王 蕓 端木琳 李祥立 仝 倉

(大連理工大學(xué)建筑工程學(xué)部 大連 116024)

Model and Parametric Analysis of Solar-assisted Ground-source Heat Pump System with Dual Independently Buried Tubes

Wang Yun Duanmu Lin Li Xiangli Tong Cang

(Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, 116024, China)

AbstractA solar-assisted ground-source heat pump system is an excellent way of supplying clean energy in extremely cold regions. In this system, the solar energy collection and storage system has different connection and operation modes from the ground-source heat pump system. The running time of the solar system directly affects the thermal recovery characteristics of the soil. In this study, a solar-assisted ground-source heat pump system with a year-round heat storage was established based on the TRNSYS platform. A simulation calculation method for a soil heat accumulator with double independently buried pipes was proposed. The simulation results were compared to the field test data. Based on the actual project of a public building in Dalian, the operating parameters, which greatly influence the total operating energy consumption and the soil temperature change rate of the system, were obtained using an orthogonal experimental design and TRNSYS simulation. Their influence laws were subsequently analyzed. The results showed that the total operating energy consumption of the system positively correlated with the water supply temperature of the heat pump in winter, load-side water flow rate, and soil-side water flow rate. It negatively correlated with the water supply temperature of the heat pump in summer. When the cumulative heating and cooling capacity ratio was 1.31, the total operating energy consumption of the system negatively correlated with the start-up temperature of the heat storage. When the ratio was 2.32, it positively correlated with the start-up temperature of heat storage and when the ratio was 1.77, the start-up temperature of heat storage was 35 ℃, and the energy consumption of the system was the lowest. The change rate in the soil temperature negatively correlated with the start-up temperature of heat storage. The operating time and parameters of the solar system were adjusted according to the heating and cooling ratios of the system.

Keywordssolar energy; ground-source heat pump; TRNSYS; model establishment; influence factors

我國地域遼闊，有豐富的太陽能與地?zé)崮苜Y源，將太陽能與地?zé)崮芙Y(jié)合可以彌補太陽能與地?zé)崮軉为毷褂脮r存在的缺陷。太陽能與土壤源熱泵系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用于實際工程時存在多種連接方式和運行模式：土壤源熱泵單獨供熱/供冷、太陽能蓄熱水箱與地埋管串聯(lián)/并聯(lián)供熱、太陽能集熱器直接供熱、太陽能蓄熱水箱直接供熱、太陽能蓄熱水箱聯(lián)合熱泵供熱、太陽能向土壤蓄熱等。研究人員通過實驗或模擬對系統(tǒng)不同運行模式進行了多方面研究。

危日光等[1-2]研究表明太陽能與土壤源熱泵結(jié)合可以提高熱泵機組性能和系統(tǒng)性能。A.Girard等[3]分別模擬了19個城市的傳統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)，結(jié)果表明，前者耗電量均大于后者，兩個系統(tǒng)回收期均在壽命范圍內(nèi)，均具有經(jīng)濟性，且在太陽輻射強的地區(qū)，集熱器對熱泵性能影響更大。S. H. Razavi等[4]通過TRNSYS模擬了5種太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)組合情況，對比表明，能耗均低于地源熱泵系統(tǒng)，最高降低了8.7%。鄭志濤等[5]設(shè)計了蓄熱型太陽能地源熱泵系統(tǒng)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)經(jīng)濟效益明顯，蓄熱水箱和地埋管換熱器間歇運行有利于地下土壤溫度的恢復(fù)。李素芬等[6]建立了太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，研究了不同動態(tài)負荷下系統(tǒng)的供暖特性。郝紅等[7]通過TRNSYS平臺建立了太陽能-土壤源熱泵與熱網(wǎng)互補供暖系統(tǒng)仿真模型，結(jié)果表明，相比于土壤源熱泵與熱網(wǎng)互補供暖系統(tǒng)，太陽能-土壤源熱泵與熱網(wǎng)互補供暖系統(tǒng)提高了蒸發(fā)器進出口水溫、系統(tǒng)性能系數(shù)，增加了熱網(wǎng)運行時間。E.Kjellsson等[8-9]利用TRNSYS軟件模擬了太陽能系統(tǒng)在太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)中不同運行模式的運行特性，確定了太陽能系統(tǒng)最佳運行模式。

