邵正日，劉 龍，梁金廣，謝華清，李國威，錢 龍，李嘉魏

(1.營口理工學(xué)院 遼寧省儲能與能源利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 營口 115014；2.營口理工學(xué)院 機(jī)械與動力工程學(xué)院，遼寧 營口 115014；3.青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266520；4.東北大學(xué)冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

0 引言

近些年，我國大力發(fā)展可再生能源高效利用技術(shù)，以減少化石能源對環(huán)境的影響[1]。其中，土壤源熱泵技術(shù)是一種典型的可再生能源利用技術(shù)[2]。該技術(shù)雖然具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，但土壤并不是理想的熱源，若地埋管附近土壤的供熱量得不到及時補(bǔ)充，當(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時，必然會導(dǎo)致地埋管附近的土壤溫度持續(xù)降低，進(jìn)而影響熱泵系統(tǒng)的工作性能[3]。尤其是在我國北方地區(qū)，冬季供暖的熱負(fù)荷遠(yuǎn)高于夏季制冷的制冷量，運(yùn)行若干年后，會造成土壤的冷堆積[4]。基于此，許多學(xué)者提出將太陽能作為補(bǔ)充熱源，與土壤源復(fù)合使用，以彌補(bǔ)土壤源的不足，進(jìn)而提高熱泵系統(tǒng)的工作性能。

韓宗偉[5]提出了太陽能-土壤源相變蓄熱供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境溫度和自身工作狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)9種運(yùn)行模式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，供暖末期復(fù)合源熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)(Coefficient of Performance，COP）較 高，可 達(dá) 到6.13，供 暖 中 期 該 系 統(tǒng)的COP較低，約為2.94，但仍大于土壤源熱泵系統(tǒng)間歇運(yùn)行時的COP。劉杰[6]基于TRNSYS軟件搭建了太陽能—土壤源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)，并通過數(shù)值模擬得到太陽能集熱器集熱面積與地埋管長度的最佳配比，分析結(jié)果表明，太陽能集熱器與地埋管長度的最佳配比取決于太陽能資源、地質(zhì)參數(shù)等因素，對于沈陽地區(qū)集熱面積為1 m2的太陽能集熱器，可以保證30～42 m地埋管換熱器的熱平衡。山強(qiáng)[7]基于TRNSYS軟件對太陽能跨季節(jié)蓄熱增強(qiáng)土壤源熱泵供暖系統(tǒng)(Ground Source Heat Pump Heating System with Seasonal Solar Thermal Energy Storage Enhancement，SSTESGSHP）進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，分析結(jié)果表明，SSTES-GSHP運(yùn)行10 a仍然可保證土壤源溫度達(dá)到初始溫度以上。

目前，學(xué)者們對復(fù)合源熱泵系統(tǒng)的研究雖然較多，但對于太陽能應(yīng)用于土壤源熱泵系統(tǒng)低溫?zé)嵩炊说膶?shí)驗(yàn)研究不夠深入。為了深入研究太陽能的加入對熱泵系統(tǒng)各項(xiàng)性能的影響，本課題在遼寧省營口市搭建了太陽能—土壤源復(fù)合熱泵系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果深入分析了蒸發(fā)器進(jìn)口溫度對熱泵系統(tǒng)各項(xiàng)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上研究了復(fù)合源熱泵工況和太陽能熱泵工況下熱泵系統(tǒng)的工作性能，進(jìn)而明確有利于太陽能梯級利用的運(yùn)行方式。

1 兩種能源互補(bǔ)優(yōu)勢及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 互補(bǔ)優(yōu)勢分析

