摘 要：為降低溫室大棚建筑能耗，以河北省某溫室為研究對象，在溫室現(xiàn)有的太陽能耦合地源熱泵供暖系統(tǒng)（SGSHPH）基礎(chǔ)上，設(shè)計太陽能-地源熱泵相變蓄熱供暖系統(tǒng)（SGSHPP-CHSH），利用TRNSYS軟件搭建這兩種系統(tǒng)的仿真模型，對兩系統(tǒng)的仿真結(jié)果以及影響因素進行對比分析。研究結(jié)果表明：SGSHPP-CHSH系統(tǒng)相比SGSHPH系統(tǒng)在整個供暖季的太陽能集熱器集熱量提高10.75％；SGSHPP-CHSH系統(tǒng)相變儲熱罐蓄熱溫度從49.4 ℃降低到34.4 ℃，熱泵機組能耗從10145 kWh降低到7843 kWh，熱泵系統(tǒng)的COP從2.68升高到3.36；SGSHPH系統(tǒng)蓄熱水箱的供水溫度從45 ℃降低到30 ℃，熱泵能耗從12837 kWh降低到8739 kWh，熱泵機組COP從2.39增加到3.43；SGSHPH系統(tǒng)太陽能集熱面積為48 m2時，SGSHPP-CHSH系統(tǒng)太陽能集熱面積為39 m2時，此時兩供暖系統(tǒng)在非供暖季土壤蓄熱量等于在供暖季土壤取熱量，可有效維持土壤的熱平衡。

關(guān)鍵詞：太陽能；熱泵系統(tǒng)；供暖；TRNSYS仿真

中圖分類號：TK513.5 """""文獻標志碼：A

0 引 言

在世界各國對能源的需求量日益增加的情況下，加速開發(fā)新的可再生能源是解決中國能源短缺的關(guān)鍵 ［1］。中國擁有豐富的太陽能與地熱能資源，但太陽能由于具有不穩(wěn)定、間歇性、周期性等特性限制了其直接利用［2-3］。為緩解地源熱泵系統(tǒng)土壤熱失衡問題，可在夏季將太陽能的熱量儲存到土壤中，在冬季地源熱泵系統(tǒng)可利用地埋管取熱，從而實現(xiàn)太陽能跨季節(jié)蓄熱［4-6］。

Esen等［7］對可再生能源在溫室供暖中的應(yīng)用進行了研究，開展沼氣、太陽能、地源熱泵等幾種溫室采暖方式的試驗，驗證了地源熱泵供暖系統(tǒng)用于溫室供暖的可行性；王其良等［8］提出一種太陽能補熱的多源互補供暖系統(tǒng)，并利用Hooke-Jeeves優(yōu)化算法對供暖系統(tǒng)進行優(yōu)化，結(jié)果表明，利用太陽能進行補熱不僅能在短期內(nèi)改善系統(tǒng)性能，且能使供熱系統(tǒng)獲得長期穩(wěn)定、高效的運行效果，優(yōu)化后的系統(tǒng)耗能減少，性能提升；楊震等［9］針對太陽能-土壤源熱泵復合系統(tǒng)存在熱泵機組頻繁啟停以及供暖負荷分配不合理的問題，提出一種基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（back propagation neural network，BP）的動態(tài)供暖策略，研究結(jié)果表明該策略使機組性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）從3.90提高至4.02；劉艷峰等［10］使用太陽能-地源熱泵跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)（solar assisted ground-source heat pump system，SAGSHP）軟件模擬了地埋管群分區(qū)串并聯(lián)的SAGSHP組合系統(tǒng)，研究表明，串聯(lián)區(qū)與并聯(lián)區(qū)面積比為1∶4、蓄熱量為3∶2時，系統(tǒng)具有最佳的綜合性能；李蘭等［11］通過TRNSYS軟件對太陽能、淺層地熱能及燃氣鍋爐集成的系統(tǒng)進行優(yōu)化研究，確定了最佳的熱循環(huán)控制溫差及補熱循環(huán)、蓄熱循環(huán)時長；劉勝等［12］對使用空氣源熱泵與水蓄熱供暖系統(tǒng)的溫室大棚進行模擬分析，并對谷價蓄熱、平價蓄熱、無蓄熱3種蓄熱策略進行分析，結(jié)果表明谷價蓄熱策略相比于平價蓄熱策略及無蓄熱策略的供暖季運行費用分別降低30.8%和19.6%；張亞磊等［13］對基于低谷電的太陽能-地源熱泵相變蓄熱供暖系統(tǒng)（solar-ground source heat pump phase-change heat storage heating system，SGSHPP-CHSH）進行研究分析，SGSHPP-CHSH系統(tǒng)和太陽能耦合地源熱泵供暖系統(tǒng)（solar-ground source heat pump heating system，SGSHPH）綜合費用年值分別為10890元和11920元，綜合費用年值相比SGSHPH系統(tǒng)減少8%，研究結(jié)果表明SGSHPP-CHSH系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟效益。