Liu Long等[10]通過實驗研究了太陽能系統(tǒng)過渡季或夏季蓄熱的可行性，蓄熱量占太陽能總輻射量的50.2%。蘆子健等[11]提出了蓄熱式太陽能土壤源耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)采用兩組地埋管，可進行蓄熱期兩組地埋管蓄熱、供冷期一組地埋管蓄熱和另一組地埋管供冷、供熱季兩組地埋管并聯(lián)供熱以及供熱季太陽能耦合兩組地埋管串聯(lián)供熱4種運行模式。通過TRNSYS建立系統(tǒng)仿真模型，模型中使用兩個地埋管模塊進行模擬研究，證明了系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)的適用性。葛鳳華等[12]利用TRNSYS建立太陽能土壤源熱泵系統(tǒng)仿真模型，地埋管系統(tǒng)分為兩組，冬季所有地埋管供熱；夏季，一組地埋管供冷，另一組補熱；過渡季所有地埋管補熱。通過模擬將兩組地埋管井?dāng)?shù)與負荷相互匹配，使得兩組地埋管溫度場恢復(fù)到同一水平。Wang Xiao等[13]通過實驗研究了太陽能季節(jié)性蓄熱式太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)運行特性。冬季太陽能和所有地埋管交替耦合熱泵供熱；過渡季所有地埋管蓄熱；夏季一組地埋管蓄熱，另一組地埋管供冷；該系統(tǒng)熱泵從地埋管的取熱量占季節(jié)性蓄熱量的75.5%，太陽能直接供熱量占總供熱量49.7%，提高了系統(tǒng)性能系數(shù)。

P. Eslami-nejad等[14]提出可預(yù)測帶有兩個獨立環(huán)路的雙U形埋管鉆孔穩(wěn)態(tài)傳熱的分析模型，其中一環(huán)路應(yīng)用于熱泵冬季供熱模式，另一環(huán)路與太陽能集熱器直接相連，考慮兩環(huán)路的流體和埋管熱阻及其熱相互作用，預(yù)測了兩環(huán)路沿鉆孔深度的流體溫度分布，評估了單孔兩環(huán)路入口溫度(各自恒定)與流量(可變)對各環(huán)路傳熱影響，并將其應(yīng)用于單孔住宅系統(tǒng)中，結(jié)果表明，太陽能補熱雖未顯著降低熱泵年運行功耗，但減少了系統(tǒng)鉆孔長度，可降低成本。F. M. Rad等[15-17]研究也表明系統(tǒng)中加入太陽能集熱器可以減少地埋管長度和安裝成本。隨著累計熱負荷與累計冷負荷比值的增大，減少的地埋管換熱器長度與太陽能集熱器面積比值減小，后者比值越大，太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)可行性越高。

目前的研究和工程應(yīng)用中，太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)中土壤源熱泵環(huán)路與太陽能蓄熱環(huán)路通常共用一組地埋管，土壤源熱泵系統(tǒng)冬季供熱，夏季供冷，過渡季停止運行，太陽能系統(tǒng)向該組地埋管蓄熱。而當(dāng)太陽能系統(tǒng)需要全年蓄熱運行時，系統(tǒng)設(shè)置兩組地埋管。冬季土壤源熱泵系統(tǒng)使用兩組地埋管同時供熱；夏季土壤源熱泵系統(tǒng)使用其中一組地埋管供冷，太陽能系統(tǒng)使用另一組地埋管進行蓄熱；過渡季太陽能系統(tǒng)同時向兩組地埋管蓄熱[11-13]。從土壤熱平衡的角度出發(fā)，太陽能集熱系統(tǒng)最根本的目的是向土壤蓄熱，為此，季永明等[18]提出了獨立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)的太陽能蓄熱系統(tǒng)與土壤源熱泵系統(tǒng)相互獨立，并各自對應(yīng)一組地埋管系統(tǒng)。冬季土壤源熱泵系統(tǒng)使用熱泵地埋管供熱，夏季土壤源熱泵系統(tǒng)使用熱泵地埋管供冷，太陽能系統(tǒng)使用蓄熱地埋管全年運行。

研究人員針對不同形式不同功能的太陽能耦合土壤源熱泵系統(tǒng)中的系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)和控制運行參數(shù)進行了實驗或模擬，分析了參數(shù)對不同目標的影響，并對參數(shù)進行優(yōu)選同時給出建議范圍。鄒曉銳等[19]以費用年值為目標對集熱器面積、水箱容積及機組啟停設(shè)定溫度進行了優(yōu)化匹配。S. Rayegan等[20]使用多目標遺傳算法確定系統(tǒng)可行的優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，結(jié)果表明，可根據(jù)熱舒適性及太陽能利用率來確定最佳再生溫度、地埋管鉆孔數(shù)量、集熱器面積。徐飛等[21-23]模擬分析了系統(tǒng)參數(shù)(蓄熱流量、水箱體積、集熱器面積、地埋管換熱器結(jié)構(gòu)等)和控制參數(shù)(集熱泵啟動設(shè)定溫度、蓄熱時間、蓄熱溫度等)對土壤蓄集熱特性的影響。王孟等[24-26]研究了機組設(shè)定溫度、水泵頻率、太陽能集熱器面積與地埋管長度、發(fā)生器與冷凝器溫度等對系統(tǒng)性能的影響。