太陽能具有總量巨大、清潔環(huán)保的特點(diǎn)，但其還具有能流密度較低的分散性，以及極易受到氣象因素影響的不穩(wěn)定性，這些不足給太陽能的廣泛應(yīng)用增加了一定的難度，因此，在應(yīng)用太陽能時，須要增加儲能設(shè)備，并且需要其他能源作為補(bǔ)充和保障[8]。土壤源也具有總量巨大、清潔環(huán)保的特點(diǎn)，對于土壤源熱泵系統(tǒng)主要利用的是淺層地?zé)豳Y源[9]。在土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要不斷地從土壤中提取熱量，由于土壤的導(dǎo)熱性能會受到孔隙率、滲流速度、土壤內(nèi)顆粒分布、土壤骨架導(dǎo)熱系數(shù)以及回填材料導(dǎo)熱系數(shù)等因素的影響，導(dǎo)致周圍土壤不一定能及時將熱量傳遞并完全補(bǔ)充地埋管附近土壤被提取的熱量，使得當(dāng)熱泵系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時，地埋管附近的土壤溫度會持續(xù)降低，于是蒸發(fā)器進(jìn)口溫度也隨之降低，最終影響熱泵系統(tǒng)的工作性能[10]。如果將太陽能應(yīng)用到土壤源熱泵系統(tǒng)中，通過太陽能的即時利用和土壤短期儲熱，有利于促進(jìn)土壤溫度的提升與恢復(fù)，進(jìn)而提高熱泵系統(tǒng)的工作性能，此外，利用太陽能的跨季蓄熱，可進(jìn)一步解決土壤源的冷堆積問題。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)簡介

圖1為太陽能—土壤源復(fù)合熱泵系統(tǒng)示意圖。

圖1 太陽能—土壤源熱泵系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram of solar ground source heat pump system

由圖1可知，太陽能—土壤源復(fù)合熱泵系統(tǒng)由太陽能集熱子系統(tǒng)、地埋管換熱器子系統(tǒng)、熱泵機(jī)組子系統(tǒng)和供暖末端子系統(tǒng)組成。

其中，太陽能集熱器采用真空管集熱器，共24組，總集熱面積為150 m2。集熱水箱的容量為1 000 L。地埋管換熱器為雙U型地埋管，共24組(按4×6的方形矩陣布置），單管外徑為32 mm、壁厚為3 mm，埋深為100 m。熱泵機(jī)組的型號為HE-70TDB，額定制熱量為61 kW，額定制熱輸入功率為16.4 kW，額定制冷量為62 kW，額定制冷輸入功率為11.8 kW，熱泵機(jī)組內(nèi)設(shè)有兩臺壓縮機(jī)，熱泵機(jī)組運(yùn)行時可根據(jù)需要設(shè)置單臺壓縮機(jī)或兩臺同時運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)樓供暖面積為1 300 m2。

實(shí)驗(yàn)平臺的監(jiān)控與測量系統(tǒng)為基于PLC和組態(tài)軟件的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括下位機(jī)和上位機(jī)。其中，下位機(jī)采用SIEMENS S7-200 PLC實(shí)現(xiàn)復(fù)合源熱泵系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時采集以及各運(yùn)行工況的自動控制；上位機(jī)采用組態(tài)王KingView6.53作為監(jiān)控組態(tài)軟件，并利用RS-485與下位機(jī)實(shí)時通訊，實(shí)現(xiàn)復(fù)合源熱泵系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及歷史數(shù)據(jù)的記錄、查詢與輸出。

實(shí)驗(yàn)平臺布置的傳感器及相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)平臺布置的傳感器及其參數(shù)Table 1 Various sensors and related parameters arranged on the experimental platform

為了獲得太陽能—土壤源復(fù)合熱泵系統(tǒng)(以下簡稱為復(fù)合源熱泵系統(tǒng)）的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)以及氣象參數(shù)等，本實(shí)驗(yàn)臺布置了多種傳感器。其中，埋管井和觀測井中各測點(diǎn)布置情況如圖2所示。

圖2 埋管井和觀測井中各測點(diǎn)布置情況示意圖Fig.2 Schematic diagram of the layout of each measuring point in the buried pipe well and observation well