在已有的針對溫室供暖的研究中，對地源熱泵利用低谷電進行供暖的研究較少，本文結(jié)合太陽能集熱器技術(shù)、熱泵系統(tǒng)和相變儲熱技術(shù)［14］，設(shè)計一種新型的SGSHPP-CHSH系統(tǒng)，并選取不同的典型工況，在不同的運行模式和運行工況下，對系統(tǒng)仿真模擬和性能分析，為SGSHPP-CHSH系統(tǒng)在溫室的應(yīng)用提供參考。

1 系統(tǒng)原理

SGSHPP-CHSH系統(tǒng)原理如圖1所示。SGSHPP-CHSH系統(tǒng)在非供暖期時，太陽能集熱器將收集的太陽能熱量通過地埋管存儲到土壤中，為冬季地源熱泵供暖提供部分熱源。在供暖期白天，主要通過太陽能集熱器吸收的熱量以及相變儲熱罐中的相變材料凝固放熱滿足供暖需求；在供暖期夜間，地源熱泵啟動利用低谷電供暖，地源熱泵產(chǎn)生的熱量一部分傳遞給供暖末端，另一部分傳遞給相變儲熱罐中的相變材料使其融化蓄熱，然后相變材料在白天凝固放熱。

2 仿真模型搭建

本研究選取河北省某溫室大棚作為研究對象，溫室大棚外觀如圖2所示，供暖面積約為110 m"采暖溫度為15 ℃。根據(jù)農(nóng)業(yè)溫室相關(guān)參數(shù)，利用TRNSYS軟件搭建溫室熱負荷仿真模型如圖3所示。利用TRNSYS軟件計算得到供暖季總熱負荷為114.97 GJ，而系統(tǒng)供暖季運行實際供熱量117.56 GJ［15］，相對誤差為2.2%，并對所建模型的太陽能供熱量、熱泵供熱量和熱泵機組COP等相關(guān)參數(shù)進行了驗證，各項誤差均在5%以內(nèi)［13］。

根據(jù)供暖系統(tǒng)各部件參數(shù)，利用TRNSYS軟件搭建SGSHPH系統(tǒng)和SGSHPP-CHSH系統(tǒng)仿真模型，如圖4和圖5所示。

3 供暖系統(tǒng)模擬結(jié)果對比分析

3.1 系統(tǒng)供熱量分析

供暖季SGSHPH系統(tǒng)與SGSHPP-CHSH系統(tǒng)的太陽能集熱器逐日集熱量如圖6所示。從圖6中可看出SGSHPP-CHSH系統(tǒng)集熱量略大于SGSHPH系統(tǒng)集熱量，SGSHPH系統(tǒng)在整個供暖季的太陽能集熱器集熱量為3452 kWh，SGSHPP-CHSH系統(tǒng)在整個供暖季的太陽能集熱器集熱量為3868 kWh，SGSHPP-CHSH系統(tǒng)相比SGSHPH系統(tǒng)在整個供暖季的太陽能集熱器集熱量提高10.75％，主要原因是SGSHPP-CHSH系統(tǒng)有相變儲熱罐，當太陽能將熱量傳遞給蓄熱水箱后，蓄熱水箱中的熱量可傳遞給相變儲熱罐，使蓄熱水箱中的溫度降低，然后太陽能集熱器中的熱量又可以傳遞給蓄熱水箱；SGSHPH系統(tǒng)只有一個蓄熱水箱，而SGSHPP-CHSH系統(tǒng)由于多了一個相變儲熱罐，使得SGSHPP-CHSH系統(tǒng)的蓄熱能力提高。