獨立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)不同之處在于兩組地埋管分為常規(guī)井和蓄熱井，蓄熱井中設(shè)置兩個U形地埋管，分別與土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)連接。與文獻[11-13]不同的是，本文系統(tǒng)的兩組地埋管共用同一個土壤區(qū)域，在供冷季或供熱季，地埋管聯(lián)合熱泵向系統(tǒng)供冷或供熱的同時太陽能系統(tǒng)對應(yīng)的地埋管仍然可以向同一土壤區(qū)域蓄熱。蓄熱井在整個地埋管區(qū)域的中心，數(shù)量上少于常規(guī)井，這樣可以保證蓄存的熱量不易散失；太陽能蓄熱用的U形管與熱泵用的U形管在一個鉆孔內(nèi)，二者僅交換熱量，因此該埋管方式還可以邊蓄邊用。雖然兩組地埋管系統(tǒng)運行互不影響，但經(jīng)過長時間運行，來自太陽能并蓄存在土壤中的熱量，會對蓄熱井周圍的土壤溫度有較大影響。S. Chapuis等[27]通過修改TRNSYS中Type557對應(yīng)的地埋管傳熱模型 (duct ground heat storage model，DST)的局部傳熱計算代碼來模擬均包含兩個獨立環(huán)路的鉆孔群，修改后鉆孔半徑處新邊界條件有兩個傳熱量，忽略鉆孔中兩個U形管間熱短路效應(yīng)及其中一個U形管由于穩(wěn)態(tài)熱流產(chǎn)生的地溫變化，通過對案例模擬表明，該鉆孔形式可以降低蓄熱體熱損失，太陽能集熱器平均效率達58%。與文獻[27]不同的是，本文系統(tǒng)中熱泵地埋管與蓄熱地埋管數(shù)量并不相同且太陽能集熱器并未直接與蓄熱地埋管相連，但若采用兩個互不相關(guān)的地埋管模塊進行仿真模擬，則與實際系統(tǒng)運行情況并不相符。而目前有關(guān)該獨立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)模型建立的研究較少，全面性研究系統(tǒng)運行參數(shù)也較少。本文基于TRNSYS軟件通過合理簡化地埋管連接和地埋管內(nèi)部熱平衡計算建立了適用于該系統(tǒng)的模型，并針對大連某公共建筑實際工程對此系統(tǒng)進行了正交試驗設(shè)計與模擬，得到對系統(tǒng)運行能耗與土壤溫度變化率有重要影響的運行參數(shù)并分析影響規(guī)律。

1 模型建立

1.1 熱泵模型

本文模型采用文獻[28]開發(fā)的熱泵機組模塊，該模塊使用半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛿M合出熱泵容量和能耗的表達式來對熱泵機組進行建模，根據(jù)熱泵樣本參數(shù)可擬合出表達式中各系數(shù)大小。不同運行工況下滿負荷運行容量系數(shù)和耗功量系數(shù)與蒸發(fā)器水流量、冷凝器水流量、蒸發(fā)器出口水溫、冷凝器進口水溫有關(guān)，部分負荷耗功量系數(shù)與部分負荷率有關(guān)。以制冷為例，各代數(shù)表達式[28]為：

CAPrcool=a1+b1rme+b2rme2+c1rmc+c2rmc2+

d1rTeo+d2rTeo2+e1rTci+e2rTci2+f1rTeorTci

(1)

Pr1cool=a2+b3rme+b4rme2+c3rmc+c4rmc2+d3rTeo+

d4rTeo2+e3rTci+e4rTci2+f2rTeorTci

(2)

Pr2cool=a3+b5PLR+c5PLR2

(3)

PLR=Q/CAPmax

(4)

式中：CAPrcool為熱泵制冷滿負荷修正系數(shù)；Pr1cool為熱泵制冷滿負荷修正系數(shù)；Pr2cool為熱泵制冷部分負荷修正系數(shù)；rme、rmc、rTeo、rTci分別為蒸發(fā)器流量、冷凝器流量、蒸發(fā)器出口溫度、冷凝器進口溫度與額定設(shè)計工況的比值；PLR為部分負荷率；CAPmax為滿負荷制冷容量，kW；Q為當(dāng)前負荷，kW；a1～a3、b1～b5、c1～c5、d1～d4、e1～e4、f1～f2為表達式擬合系數(shù)。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1所示為獨立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)原理，系統(tǒng)包括土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)。土壤源熱泵系統(tǒng)用于冬季供熱，夏季供冷，通過冬夏轉(zhuǎn)換閥門實現(xiàn)運行工況的轉(zhuǎn)換；太陽能系統(tǒng)原則上全年可以蓄熱運行。兩個子系統(tǒng)各自對應(yīng)于一組地埋管換熱系統(tǒng)，蓄熱地埋管在常規(guī)地埋管區(qū)域的中間。圖2所示為系統(tǒng)地埋管的布置連接，其中a、b、c環(huán)路代表土壤源熱泵系統(tǒng)對應(yīng)的地埋管系統(tǒng)，d環(huán)路代表太陽能系統(tǒng)對應(yīng)的地埋管系統(tǒng)。蓄熱埋管與部分常規(guī)埋管共用同一地源井，地源井7與9均為太陽能系統(tǒng)的蓄熱井，蓄熱井中分別設(shè)置兩個單U形換熱器，其中一個與土壤側(cè)埋管支路供回水管連接，另一個與蓄熱環(huán)路供回水管連接(共計4個U形管)；其余地源井均為土壤源熱泵系統(tǒng)的換熱井(冬季取熱，夏季放熱)，井中均設(shè)置一個雙U形換熱器。兩地埋管系統(tǒng)共用同一區(qū)域，蓄熱地源井在此區(qū)域中分散布置，運行互不影響。