由圖2可知，為了獲得土壤溫度的變化情況，本實(shí)驗(yàn)臺在埋管井B1內(nèi)布置了6個測點(diǎn)，埋深分 別 為5，10，20，60，80，100 m，在 埋 管 井B1，B2之間(間距為5 m）設(shè)置了4個觀測井，分別記為B11～B14，相鄰的埋管井與觀測井以及觀測井之間的間距均為1 m。每個觀測井內(nèi)布置3個測溫點(diǎn)，埋 深 分 別 為5，10，20 m。

復(fù)合源熱泵系統(tǒng)具有4種運(yùn)行工況，如圖3所示。

由圖3可知，復(fù)合源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行策略主要是基于不同溫度層次的太陽能集熱量(即集熱水箱溫度T1），自動控制系統(tǒng)控制不同電動閥和循環(huán)泵的狀態(tài)，從而改變太陽能集熱子系統(tǒng)與地埋管換熱器子系統(tǒng)、熱泵機(jī)組子系統(tǒng)的連接方式，實(shí)現(xiàn)太陽能集熱量的梯級利用，最終達(dá)到提高熱泵系統(tǒng)工作性能的目的。

表征熱泵機(jī)組工作性能的參數(shù)包括熱泵機(jī)組性能系數(shù)COP，熱泵機(jī)組的吸熱量和制熱量等。根據(jù)熱泵的理想工作循環(huán)(即逆向卡諾循環(huán)），可得到熱泵機(jī)組性能系數(shù)COP=T2/(T2-T1）[11]。其中：T1為蒸發(fā)溫度，T2為冷凝溫度。將COP分別對T1和T2求導(dǎo)，可得：

由式(1）可知，熱泵機(jī)組性能隨蒸發(fā)溫度的變化率高于熱泵機(jī)組性能隨冷凝溫度的變化率，表明蒸發(fā)溫度對熱泵系統(tǒng)性能的影響高于冷凝溫度。因此，本文重點(diǎn)討論引進(jìn)太陽能后，提高蒸發(fā)溫度對熱泵系統(tǒng)性能的影響。另外，復(fù)合源熱泵系統(tǒng)的4種工況中，復(fù)合源熱泵工況和太陽能熱泵工況均是將太陽能利用于熱泵機(jī)組低溫?zé)嵩?以下簡稱為熱源）端的太陽能利用方式，并且供暖季這兩種工況的運(yùn)行時間較長，因此有必要深入研究這兩種工況下熱泵系統(tǒng)的工作性能，進(jìn)而明確這兩種工況更合理的運(yùn)行條件。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)階段包括冬季供暖階段(2021年10月22日-2022年4月1日）、土壤自然恢復(fù)階段(2022年4月1日-6月10日）、土壤跨季蓄熱階段(2022年6月10日-10月8日）。

2.1 蒸發(fā)器進(jìn)口溫度對熱泵性能的影響

蒸發(fā)器進(jìn)口溫度對熱泵系統(tǒng)各項(xiàng)性能參數(shù)的影響如圖4，5所示。

圖4 蒸發(fā)器出口溫度以及熱泵機(jī)組各項(xiàng)能量隨蒸發(fā)器進(jìn)口溫度的變化情況Fig.4 The variation of evaporator outlet temperature and various energies of the heat pump unit with the inlet temperature of the evaporator

由圖4可知，隨著蒸發(fā)器進(jìn)口溫度逐漸升高，蒸發(fā)器出口溫度也逐漸升高，呈近似線性的變化趨勢，進(jìn)而引起熱泵機(jī)組吸熱量逐漸增加。此外，隨著蒸發(fā)器進(jìn)口溫度的升高，熱泵輸入功率也略有增加，由6.21 kW增加至6.91 kW，這是由于蒸發(fā)溫度的升高，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣比體積降低，進(jìn)而導(dǎo)致壓縮機(jī)的比容積壓縮功增大，因此壓縮機(jī)壓縮并輸送單位體積工質(zhì)所消耗的功增大[12]。綜上，隨著蒸發(fā)器進(jìn)口溫度的升高，熱泵機(jī)組吸熱量和熱泵機(jī)組輸入功率均逐漸增大，于是導(dǎo)致熱泵機(jī)組制熱量逐漸增大。

