張曉明，王 強，孫秋瑾，邵明宇，關浩然

(沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168)

我國嚴寒地區(qū)的大型公共建筑，長期以來一直以燃煤作為主要能源，運行能耗大、污染物排放多[1-3]。目前，全球的經(jīng)濟都在向低碳方向轉(zhuǎn)型[4-7]。地下水源熱泵作為一種使用可再生能源的應用技術，只需消耗少量電能即可獲得較高的熱量，能夠取得良好的節(jié)能效果[8-12]。太陽能是最為清潔的能源之一，不會產(chǎn)生有害物質(zhì)排放，不會造成環(huán)境污染，而且太陽能系統(tǒng)運行費用極低，是非常有利用價值的新能源技術[13]。然而太陽能具有不穩(wěn)定性，需要其他能源補充。將太陽能與地下水源熱泵聯(lián)合使用可以彌補二者的缺點[14-15]。目前新能源技術在嚴寒地區(qū)大型公共建筑中的實際應用較少 。筆者通過實驗和模擬兩種方式，分析太陽能輔助地下水源熱泵系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)大型公共建筑中的實際應用。

1 系統(tǒng)原理

以沈陽市某大型公共建筑為例。該建筑面積約45 000 m2，使用功能包括餐飲、酒店，辦公等。圖1為系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)包括太陽能集熱系統(tǒng)和地下水源熱泵系統(tǒng)，由兩臺地下水源熱泵機組承擔建筑全年負荷；由另一臺地下水源熱泵和太陽能系統(tǒng)聯(lián)合承擔建筑生活熱水。當太陽能輻射強度達到可供給生活熱水時，太陽能系統(tǒng)開啟，太陽能強度不足時，自動切換為地下水源熱泵供熱。

圖1 太陽能輔助地下水源熱泵系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of solar assisted GWHP system

所使用的槽式太陽能集熱器參數(shù)如表1所示，其結構為真空型玻璃管結構，管內(nèi)以導熱油作為循環(huán)工質(zhì),通過聚焦和吸收等過程，完成太陽能到熱能的轉(zhuǎn)化，以便于滿足不同的負載需求。導熱油油溫最高可達250 ℃，具有良好的集熱效果。

表1 槽式太陽能集熱器參數(shù)Table 1 Solar collector parameters

熱泵機組參數(shù)如表2所示，地下水源熱泵機組選用3臺，其中兩臺的主要作用是負責建筑冷熱負荷，并作為生活熱水的備用能源。第3臺的主要作用是在太陽能系統(tǒng)無啟的時間提供生活熱水，作為生活熱水的補充能源。在此系統(tǒng)中太陽能集熱器與地下水源熱泵互補使用，克服了太陽能系統(tǒng)在夜晚無法開啟的弊端。

表2 地下水源熱泵機組參數(shù)Table 2 Parameters of GWHP unit

2 實驗內(nèi)容

測試時間從2020年5月1日開始，到2021年5月1日結束。測試所使用的儀器如表3所示。通過對管道內(nèi)流體的溫度和流量的測量，可以計算出太陽能系統(tǒng)產(chǎn)熱量、地下水源熱泵系統(tǒng)產(chǎn)熱量等數(shù)據(jù)，使用萬用表對耗電量進行測量，進而可計算出熱泵機組逐時COP。

表3 實驗儀器Table 3 Experimental instrument

(1)

式中:Qp為熱泵機組制熱量，kW·h；m為質(zhì)量流量，kg/h；cw為流體比熱，kJ/(kg·℃)；th、tc分別為機組進出口溫度，℃。

(2)

(3)

式中:COPh為熱泵機組制熱性能系數(shù)；EERh為熱泵機組制冷性能系數(shù)；Wp為壓縮機耗功率，kW；Qpr為機組在冬季的制熱量，kW；Qpl為機組在夏季的制冷量，kW。

3 仿真模型

3.1 DeST計算模型

筆者使用DeST軟件建立了建筑模型(見圖2)。建筑的供暖季從11月1日開始，到次年3月31日結束?？照{(diào)季從5月17日開始，到9月15日結束。計算建筑全年逐時負荷，將DeST計算結果導入Trnsys仿真模型，用于進一步計算。

圖2 DeST計算模型Fig.2 DeST calculation model

3.2 Trnsys計算模型

使用Trnsys軟件建立太陽能輔助地下水源熱泵系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)模型如圖3所示。模型包括兩個輸出末端，分別為生活熱水端和建筑負荷端。太陽能集熱器選用槽式集熱器type536，熱泵機組選用type225，冷熱控制選用type14h。通過控制器控制機組啟停和閥門切換。使用氣象參數(shù)控制模塊，輸入不同典型城市的氣象參數(shù)。同時建立了單獨地下水源熱泵系統(tǒng)的仿真模型，作為對比方案。在此模型中，建筑全年冷熱負荷和生活熱水都由熱泵機組負責，地下水源熱泵系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖3 太陽能輔助地下水源熱泵系統(tǒng)模型Fig.3 Solar assisted GWHP system model

圖4 地下水源熱泵系統(tǒng)模型Fig.4 GWHP system model

4 結果與分析

4.1 實驗結果

太陽能全年開啟時間實驗測試結果如圖5所示，夏季的開啟時間明顯高于冬季。系統(tǒng)全年開啟時間為47 683 min，供水溫度50 ℃，可制備生活熱水約0.082 m3/min,全年可制備生活熱水總量為3 910 m3。在冬至日開啟時間為43 min，在夏至日開啟時間為623 min。