T1熱泵用戶供水溫度；T2熱泵用戶回水溫度；T3熱泵土壤供水溫度；T4熱泵土壤回水溫度；T5集熱器進口溫度；T6集熱器出口溫度；T7土壤蓄熱進口溫度；T8土壤蓄熱出口溫度。圖1 獨立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)原理Fig. 1 Principle of solar assisted ground-source heat pump system with independent double buried pipe

圖2 系統(tǒng)地埋管布置連接Fig. 2 Layout and connection of the buried pipe

1.3 地埋管區(qū)域模型

針對上述雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)建立地埋管區(qū)域模型時，由于土壤源熱泵與太陽能系統(tǒng)同時運行時，兩個地埋管系統(tǒng)在蓄熱井處存在局部互相熱影響，而且蓄熱地埋管位于熱泵地埋管中心，兩子系統(tǒng)共同作用于埋管所在土壤區(qū)域，會出現(xiàn)同時向土壤取熱和蓄熱的情況。隨著運行時間的增加，影響越大，使用兩個地埋管模塊來分別模擬兩個地埋管系統(tǒng)無法模擬出該影響，因此考慮到長期運行太陽能系統(tǒng)對整體土壤的熱影響，在TRNSYS軟件中使用一個地埋管模塊Type557進行模型的建立。使用一個地埋管模塊進行模型建立時，對地埋管側(cè)連接進行簡化。由于土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)共用一個土壤區(qū)域，如圖3所示，將土壤源熱泵系統(tǒng)土壤側(cè)輸出流體和太陽能側(cè)水箱蓄熱輸出流體混合后作為地埋管模塊的輸入，簡化后該地埋管運行分3種工況。

圖3 地埋管連接簡化Fig. 3 Simplified connection of buried pipes

工況1：當(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)不運行，太陽能系統(tǒng)運行時，地埋管模塊輸出流體即為太陽能側(cè)水箱蓄熱輸入流體，地埋管模塊輸出流體的流量和溫度分別為太陽能側(cè)水箱蓄熱輸入流體的流量和溫度。

工況2：當(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)運行而太陽能系統(tǒng)不運行時，地埋管模塊輸出流體即為土壤源熱泵土壤側(cè)輸入流體，地埋管模塊輸出流體的流量和溫度分別為土壤源熱泵土壤側(cè)輸入流體的流量和溫度。

工況3：當(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)同時運行時，土壤源熱泵系統(tǒng)土壤側(cè)輸出流體和太陽能側(cè)水箱蓄熱輸出流體混合后的總流量為地埋管模塊輸入流體的流量，混合后的溫度為地埋管模塊輸入流體的溫度。

由于地埋管模塊輸出流體溫度為土壤源熱泵系統(tǒng)土壤側(cè)輸入流體溫度，地埋管輸出流體溫度并不等于太陽能側(cè)水箱蓄熱進口溫度，因此需要對太陽能側(cè)水箱蓄熱進口溫度進行計算。通過地埋管模塊內(nèi)部熱平衡，本文推導(dǎo)出太陽能側(cè)水箱輸入流體溫度公式(5)～(7)，并將公式編制成計算模塊放入TRNSYS的“Type Txuout”模塊(見圖4)。

(6)

Qrb=4.18Mrb(Trbin-Trbout)

(7)

式中：Txuout為太陽能系統(tǒng)蓄熱出口溫度，℃；Txuin為太陽能系統(tǒng)水箱出口溫度，℃；Tout為過渡季土壤蓄熱出口溫度，℃;Qtyn為太陽能系統(tǒng)給土壤的蓄熱量，kJ/h；Mxu為太陽能蓄熱流量，kg/h；Sh、Sc、Ss分別為太陽能系統(tǒng)在冬季、夏季、過渡季是否運行的信號，是為1，否為0；Qrb為熱泵運行時與土壤側(cè)的換熱量，kJ/h；Qfluid為熱泵側(cè)土壤進口與太陽能側(cè)土壤進口混合流體與土壤的換熱量，kJ/h；Mrb為熱泵土壤側(cè)流量，kg/h；Trbin、Trbout分別為熱泵運行時土壤側(cè)進出口溫度，℃；