由圖5可知，隨著蒸發(fā)器進(jìn)口溫度的升高，熱泵機(jī)組COP和熱泵系統(tǒng)COP均逐漸升高，這是由于在此過程中熱泵機(jī)組供熱量增幅較大，熱泵機(jī)組輸入功率增幅很小，其他循環(huán)泵輸入功率基本不變。由圖5還可看出，熱泵系統(tǒng)COP整體上比熱泵機(jī)組COP約低了2.28，這是由于計算熱泵機(jī)組COP時，只考慮了熱泵機(jī)組內(nèi)壓縮機(jī)的輸入功率，計算熱泵系統(tǒng)COP時，在此基礎(chǔ)上還考慮各循環(huán)泵的輸入功率。由此可見，熱泵系統(tǒng)是否節(jié)能不能僅著眼于熱泵機(jī)組的性能系數(shù)。

圖5 熱泵機(jī)組和熱泵系統(tǒng)的COP隨蒸發(fā)器進(jìn)口溫度的變化情況Fig.5 The variation of COP of heat pump units and heat pump systems with the inlet temperature of the evaporator

2.2 太陽能加入熱源端時熱泵工作性能分析

2.2.1太陽能的短期儲熱和即時利用

復(fù)合源熱泵工況運(yùn)行時，熱泵系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的變化情況如圖6，7所示。

圖6 復(fù)合源熱泵工況運(yùn)行時，熱源側(cè)各溫度的變化情況Fig.6 The variation of temperature on the heat source side during one operating cycle of a composite source heat pump

結(jié) 合 圖6，7可 知，9：30-9：47，熱 泵 系 統(tǒng) 處 于啟動等待階段，在該階段熱泵機(jī)組未啟動，則蒸發(fā)器進(jìn)口溫度和出口溫度基本相同，蒸發(fā)器吸熱量為0。但太陽能集熱子系統(tǒng)仍然向熱泵系統(tǒng)的熱源端持續(xù)供熱，太陽能總供熱量約為21 144.62 kJ，因此，太陽能集熱子系統(tǒng)的供熱量完全儲存于土壤中，產(chǎn)生太陽能向土壤短期儲熱的運(yùn)行情況，這種運(yùn)行情況有利于土壤溫度的恢復(fù)。當(dāng)土壤再次向熱泵機(jī)組供熱時，蒸發(fā)器進(jìn)口溫度提高，進(jìn)而提高熱泵系統(tǒng)COP，此外，這種運(yùn)行情況會降低集熱水箱溫度，進(jìn)而有利于提高太陽能集熱子系統(tǒng)的 集 熱 效 率。由 圖6還 可 看 出，9：48-10：19，熱 泵系統(tǒng)處于運(yùn)行階段，該階段初始時刻，蒸發(fā)器出口溫度迅速降低，然后蒸發(fā)器進(jìn)、出口溫度均逐漸升高，這是由于該時段太陽輻射強(qiáng)度在逐漸增加，導(dǎo)致太陽能集熱量逐漸增大，集熱水箱溫度隨之升高，導(dǎo)致蒸發(fā)器進(jìn)、出口溫度均逐漸升高。但該時段蒸發(fā)器進(jìn)、出口溫度的升高幅度均很小，分別升高了0.76，0.34℃，這對熱泵機(jī)組吸熱量的影響微乎其微，因此熱泵機(jī)組吸熱量基本上沒有發(fā)生變化。此外，此時段太陽能供熱量略有升高，使得土壤取熱量略有減小，這也有利于減輕土壤源的供熱負(fù)荷，進(jìn)而促進(jìn)土壤溫度的恢復(fù)。