圖5 太陽能系統(tǒng)開啟時間Fig.5 Solar system startup time

系統(tǒng)中熱泵機組1和2的功能均為負擔建筑冷熱負荷，在負荷改變時，兩臺機組同時變化開啟率，因此以機組1為代表。圖6為熱泵機組耗電量測試結果。夏季太陽能輻射強度高，太陽能系統(tǒng)開啟時間長，機組耗電量相對較低；冬季太陽能系統(tǒng)開啟時間短，因此熱泵機組耗電量相對較高?；跍y試結果，進行了機組全年COP/EER計算(見圖7)。熱泵機組1供暖季平均COP約4.23，制冷季平均EER約4.68；熱泵機組3全年平均制熱COP約4.08。地下水的溫度并不是恒定不變的，而是受到周圍環(huán)境的影響和地下水源熱泵取熱與補熱的影響。一年中地下水溫最高約18 ℃，出現(xiàn)在制冷季結束前后，地下水溫最低約12 ℃，出現(xiàn)在供暖季結束前后。

圖6 熱泵機組耗電量Fig.6 Heat pump unit power consumption

圖7 熱泵機組全年COP/EERFig.7 Annual COP/EER of heat pump units

4.2 模擬結果

使用DeST軟件模擬計算建筑全年負荷，圖8為建筑全年逐時冷熱負荷和全年所需生活熱水負荷。生活熱水負荷的大小與供水量和自來水溫度有關，供水量平均每天需要約15 m3，而自來水溫度在夏季最高約18 ℃，在冬季最低約12 ℃。這種溫度的差異造成生活熱水負荷是一條變化的曲線。由于建筑供暖的需求，地下水源熱泵從地下取熱，由于建筑供冷的需求，地下水源熱泵向地下補熱。全年總熱負荷大于冷負荷，比例約1.1/1。加上生活熱水的負荷，這種比例被放大到約1.3/1。當有太陽能系統(tǒng)加入之后，這種不平衡被縮減到約1.15/1。這有利于改善地下水溫度的堆積情況。

圖8 建筑全年逐時負荷Fig.8 Annual hourly load of the building

沈陽地區(qū)的全年太陽能輻射強度統(tǒng)計如圖9所示。經(jīng)過計算，當太陽能輻射強度達到450 W/m2以上時，太陽能系統(tǒng)自動開啟。圖10是對熱泵機組1和3的全年COP模擬結果，熱泵機組1承擔建筑冷熱負荷，在過渡季不開啟，熱泵機組3作為生活熱水的補充熱源，需要全年開啟。模擬的結果與實驗結果基本保持一致。

圖9 太陽能輻射強度Fig.9 Solar radiation intensity

圖10 熱泵機組全年逐時COP模擬結果Fig.10 Annual hourly COP simulation results of heat pump units

4.3 誤差分析

為檢驗所建立的Trnsys模型的準確性，筆者進行誤差分析。

(4)

式中：δ為實際相對誤差；Δ為絕對誤差；L為真值。

造成誤差的重要原因之一是測量精度。使用萬用表測量耗電量時造成的誤差，產(chǎn)生的原因包括檔位不同所帶來的表頭靈敏度差異，機械調(diào)零時帶來的誤差等；熱電偶溫度計由于線路距離過長產(chǎn)生的溫度偏差等。分別選取太陽能系統(tǒng)開啟時間和熱泵機組3的COP作為對比數(shù)據(jù)。圖11為相對誤差分析結果，太陽能開啟時間的全年最大對誤差約5.1%。熱泵機組3的COP全年最大相對誤差約7.1%。

圖11 相對誤差分析Fig.11 Relative error analysi

4.4 對比分析

將太陽能輔助地下水源熱泵的聯(lián)合運行系統(tǒng)與單獨地下水源熱泵系統(tǒng)進行初投資和運行能耗對比?；赥rnsys仿真模型，模擬了兩種模式的全年耗電量。初投資及運行費用統(tǒng)計如表4所示。只有地下水源熱泵機組單獨運行的系統(tǒng)，機組耗電量比兩系統(tǒng)聯(lián)合運行系統(tǒng)增加約25%。在初投資對比方面，聯(lián)合運行系統(tǒng)增加了約81萬元的初投資，但每年可以節(jié)省運行費用24.5萬元，投資回收期約3.3年。太陽能系統(tǒng)的加入，雖然增加了部分初投資，但是在運行費用上大大降低。太陽能系統(tǒng)的能耗全部來自于循環(huán)水泵，能耗遠低于其他系統(tǒng)。

表4 系統(tǒng)初投資及運行費用Table 4 Initial investment and operation fees 萬元

5 結 論

(1)太陽能開啟時間的模擬結果與實驗結果的最大相對誤差約5.1%；在模擬地下水源熱泵COP時，模擬結果與實驗結果的最大相對誤差約7.1%。

(2)此槽式太陽能集熱器系統(tǒng)的最小開啟輻射強度約450 W/m2，在冬至日開啟時間約43 min，在夏至日開啟時間約623 min。

(3)地下水的溫度并不是保持恒定不變的，一年中地下水溫最高約18 ℃，出現(xiàn)在制冷季結束前后，地下水溫最低約12 ℃，出現(xiàn)在供暖季結束前后。熱泵機組1供暖季平均COP約4.23，制冷季平均EER約4.68；熱泵機組3全年平均COP約4.08。

(4)嚴寒地區(qū)雖然太陽能輻射強度較低，但太陽能系統(tǒng)仍然有較好的利用價值。對比單獨地下水源熱泵系統(tǒng)，太陽能與地下水源熱泵聯(lián)合運行系統(tǒng)在初投資方面增加約81萬元，年運行費用降低約24.5萬元，投資回收期約3.3 a，是一種有較好使用前景的能源系統(tǒng)。