1.4 系統(tǒng)運行方式

根據(jù)系統(tǒng)流程基于地埋管區(qū)域模型建立TRNSYS仿真模型，如圖4所示。熱泵的運行與負荷密切相關(guān)，熱泵運行數(shù)量由建筑負荷的大小決定。當(dāng)負荷小于單臺熱泵額定容量的15%時，熱泵不運行；當(dāng)負荷大于單臺熱泵額定容量的15%并小于單臺熱泵額定容量的100%時，單臺熱泵運行；當(dāng)負荷大于單臺熱泵額定容量的100%時，兩臺熱泵運行。用戶水泵、熱泵土壤側(cè)水泵各兩臺并聯(lián)連接，可按照設(shè)定的控制策略運行。用戶負荷由外部文件導(dǎo)入。模型中熱泵的運行由模塊Type14和方程來控制。

太陽能系統(tǒng)分為太陽能集熱循環(huán)和太陽能蓄熱循環(huán)。集熱循環(huán)由太陽能集熱器出口溫度與水箱溫度控制，當(dāng)溫差大于7 ℃時，集熱水泵運行，溫差小于3 ℃時集熱水泵停止運行；蓄熱循環(huán)由水箱溫度控制，當(dāng)水箱溫度大于35 ℃時，蓄熱水泵運行，水箱溫度小于27 ℃時集熱水泵停止運行。模型中水泵的運行由模塊Type14和模塊Type2b來控制。系統(tǒng)運行結(jié)束后使用模塊Type65輸出運行數(shù)據(jù)。

2 模型實驗驗證

2.1 系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)

本文以大連某公共建筑為研究對象，建筑面積12 638 m2，空調(diào)面積12 011 m2。采用獨立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)來滿足建筑冬季供熱和夏季制冷需求。

系統(tǒng)采用兩臺螺桿式地源熱泵機組，型號為CRTWD 160H；用戶側(cè)和熱泵土壤側(cè)水泵均兩用一備；垂直地埋管鉆井224口，其中8口為蓄熱井，全部并聯(lián)運行，土壤初始溫度為14.4 ℃；太陽能集熱器為真空管集熱器，位于屋面；設(shè)有蓄熱水箱，內(nèi)置波紋管換熱器，蓄熱水箱與集熱器側(cè)水環(huán)路間接進行熱量交換，與蓄熱埋管環(huán)路直接相通；集熱水泵和蓄熱水泵均一用一備。設(shè)備參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備參數(shù)Tab. 1 The parameters of equipments

2.2 模型驗證

實際系統(tǒng)于2020年供暖季運行，因此根據(jù)2020年11月15日至2021年3月1日實際運行數(shù)據(jù)對模型進行實驗驗證。將建筑負荷、室外溫度、土壤地埋管側(cè)流量作為輸入?yún)?shù)輸入模型進行相同時間段供熱運行模擬，在土壤源熱泵系統(tǒng)運行的同時，太陽能系統(tǒng)也在運行。各參數(shù)模擬值與實驗值對比如圖5～圖7所示，運行結(jié)果如表2所示，誤差均在15%以內(nèi)，驗證了模型的準確性。

圖5 熱泵土壤供/回水溫度模擬值與實驗值對比Fig. 5 Comparison between simulated and experimental values of ground supply and return water temperature of heat pump

圖6 集熱器進口溫度模擬值與實驗值對比Fig. 6 Comparison between simulated and experimental values of collector inlet temperature

圖7 集熱器出口溫度模擬值與實驗值對比Fig. 7 Comparison between simulated and experimental values of collector outlet temperature

對于該模型，需要驗證根據(jù)系統(tǒng)簡化連接與地埋管模塊熱平衡計算的土壤蓄熱出口溫度的準確性。本系統(tǒng)采用光纖光柵溫度傳感器對蓄熱井管井井壁溫度進行測量，管井井壁溫度與土壤蓄熱出口溫度對比如表3所示，平均偏差(mean bias error，MBE)在15%以內(nèi)，均方根誤差變化系數(shù)(coefficient of variation of the root-mean-square error，CV(RMSE))在20%以內(nèi)，均在合理范圍內(nèi)，證明了計算的土壤蓄熱出口溫度的準確性。

表2 實驗值與模擬值對比Tab. 2 Comparison between experimental and simulated values

表3 管壁平均溫度與土壤蓄熱出口平均溫度對比Tab. 3 Comparison of average temperature between pipe wall and soil heat storage outlet