2.2.2復(fù)合源熱泵工況與太陽能熱泵工況的對比

①兩個測試日氣象條件的對比

復(fù)合源熱泵工況與太陽能熱泵工況均為將太陽能運(yùn)用于熱泵系統(tǒng)熱源端的運(yùn)行工況。對于這兩種運(yùn)行工況的優(yōu)先順序可以通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析加以明確。本課題組選取氣象條件相近的兩個測試日(2022年3月13日、14日）分別運(yùn)行太陽能熱泵和復(fù)合源熱泵，實(shí)驗(yàn)時間均為9：03-17：33。實(shí)驗(yàn)過程中，保持供熱溫度不變，以減少對熱泵冷凝溫度的影響。兩個測試日，太陽輻射強(qiáng)度和室外溫度的變化情況如圖8所示。

圖8 兩個測試日，太陽輻射強(qiáng)度和室外溫度的變化情況Fig.8 Changes in solar radiation intensity and outdoor temperature over two test days

由圖8可知，兩個測試日，太陽輻射強(qiáng)度和室外溫度均呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢。其中，太陽輻射強(qiáng)度的最大值分別為915.67，924.50 W/m2，太陽輻射強(qiáng)度平均值分別為631.41，633.87 W/m2，室外最低溫 度分別 為1.00，1.50℃，室外 最高溫度分別為6.03，6.42℃。綜上可知，兩個測試日的氣象條件大體相近。

②復(fù)合源熱泵工況下，熱源側(cè)能量及土壤源溫度變化趨勢的分析

復(fù)合源熱泵工況下，土壤源和太陽能共同作用于熱源側(cè)，熱源側(cè)能量變化情況如圖9所示。

圖9 復(fù)合源熱泵工況下，熱源側(cè)各能量的變化情況Fig.9 The variation of energy on the heat source side under the working condition of a composite source heat pump

由圖9可知，復(fù)合源熱泵工況的運(yùn)行過程共分 為3個 階 段。運(yùn) 行 初 期(9：03-10：23），熱 泵 機(jī) 組吸熱量由土壤源和太陽能共同提供，并且該時段太陽能供熱量由11.27 kW逐漸增加至27.65 kW，土壤源供熱量由15.53 kW逐漸減少至0 kW；運(yùn)行中 期(10：24-16：03），土 壤 源 供 熱 量 始 終 為 負(fù) 值，這表明在此階段，土壤源不但不向熱泵機(jī)組提供熱量，反而不斷從外界吸收熱量，而太陽能集熱子系統(tǒng)不僅向熱泵機(jī)組提供熱量，還向土壤源不斷儲熱，使得名義上的復(fù)合源熱泵工況變成了太陽能熱泵工況加土壤源短期儲熱，這是由于此階段太陽能集熱量的溫度層次較高，使得蒸發(fā)器出口溫度高于土壤源溫度，因此工質(zhì)離開蒸發(fā)器進(jìn)入地埋管后，仍繼續(xù)向土壤源放熱；運(yùn)行末期(16：04-17：33），隨著太陽輻射強(qiáng)度的逐漸降低，太陽能供熱量逐漸降低，熱泵系統(tǒng)熱源端又變成了土壤源和太陽能共同向熱泵機(jī)組提供熱量運(yùn)行。整體來看，太陽能提供熱量與土壤源提供熱量形成了對稱的變化趨勢，二者的波峰與波谷約出現(xiàn)在13：30。

圖10為復(fù)合源熱泵工況下，埋管井土壤源溫度的變化情況。

圖10 復(fù)合源熱泵工況下，埋管井土壤源溫度變化情況Fig.10 The variation of soil source temperature in a buried tube well under the working condition of a composite source heat pump

由圖10可知，太陽能的加入使土壤源(這里主要指地埋管附近的土壤源）溫度發(fā)生波動。以60 m深度的土壤源溫度為例。9：03-10：03，土壤源溫度由8.50℃逐漸降低至最低溫度8.06℃，這是由于該時段，土壤源與太陽能共同向熱泵機(jī)組供熱，因此土壤源溫度逐漸降低；10：04-14：53，土壤源溫度由8.06℃逐漸升高至最高溫度9.81℃，這是由于此時段太陽能集熱量向土壤進(jìn)行短期儲熱；14：54以后，由于太陽輻射強(qiáng)度逐漸降低，土壤源儲熱量逐漸減少，直至試驗(yàn)后期，土壤源和太陽能再次共同向熱泵機(jī)組提供熱量，因此導(dǎo)致這個時段土壤溫度逐漸降低。結(jié)合圖9，10可知，土壤源最低溫度出現(xiàn)在土壤短期儲熱時段之前，即出現(xiàn)在運(yùn)行中期開始之前(10：24之前），這是由于10：03-10：23，土壤源供熱量很少，低于2.44 kW，與此同時，周圍土壤不斷向地埋管附近土壤傳熱，因此，10：03之后土壤溫度開始逐漸升高。