圖7展示了兩個供暖系統(tǒng)各月份的太陽能集熱器效率的變化情況。太陽能集熱器效率即太陽能集熱系統(tǒng)來自太陽輻射的有效輻射與當月太陽輻射量的比值，圖7中可看出兩供暖系統(tǒng)的集熱效率呈先減小后增加的趨勢，主要是與每個月的集熱效率、太陽輻照度和環(huán)境溫度有關(guān)；SGSHPP-CHSH系統(tǒng)的月平均集熱器效率略高于SGSHPH系統(tǒng)的月平均集熱器效率，主要原因是SGSHPP-CHSH系統(tǒng)的蓄熱能力較強，兩系統(tǒng)集熱效率均在0.3～0.5之間。

供暖系統(tǒng)的熱泵機組逐日制熱量如圖8所示，從圖8中可看出SGSHPH系統(tǒng)熱泵機組逐日制熱量在大多數(shù)時候略高于SGSHPP-CHSH系統(tǒng)的熱泵機組逐日制熱量。SGSHPH系統(tǒng)熱泵機組在一個供暖季的總制熱量為29745 kWh，SGSHPP-CHSH系統(tǒng)熱泵機組在一個供暖季的總制熱量為26397 kWh，SGSHPP-CHSH系統(tǒng)熱泵機組制熱量相比SGSHPH系統(tǒng)熱泵機組制熱量降低11.2%，主要原因是SGSHPP-CHSH系統(tǒng)由于相變儲熱罐的存在，使系統(tǒng)蓄熱能力變強，且相變儲熱罐在非供暖期時會融化蓄熱，在供暖期初期會凝固放熱，進而導致在一個供暖期內(nèi)SGSHPP-CHSH系統(tǒng)熱泵機組制熱量小于SGSHPH系統(tǒng)的熱泵機組制熱量。

3.2 系統(tǒng)耗電量分析

圖9為供暖季SGSHPH系統(tǒng)與SGSHPP-CHSH系統(tǒng)的熱泵機組逐日耗電量。在供暖季初期和供暖季末期SGSHPP-CHSH系統(tǒng)的熱泵機組逐日耗電量大多數(shù)時候大于SGSHPH系統(tǒng)的熱泵機組逐日耗電量，主要原因是在供暖季初期和供暖季末期溫室熱負荷較小，SGSHPP-CHSH系統(tǒng)的相變儲熱罐在白天供暖后溫度降低，在夜間需將相變儲熱罐的溫度加熱到44.4 ℃，而SGSHPH系統(tǒng)只需將供水溫度加熱到30 ℃，所以在供暖初期和供暖末期SGSHPP-CHSH系統(tǒng)的熱泵機組逐日耗電量相比SGSHPH系統(tǒng)的熱泵機組逐日耗電量較高，可在供暖季初期和供暖季末期適當降低SGSHPP-CHSH系統(tǒng)相變儲熱罐的蓄熱溫度，有利于降低系統(tǒng)能耗。

在供暖季中期SGSHPP-CHSH系統(tǒng)的熱泵機組逐日耗電量大多數(shù)時候小于SGSHPH系統(tǒng)的熱泵機組逐日耗電量，主要原因是SGSHPP-CHSH系統(tǒng)的相變儲熱罐在夜間儲存的熱量大多數(shù)時候能滿足白天的供暖需求，地源熱泵機組只需要在夜間開啟，用來給相變儲熱罐加熱和滿足溫室夜間的供暖需求；在供暖季中期溫室熱負荷較大，SGSHPH系統(tǒng)在白天太陽能無法滿足供暖需求時，地源熱泵機組就會開啟，地源熱泵開啟的時間較長，所以供暖季中期SGSHPP-CHSH系統(tǒng)的熱泵機組逐日耗電量低于SGSHPH系統(tǒng)的熱泵機組逐日耗電量。