3 影響因素

在系統(tǒng)各個設(shè)備確定的情況下，應(yīng)該考慮如何在滿足用戶需求的同時，使系統(tǒng)的運行情況達到最優(yōu)。

本文基于上述大連市某公共建筑研究系統(tǒng)運行參數(shù)對系統(tǒng)運行能耗與土壤溫度變化率的影響。系統(tǒng)運行能耗為土壤源熱泵系統(tǒng)和太陽能系統(tǒng)能耗之和，包括熱泵機組及各個水泵運行能耗；土壤溫度變化率為系統(tǒng)經(jīng)過一個運行周期后土壤溫度變化值與初始土壤溫度的比值。土壤溫度變化率越接近于零，土壤溫度波動越小。

正交試驗設(shè)計可以使用較少的試驗次數(shù)，了解試驗因素的重要性程度與交互作用，因此本文采用正交試驗方法進行模擬研究。

3.1 影響因素的重要程度

本文以熱泵夏季供水溫度、熱泵冬季供水溫度、負荷側(cè)水流量、土壤側(cè)水流量、蓄熱流量、蓄熱啟動溫度、蓄熱停止溫差、集熱流量、集熱運行溫差上限、集熱運行溫差下限、蓄集熱運行時間段11個因素為研究對象進行影響因素分析，11個因素在系統(tǒng)中相互獨立，互不相關(guān)。

正交試驗設(shè)計中不僅要考慮各因素對試驗?zāi)繕说挠绊?，還應(yīng)考慮因素間交互作用對試驗?zāi)繕私Y(jié)果的影響。將因素按順序進行編號，分別為A～K，如表4所示。通過交互作用判別[30]，對系統(tǒng)運行能耗有影響的兩因素交互作用有：E×F、E×G、E×H、E×I、E×J、F×G、G×H、G×J、H×I、H×J、J×K；對土壤溫度變化率有影響的兩因素交互作用有：E×F、E×G、E×H、E×J、F×G、G×H、G×J、G×K。根據(jù)研究對象，以系統(tǒng)運行能耗與土壤溫度變化率為目標在SPSS平臺設(shè)計11個因素兩水平正交表，共60個試驗方案，試驗總自由度為60，各影響源自由度均為1，該效應(yīng)檢驗?zāi)Ｐ途哂酗@著性。

表4 影響因素及水平Tab. 4 Factors and levels

通過方差分析，對系統(tǒng)運行能耗影響程度由大到小分別為：負荷側(cè)水流量、熱泵冬季供水溫度、土壤側(cè)水流量、熱泵夏季供水溫度、蓄熱啟動溫度、蓄集熱運行時間段、蓄熱停止溫度與集熱流量交互作用、蓄熱啟動溫度與蓄熱停止溫度交互作用、蓄熱流量、蓄熱流量與蓄熱啟動溫度交互作用。以顯著性為0.01為指標，其中重要的影響因素為前6項。對系統(tǒng)土壤溫度變化率影響程度由大到小分別為：熱泵冬季供水溫度、蓄熱啟動溫度、熱泵夏季供水溫度、蓄集熱運行時間段、土壤側(cè)水流量、集熱溫差上限、蓄熱啟動溫度與蓄熱停止溫度交互作用、集熱流量。以顯著性為0.01為指標，其中重要的影響因素為前5項。

3.2 影響規(guī)律

為研究影響因素對研究目標的影響規(guī)律，對11因素5水平共50個模擬方案在3種不同系統(tǒng)累計供熱供冷量比(以下簡稱為“供熱供冷量比”)下進行正交模擬試驗，運行周期為10年。供熱供冷量比為運行周期內(nèi)系統(tǒng)累計供熱量與累計供冷量的比值。當(dāng)建筑地理位置、圍護結(jié)構(gòu)性能、建筑使用情況等確定時，建筑負荷與室內(nèi)溫濕度設(shè)定有關(guān)，不同供熱供冷量比的冬季室內(nèi)設(shè)定溫濕度不同，均滿足規(guī)范要求[31]。

3.2.1 影響因素水平的選取

熱泵供水溫度冬季在40～60 ℃之間選取5個水平，夏季在5～13 ℃之間選取5個水平。熱泵蒸發(fā)器和冷凝器兩側(cè)對最小流量有一定要求，地埋管雙U形換熱器內(nèi)介質(zhì)流速不小于0.4 m/s，最低流速不低于0.2 m/s[32]。按照實驗測試中能達到最大流量與熱泵要求最小流量間均勻取5個水平。集熱流量與蓄熱流量在最小流量和系統(tǒng)達到最大流量間均勻選取5個水平。

集熱啟動溫差上限和蓄熱啟動溫度根據(jù)實際系統(tǒng)運行情況參考文獻[33]選??；集熱溫差下限參考文獻[34]選取。

對于該系統(tǒng)而言，系統(tǒng)全年分為4個時段，分別為冬季供熱期、供熱后過渡季、夏季供冷期、供冷后過渡季。蓄集熱運行時間段考慮5個水平，分別為：①供冷后過渡季運行、②所有過渡季運行、③供冷后過渡季和冬季運行、④冬季和所有過渡季運行、⑤全年運行。各影響因素水平如表5所示。