③兩種工況下，熱泵系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)的對比分析

通過以上分析可知，復(fù)合源熱泵存在短期蓄熱以及土壤源和太陽能共同向熱泵機(jī)組供熱2種運(yùn)行情況，這必然會導(dǎo)致復(fù)合源熱泵的運(yùn)行結(jié)果與太陽能熱泵存在較大差別。圖11，12為兩種工況下，集熱水箱溫度T1、蒸發(fā)器進(jìn)口溫度T2以及熱泵機(jī)組COP的變化情況。

圖11 兩種工況下，集熱水箱溫度、蒸發(fā)器進(jìn)口溫度的變化情況Fig.11 Changes in the temperature of the collector water tank and the inlet temperature of the evaporator under two working conditions

圖12 兩種工況下，熱泵機(jī)組COP的變化情況Fig.12 Changes in COP of heat pump units under two operating conditions

由圖11，12可知，兩種工況下，集熱水箱溫度、蒸發(fā)器進(jìn)口溫度和熱泵機(jī)組COP均呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，但變化幅度存在明顯的差別。9：03-10：53，太陽能熱泵工況下的集熱水箱溫度始終低于復(fù)合源熱泵工況，這是由于試驗(yàn)初期，在太陽能集熱量較少的情況下，太陽能熱泵工況僅依靠太陽能集熱量向熱泵機(jī)組供熱，沒有輔助熱源，而復(fù)合源熱泵工況由太陽能和土壤源共同向熱泵機(jī)組提供熱量，此時段復(fù)合源熱泵工況有利于集熱水箱的儲熱，而集熱水箱溫度會影響蒸發(fā)器進(jìn)口溫度，最終導(dǎo)致該時段太陽能熱泵工況下的熱泵機(jī)組COP低于復(fù)合源熱泵工況。10：54-17：33，太 陽 能 熱 泵 工 況 下 的 集 熱 水 箱溫度高于復(fù)合源熱泵工況，這是由于此階段前期(10：54-16：03），復(fù) 合 源 熱 泵 工 況 下，太 陽 能 集 熱量需要同時向熱泵機(jī)組和土壤源提供熱量，這不利于集熱水箱溫度的提升，使得集熱水箱溫度始終處于較低的狀態(tài)，而太陽能熱泵工況下，太陽能集熱量除了向熱泵機(jī)組供熱以外，其余熱量儲存于集熱水箱內(nèi)，使得集熱水箱溫度始終處于較高的狀態(tài)。對比復(fù)合源熱泵工況和太陽能熱泵工況，前者將多余的太陽能集熱量儲存于土壤源和集熱水箱里，由于土壤源的熱容量較大，導(dǎo)致熱泵機(jī)組熱源端始終處于低溫狀態(tài)(蒸發(fā)器進(jìn)口溫度較低），進(jìn)而導(dǎo)致熱泵機(jī)組的COP較低，但這有利于提高太陽能總儲熱量(土壤儲熱量和集熱水箱儲熱量）；后者將多余的太陽能集熱量僅儲存于集熱水箱里，這使得熱泵機(jī)組熱源端處于高溫狀態(tài)(蒸發(fā)器進(jìn)口溫度較高），進(jìn)而導(dǎo)致熱泵機(jī)組的COP較高，但相比而言，太陽能總儲熱量較少。此階段后期(16：04-17：33）隨著太陽輻射強(qiáng)度逐漸降低，太陽能集熱量逐漸減少，雖然太陽能熱泵工況下的集熱水箱溫度仍相對較高，但逐漸向復(fù)合源熱泵工況靠攏，且前者的降低幅度較大。此時段內(nèi)，太陽能熱泵工況下蒸發(fā)器進(jìn)口溫度的降低幅度也較大，而復(fù)合源熱泵工況下的蒸發(fā)器進(jìn)口溫度降低幅度較小，這說明在太陽輻射強(qiáng)度較低的情況下，復(fù)合源熱泵有利于保證熱泵機(jī)組的熱源端溫度相對穩(wěn)定。此外，此時段內(nèi)，雖然太陽能熱泵工況下熱泵機(jī)組的COP仍相對較高，但降低幅度較大，試驗(yàn)結(jié)束時，復(fù)合源熱泵工況下的熱泵機(jī)組COP已經(jīng)略高于太陽能熱泵工況。