3.3 系統(tǒng)能效比分析

兩供暖系統(tǒng)在供暖期內(nèi)熱泵機組COP的變化與供水溫度有關(guān)，兩供暖系統(tǒng)在一個供暖期內(nèi)熱泵機組COP與熱泵機組能耗隨供水溫度變化如圖10所示。由圖10可知，SGSHPP-CHSH系統(tǒng)隨著相變儲熱罐蓄熱溫度的升高，供暖末端供水溫度升高，熱泵能耗增大，系統(tǒng)COP減小。SGSHPP-CHSH系統(tǒng)在夜間相變儲熱罐蓄熱溫度從34.4 ℃增加到49.4 ℃，熱泵系統(tǒng)的COP從3.36降低到2.68，熱泵機組能耗從7843 kWh增加到10145 kWh，按照低谷電價0.27元/kWh計算，SGSHPP-CHSH系統(tǒng)的運行成本從2118元增加到2739元。因此適當降低供水溫度可提高系統(tǒng)COP，降低系統(tǒng)能耗。

SGSHPH系統(tǒng)蓄熱水箱的供水溫度從30 ℃增加到45 ℃，熱泵機組COP從3.43降低到2.39，熱泵能耗從8739 kWh增加到12837 kWh，按照居民電價0.52元/kWh計算，SGSHPH系統(tǒng)的運行成本從4544元增加到6675元。隨著蓄熱水箱供水溫度的升高，SGSHPH系統(tǒng)COP逐漸減小，主要原因是蓄熱水箱供水溫度升高，熱泵機組供水溫度升高，熱泵機組COP會減小。隨著蓄熱水箱供水溫度的升高，SGSHPH系統(tǒng)的熱泵能耗逐漸增大，主要原因是SGSHPH系統(tǒng)COP減小，導致SGSHPH系統(tǒng)的耗增大。

4 供暖系統(tǒng)影響因素分析

4.1 太陽能集熱器面積影響分析

圖11為在一個供暖季內(nèi)系統(tǒng)集熱器集熱量、熱泵制熱量和熱泵機組能耗隨集熱面積變化圖。由圖11可看出當集熱面積從30 m2增大到50 m2時，SGSHPH系統(tǒng)在供暖季集熱器集熱量增加1694 kWh，熱泵機組制熱量減少1607 kWh，熱泵機組能耗減少529 kWh；SGSHPP-CHSH系統(tǒng)在供暖季集熱器集熱量增加1763 kWh，機組制熱量減少1250 kWh，熱泵機組能耗減少375 kWh。隨著集熱面積的增大，兩供暖系統(tǒng)集熱器集熱量均呈逐漸遞增的趨勢，而熱泵制熱量和熱泵機組能耗均呈逐漸遞減趨勢。

圖12為兩供暖系統(tǒng)土壤蓄熱量、取熱量隨集熱面積變化圖，由圖12可知，SGSHPH系統(tǒng)在非供暖季土壤蓄熱量隨太陽能集熱面積的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，在供暖季土壤取熱量隨著太陽能集熱面積的增加呈減小的趨勢；主要原因是隨著太陽能集熱面積的增加，太陽能在非供暖季和供暖季的集熱量都會增加，會導致在非供暖季土壤蓄熱量增加，在供暖季太陽能直供熱量增加，熱泵機組制熱量減小，土壤取熱量減小。