表5 各影響因素水平Tab. 5 Level of each influencing factors

3.2.2 正交結(jié)果

圖8所示為不同供熱供冷量比系統(tǒng)運行能耗隨各重要影響因素的變化。由圖8可知，負荷側(cè)水流量和熱泵冬季供水溫度對系統(tǒng)運行能耗影響較大，系統(tǒng)運行能耗隨著熱泵冬季供水溫度的升高而增大，隨著熱泵夏季供水溫度的升高而降低，這是由于熱泵冬季供水溫度增大，提高了熱泵冷凝器側(cè)的平均溫度，熱泵機組的功耗增加，系統(tǒng)運行能耗隨之增加；熱泵夏季供水溫度降低，減小了熱泵蒸發(fā)器側(cè)的平均溫度，熱泵機組的功耗增加，系統(tǒng)運行能耗亦增加。系統(tǒng)運行能耗與負荷側(cè)水流量、土壤側(cè)水流量成正比。負荷側(cè)水流量/土壤側(cè)水流量越大，水泵功耗越高，系統(tǒng)能耗也隨著增加。

圖8 不同供熱供冷量比系統(tǒng)運行能耗隨各重要影響因素的變化Fig. 8 Variation of system operation energy consumption with various important influencing factors under different load ratios

在一定范圍內(nèi)減小蓄熱啟動溫度，可以提高集熱效率，增加集熱量和蓄熱量，增加了太陽能系統(tǒng)蓄集熱運行時間，同時影響土壤溫度場，間接影響到土壤源熱泵系統(tǒng)運行能耗，從而影響系統(tǒng)運行能耗。

圖9所示為不同供熱供冷量比系統(tǒng)運行能耗隨不同蓄熱啟動溫度的變化。由圖9可知，當(dāng)供熱供冷量比為1.31時，系統(tǒng)運行能耗隨著蓄熱啟動溫度的升高而降低；而當(dāng)供熱供冷量比為2.32時，系統(tǒng)運行能耗隨著蓄熱啟動溫度的升高而升高；當(dāng)供熱供冷量比為1.77時，蓄熱啟動溫度為35 ℃時，系統(tǒng)運行能耗最低。通過分析模擬結(jié)果可知，在不同供熱供冷量比下，太陽能系統(tǒng)能耗均隨著蓄熱啟動溫度的升高而降低，而土壤源熱泵系統(tǒng)能耗均隨蓄熱啟動溫度的升高而升高。系統(tǒng)運行能耗影響為兩者綜合影響。所以不同的供熱供冷量比對系統(tǒng)運行能耗的影響規(guī)律不同。

圖9 不同供熱供冷量比系統(tǒng)運行能耗隨不同蓄熱啟動溫度的變化Fig. 9 Variation of system operation energy consumption with different start-up temperature of heat storage under different load ratio

太陽能系統(tǒng)不同時間段運行對土壤源熱泵系統(tǒng)有不同的影響，只在供冷季后過渡季運行，對后續(xù)系統(tǒng)供熱有正向影響，只在供熱后過渡季運行，對后續(xù)供冷有負面影響，在全年運行，對供熱有正向影響，對供冷有負面影響。對于不同的供熱供冷量比，系統(tǒng)周期運行結(jié)束后土壤溫度變化不同，太陽能系統(tǒng)不同時間段運行對系統(tǒng)運行能耗影響也不同。

圖10所示為不同供熱供冷量比系統(tǒng)運行能耗隨不同蓄集熱運行時間段的變化，當(dāng)供熱供冷量比為1.31時，供冷后過渡季蓄集熱為最優(yōu)蓄集熱運行時間段；當(dāng)供熱供冷量比為1.77時，供冷后過渡季和冬季蓄集熱為最優(yōu)蓄集熱運行時間段；當(dāng)供熱供冷量比為2.32時，全年蓄集熱為最優(yōu)蓄集熱運行時間段。

圖10 不同供熱供冷量比系統(tǒng)運行能耗隨不同蓄集熱運行時間段的變化Fig. 10 Variation of operating energy consumption of systems with different load ratios with different heat storage and collection operation periods

通過分析模擬結(jié)果可知，不同供熱供冷量比下，太陽能系統(tǒng)能耗均隨蓄集熱運行時間段的增加而增加，土壤源熱泵系統(tǒng)能耗均隨蓄集熱運行時間段的增加而減小，系統(tǒng)運行能耗影響為兩者綜合影響，可以看出隨著供熱供冷量比增大，太陽能最優(yōu)運行時間逐漸增長。

