不斷向地下取熱結(jié)束時的地溫為6.91 ℃，比初始地溫升高了0.79 ℃。SSSH 系統(tǒng)的優(yōu)勢就是充分利用豐富的太陽能資源進行輔助供熱，表4 為該系統(tǒng)全年太陽能使用量。由表4 可見，非供熱季太陽能儲熱量為25 323.39 kW·h，供熱季地源取熱量為11 171.18 kW·h，太陽能直接供熱量為4 635.52 kW·h。非供熱季太陽能集熱量的97.6%被送到土壤儲存，在冬季有44.1%的儲熱量被地源熱泵提取。采用太陽能跨季節(jié)儲熱供熱方案的集熱器面積大約只有冬季供熱方案的集熱器面積的1/5。

圖15 全年地溫變化Fig.15 Ground temperature variation throughout a year

表4 全年太陽能使用量Tab.4 Annual usage of solar energy kW·h

4 結(jié)論

（1）隨著集熱控制條件和儲熱控制條件中溫度、溫差的增大，集熱效率、集熱量、耗電量均呈下降趨勢，但是集熱循環(huán)能效比和儲熱循環(huán)能效比則不同。所以在優(yōu)化集熱和儲熱控制條件時要同時兼顧效率和能效比。

（2）整個供熱季CHP為3.4，CS為3.1；地溫從初始的6.12 ℃經(jīng)儲熱上升到12.95 ℃，經(jīng)過供熱后最終為6.91 ℃；地溫的逐年升高，滿足系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行要求，并有利于系統(tǒng)運行能效的提高。因此，在優(yōu)化非供熱季集熱儲熱控制條件的基礎(chǔ)上，跨季節(jié)儲熱量完全能夠滿足供熱季使用。