當太陽能集熱面積從30 m2增加到50 m"SGSHPH系統(tǒng)在非供暖季土壤蓄熱量從12626 kWh增加到21033 kWh，在供暖季土壤取熱量從21606 kWh減小到20483 kWh，當太陽能集熱面積達到48 m2時，SGSHPH系統(tǒng)在非供暖季土壤蓄熱量等于在供暖季土壤取熱量。因此，當太陽能集熱面積大于48 m2時，可更加有效地維持土壤的熱平衡；當太陽能集熱面積小于48 m2時，會導致土壤溫度逐年降低，太陽能集熱面積對維持土壤熱平衡影響較大。

當太陽能集熱面積從30 m2增加到50 m"SGSHPP-CHSH系統(tǒng)在非供暖季土壤蓄熱量從13410 kWh增加到21818 kWh，在供暖季土壤取熱量從17687 kWh減小到16962 kWh，當太陽能集熱面積達到39 m2時，SGSHPP-CHSH系統(tǒng)在非供暖季土壤蓄熱量等于在供暖季土壤取熱量，因此，當太陽能集熱面積大于39 m2時，可更加有效地維持土壤的熱平衡，當太陽能集熱面積小于39 m2時，會導致土壤溫度逐年降低，太陽能集熱面積對維持土壤熱平衡影響較大。

4.2 蓄熱水箱容積影響分析

為研究蓄熱水箱容積對供暖系統(tǒng)性能的影響，分別選取4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 m3 共5種不同蓄熱水箱容積對兩供暖系統(tǒng)進行仿真。得到仿真結(jié)果系統(tǒng)太陽能集熱量、熱泵集熱量隨蓄熱水箱容積變化情況如圖13所示，當SGSHPP-CHSH系統(tǒng)的蓄熱水箱體積增大時，蓄熱水箱的蓄熱能力提高，但相應(yīng)的當太陽能集熱器提供相同的熱量時，隨著蓄熱水箱容積增大，蓄熱水箱中水的溫度就會降低，SGSHPP-CHSH系統(tǒng)在白天蓄熱水箱中熱量就無法傳遞給供暖末端，導致SGSHPP-CHSH系統(tǒng)太陽能集熱量隨著蓄熱水箱容積的增大集熱量逐漸減小，當蓄熱水箱容積從4 m3增加到6 m3時，太陽能集熱量從3972 kWh降低到3866 kWh，太陽能集熱量降低2％。

SGSHPH系統(tǒng)隨著蓄熱水箱體積增大，蓄熱水箱的蓄熱能力提高，太陽能集熱量就會增加，但相應(yīng)的當太陽能集熱器提供相同的熱量時，蓄熱水箱中水的溫度就會降低，會導致太陽能直供熱量減小，而蓄熱水箱溫度降低，熱泵機組就會開啟，導致熱泵機組的制熱量提高，所以SGSHPH系統(tǒng)隨著蓄熱水箱容積的增大，太陽能集熱量呈先增加后減小的趨勢，熱泵機組制熱量呈先減小后增大的趨勢。

4.3 蓄熱啟動溫度影響分析

蓄熱啟動溫度是非供暖季土壤跨季節(jié)蓄熱供水溫度參數(shù)，會直接影響到土壤在非供暖季的蓄熱量，進而影響冬季供暖系統(tǒng)的運行能效。為研究土壤在非供暖季土壤蓄熱啟動溫度對土壤蓄熱量的影響，分別選取蓄熱啟動溫度為35、40、45、50、55 ℃共5種不同情況對兩供暖系統(tǒng)進行仿真分析，得到兩供暖系統(tǒng)土壤取熱量、蓄熱量隨蓄熱溫度變化情況如圖14所示。由圖14可知，SGSHPH系統(tǒng)土壤取熱量大于土壤蓄熱量，導致土壤溫度隨著系統(tǒng)運時間的增加而逐漸減小，使得土壤溫度逐年降低；SGSHPP-CHSH系統(tǒng)土壤取熱量小于土壤蓄熱量，有利于維持土壤熱平衡。隨著蓄熱啟動溫度的升高，兩系統(tǒng)的土壤蓄熱量均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；當非供暖季蓄熱啟動溫度從35 ℃增加到55 ℃，SGSHPH系統(tǒng)土壤蓄熱量從17125 kWh減小到16808 kWh，減小1.85％，SGSHPP-CHSH系統(tǒng)土壤蓄熱量從17734 kWh減小到17478 kWh，減小1.44％，兩供暖系統(tǒng)非供暖季蓄熱啟動溫度對土壤蓄熱量影響較小。