圖11所示為不同供熱供冷量比系統(tǒng)土壤溫度變化率隨各重要影響因素的變化，由圖11可知，對土壤溫度變化率影響較大的因素為熱泵供水溫度、蓄熱啟動溫度、蓄集熱運行時間段。

圖11 不同供熱供冷量比系統(tǒng)土壤溫度變化率隨各重要影響因素的變化Fig. 11 Variation of soil temperature change rate with various important influencing factors under different load ratios

土壤溫度變化率隨著熱泵冬季供水溫度的增大而增大，隨著熱泵夏季供水溫度的減小而增大。

當(dāng)周期運行后土壤溫度下降時，土壤溫度變化率小于零；當(dāng)周期運行后土壤溫度上升時，土壤溫度變化率大于零。熱泵冬季供水溫度的上升使熱泵機組的性能減弱，功耗增大，當(dāng)提供給用戶的熱量一定時，從土壤中取的熱量減少，土壤溫度變化率增大。熱泵夏季供水溫度的下降使得熱泵機組的性能減小，功耗增大，當(dāng)提供給用戶的熱量一定時，向土壤中放的熱量增大，使土壤溫度變化率增大。

當(dāng)長期運行土壤溫度下降時，減小蓄熱啟動溫度有利于土壤平衡；當(dāng)長期運行土壤溫度上升時，增大蓄熱啟動溫度有利于土壤平衡，因此蓄熱啟動溫度的降低有利于提高土壤溫度，若供熱供冷量比越接近1，太陽能系統(tǒng)的作用越小，反而會使土壤溫度上升。

當(dāng)供熱供冷量比為1.31時，針對土壤溫度變化率，太陽能蓄熱系統(tǒng)最優(yōu)運行時間為供冷后過渡季蓄集熱運行，而當(dāng)供熱供冷量比為2.32和1.77時，太陽能蓄熱系統(tǒng)最優(yōu)運行時間為全年蓄集熱運行。太陽能系統(tǒng)的運行對土壤溫度恢復(fù)有一定的作用。對于不同的供熱供冷量比，太陽能系統(tǒng)應(yīng)有不同的運行時間。

4 結(jié)論

1)太陽能系統(tǒng)地埋管與土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管運行相互獨立，在蓄熱井處存在局部熱影響，對于該獨立雙埋管太陽能輔助土壤源熱泵系統(tǒng)，通過簡化埋管連接與土壤熱平衡計算建立埋管區(qū)域模型，并以現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)驗證模型準確性，此模型可用于模擬太陽能系統(tǒng)對地埋管土壤區(qū)域長期熱影響。

2)以大連市某公共建筑為例，通過正交試驗設(shè)計和TRNSYS模擬對系統(tǒng)運行參數(shù)進行了全面研究，結(jié)果表明，對系統(tǒng)運行能耗具有重要影響的因素為負荷側(cè)水流量、熱泵冬季供水溫度、土壤側(cè)水流量、熱泵夏季供水溫度、蓄熱啟動溫度、蓄集熱運行時間段；對土壤溫度變化率具有重要影響的因素為熱泵冬季供水溫度、蓄熱啟動溫度、熱泵夏季供水溫度、蓄集熱運行時間段、土壤側(cè)水流量。

3)通過理論與模擬分析具有重要影響的運行參數(shù)對系統(tǒng)運行能耗和土壤溫度變化率的影響。結(jié)果表明，系統(tǒng)運行能耗與冬季熱泵供水溫度、負荷側(cè)與土壤側(cè)水流量均呈正相關(guān)，與夏季熱泵供水溫度呈負相關(guān)；土壤溫度變化率與冬季熱泵供水溫度呈正相關(guān)，與夏季熱泵供水溫度呈負相關(guān)。降低系統(tǒng)運行能耗最重要的是要在保證房間熱舒適及用戶需求的情況下，盡可能減小冬季熱泵供水溫度，增大夏季熱泵供水溫度，降低負荷側(cè)水流量與土壤側(cè)水流量；當(dāng)周期運行土壤溫度下降時，為減小土壤溫度波動，應(yīng)增加冬季熱泵供水溫度，降低夏季熱泵供水溫度。當(dāng)累計供熱供冷量比為1.31時，系統(tǒng)運行能耗與蓄熱啟動溫度呈負相關(guān)；當(dāng)累計供熱供冷量比為2.32時，系統(tǒng)運行能耗與蓄熱啟動溫度為正相關(guān)；而當(dāng)累計供熱供冷量比為1.77時，蓄熱啟動溫度為35 ℃時系統(tǒng)運行能耗最低。土壤溫度變化率與蓄熱啟動溫度呈負相關(guān)。對于不同的累計供熱供冷量比，太陽能系統(tǒng)應(yīng)有不同的運行方式。太陽能蓄集熱系統(tǒng)最優(yōu)運行時間和蓄熱啟動溫度均與系統(tǒng)累計供熱供冷量比有關(guān)。