由上述分析結(jié)果可知，復(fù)合源熱泵工況與太陽能熱泵工況的影響存在較大的不同。前者在太陽能集熱量較低時，有利于保證熱泵機(jī)組熱源端的吸熱量，在太陽能集熱量較高時，有利于太陽能儲熱，但不利于提高熱泵機(jī)組的COP；后者在太陽能集熱量較低時，不利于保證熱泵機(jī)組熱源端的吸熱量，在太陽能集熱量較高時，有利于提高熱泵機(jī)組的COP。綜合考慮，為了提升熱泵機(jī)組的工作性能，保證熱泵機(jī)組熱源端的吸熱量，實(shí)現(xiàn)不同溫度層次太陽能的有效利用，本文選取在太陽能集熱量較低時(即集熱水箱溫度較低時），優(yōu)先運(yùn)行復(fù)合源熱泵工況，在太陽能集熱量較高時，優(yōu)先運(yùn)行太陽能熱泵工況。

2.3 土壤源跨季蓄熱實(shí)驗(yàn)分析

由上文可知，土壤源的溫度會嚴(yán)重影響復(fù)合源熱泵系統(tǒng)的工作性能，并且在嚴(yán)寒地區(qū)長期運(yùn)行土壤源熱泵系統(tǒng)，會發(fā)生土壤源冷堆積現(xiàn)象。因此，本課題基于觀測井B12～B14中埋深20 m測點(diǎn)的測量結(jié)果，分析不同實(shí)驗(yàn)階段土壤溫度的變化情況(觀測井B11中的測點(diǎn)由于受到滲流等因素的影響，測量結(jié)果趨近于埋管井溫度），以確定土壤源跨季蓄熱的必要性[13]。

①冬季供暖階段，土壤源溫度變化情況

在冬季供暖階段，各個測點(diǎn)溫度變化趨勢如圖13所示。

圖13 供暖階段各個測點(diǎn)溫度變化趨勢Fig.13 During the heating phase,the temperature change trend at each measuring point

由圖13可知，供暖開始時，各測點(diǎn)溫度的平均值為11.44℃，隨著供暖過程的持續(xù)進(jìn)行，土壤源溫度呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢，供暖階段結(jié)束時，各測點(diǎn)溫度的平均值降低至9.39℃，土壤源溫度降低了2.05℃。

②土壤自然恢復(fù)階段，土壤源溫度變化情況

為了分析土壤源溫度的自然恢復(fù)能力，在供暖階段結(jié)束后，沒有立即利用太陽能集熱系統(tǒng)向土壤源進(jìn)行強(qiáng)制蓄熱，而是讓土壤源溫度自然恢復(fù)2個多月，各個測點(diǎn)溫度變化趨勢見圖14。

圖14 土壤自然恢復(fù)階段各個測點(diǎn)溫度變化趨勢Fig.14 During the natural recovery stage of soil,the trend of temperature changes at various measuring points