5 結(jié) 論

本文利用TRNSYS軟件搭建SGSHPH系統(tǒng)和SGSHPP-CHSH系統(tǒng)仿真模型，對SGSHPP-CHSH系統(tǒng)的影響因素以及與傳統(tǒng)SGSHPH系統(tǒng)進行對比分析，結(jié)果總結(jié)如下：

1）SGSHPP-CHSH系統(tǒng)相比SGSHPH系統(tǒng)在整個供暖季的太陽能集熱器集熱量提高10.75％，SGSHPP-CHSH系統(tǒng)的月平均集熱器效率略高于SGSHPH系統(tǒng)的月平均集熱器效率。

2）SGSHPP-CHSH系統(tǒng)相變儲熱罐蓄熱溫度從49.4 ℃降低到34.4 ℃，熱泵機組能耗從7843 kWh增加到10145 kWh，系統(tǒng)COP從2.68上升到3.36 ，SGSHPH系統(tǒng)蓄熱水箱的供水溫度從45 ℃降低到30 ℃，熱泵能耗從12837 kWh降低到8739 kWh，熱泵機組COP從2.39增加到3.43。適當降低供水溫度可提高系統(tǒng)COP，降低系統(tǒng)能耗。

3）SGSHPH系統(tǒng)太陽能集熱面積為48 m2時，SGSHPP-CHSH系統(tǒng)太陽能集熱面積為39 m2時，此時兩供暖系統(tǒng)在非供暖季土壤蓄熱量等于在供暖季土壤取熱量，更加有助于維持土壤熱平衡。

4）當非供暖蓄熱啟動溫度從35 ℃增加到55 ℃，SGSHPH系統(tǒng)土壤蓄熱量從17125 kWh減小到16808 kWh，減小1.85％，SGSHPP-CHSH系統(tǒng)土壤蓄熱量從17734 kWh減小到17478 kWh，減小1.44％，兩供暖系統(tǒng)非供暖季蓄熱啟動溫度對土壤蓄熱量影響較小。

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COMPARATIVE ANALYSIS OF SOLAR-GROUND SOURCE HEAT PUMP PHASE CHANGE STORAGE HEATING SYSTEM BASED ON TRNSYS

Zhang Yalei，Cui Haiting，Wang Chao，Wang Chen，Chen Haosong

（School of Mechanical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang 050018， China）

Abstract：The research focused on reducing energy consumption in greenhouse buildings by designing a solar-ground source heat pump phase-change heat storage heating system （SGSHPP-CHSH） based on an existing solar-ground source heat pump heating system （SGSHPH） in a greenhouse located in Hebei Province. Simulation models of both systems were built using TRNSYS software， and the simulation results and influencing factors were compared and analyzed. The findings indicate that the solar collector heat collection of the SGSHPP-CHSH is 10.75% higher than that of the SGSHPH throughout the entire heating season. Additionally， the phase change storage tank’s temperature decreased from 49.4 ℃ to 34.4 ℃， resulting in reduced energy consumption for the heat pump unit （from 10145 kWh to 7843 kWh） and increased COP of the heat pump system （from 2.68 to 3.36）. Similarly， for the SGSHPH， there was a decrease in water supply temperature from 45 ℃ to 30 ℃， reduced energy consumption for the heat pump unit （from 12837 kWh to 8739 kWh）， and an increased COP of the unit （from 2.39 to 3.43）. Furthermore， When the solar collection area of the SGSHPH "is 48 m""and the solar collection area of the SGSHPP-CHSH is 39 m""the soil heat storage in both heating systems during non-heating seasons equals to the soil heat extraction during heating seasons， effectively maintaining a balanced thermal state within the soil.

Keywords：solar energy； heat pump systems； heating； TRNSYS simulation