由圖14可知，在土壤自然恢復(fù)階段，土壤源溫度整體上呈現(xiàn)出先略有降低后逐漸升高的變化趨勢。2022年4月1日，各測點(diǎn)溫度的平均值為9.39℃。2022年4月7日，各測點(diǎn)溫度的平均值降低至9.36℃，這是由于該時間段，埋管井處土壤溫度低于觀測井，因此觀測井處土壤仍然不斷向埋管井傳遞熱量。而后土壤源溫度逐漸升高，2022年4月7日-5月7日，土壤源溫度恢復(fù)得較快，各測點(diǎn)溫度的平均值由9.36升高至9.46℃，恢復(fù)了0.1℃。2022年5月7日-6月10日，土壤源溫度恢復(fù)得較慢，各測點(diǎn)溫度的平均值由9.46℃緩慢升高至9.5℃，恢復(fù)了0.04℃。綜上可知，整個土壤自然恢復(fù)階段(2個多月），土壤溫度僅恢復(fù)了0.14℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于供暖階段土壤源的降溫幅度，這表明土壤源溫度的自然恢復(fù)能力較差，需要外界能源輔助其恢復(fù)溫度。

③土壤跨季蓄熱階段，土壤源溫度變化情況

在土壤跨季蓄熱階段，各個測點(diǎn)溫度變化趨勢如圖15所示。

圖15 在土壤跨季蓄熱階段，各個測點(diǎn)溫度變化趨勢Fig.15 During the cross season heat storage stage of soil,the temperature variation trend of each measuring point

由圖15可知，在土壤跨季蓄熱階段(接近4個月），土壤源溫度近似呈線性增加的變化趨勢，由9.50℃逐漸升高至10.60℃，升高了1.10℃。結(jié)合圖14～16可知：僅僅依靠土壤源溫度的自然恢復(fù)，在下一年供暖階段開始時，難以恢復(fù)到上一年供暖前的溫度狀態(tài)，從而導(dǎo)致土壤源冷堆積現(xiàn)象的發(fā)生；通過土壤跨季蓄熱能夠大幅度提高土壤源的溫度。

雖然本次實(shí)驗(yàn)未能將土壤源溫度恢復(fù)到上一年供暖前的狀態(tài)，但已經(jīng)緩解了土壤源的冷堆積現(xiàn)象，因此，有必要利用太陽能集熱系統(tǒng)對土壤源進(jìn)行跨級蓄熱。

3 結(jié)論

本文從提升熱泵機(jī)組性能系數(shù)，合理利用不同溫度層次的太陽能集熱量為目標(biāo)，根據(jù)復(fù)合源熱泵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了蒸發(fā)器進(jìn)口溫度對熱泵機(jī)組各項(xiàng)性能的影響，并在此基礎(chǔ)上，分析了太陽能應(yīng)用于熱泵機(jī)組熱源端的兩種運(yùn)行工況(復(fù)合源熱泵工況和太陽能熱泵工況）的工作性能，得到以下結(jié)論。

①隨著蒸發(fā)器進(jìn)口溫度的升高，熱泵機(jī)組吸熱量逐漸增大，熱泵機(jī)組輸入功率略有增加，導(dǎo)致熱泵機(jī)組供熱量以及熱泵機(jī)組和熱泵系統(tǒng)的COP均隨之增大。

②復(fù)合源熱泵工況下，既存在土壤源和太陽能共同向熱泵機(jī)組供熱的情況，也存在土壤短期儲熱以及太陽能單獨(dú)向熱泵機(jī)組供熱的情況。

③為了提升熱泵機(jī)組的性能系數(shù)，保證熱泵機(jī)組熱源端的吸熱量，應(yīng)該在太陽能集熱量較低時，運(yùn)行復(fù)合源熱泵工況，在太陽能集熱量較高時，運(yùn)行太陽能熱泵工況。

④土壤源溫度的自然恢復(fù)能力較差，僅僅依靠自然恢復(fù)，難以升高到上一年供暖前的溫度狀態(tài)，利用太陽能集熱系統(tǒng)對土壤源進(jìn)行跨季強(qiáng)制蓄熱能夠大幅度提高土壤源溫度，從而緩解土壤源的冷堆積現(xiàn)象。