SGCHPS土壤蓄熱供熱供冷效果分析

呂 超，鄭茂余

(哈爾濱工業大學市政環境工程學院，150090哈爾濱，lvchao-929@163.com)

供熱季:

太陽能-土壤源熱泵系統(Solar-ground coupled heat pump system，SGCHPS)是一種新型的供熱供冷系統，以太陽能和淺層地熱能作為復合熱源，而淺層地熱能也主要來自于太陽輻射[1].太陽能集熱器和土壤換熱器(Ground heat exchanger，GHE)的有機結合，不僅提高了系統的靈活性，而且彌補了單一熱源熱泵供熱量不足的缺點.SGCHPS被認為是21世紀一項最具有發展前途的、具有節能和環保意義的空調技術.

為使SGCHPS能夠長期高效地運行，就需要保持地下土壤以年為周期的熱平衡.特別是對于冬夏負荷不平衡地區，向土壤中補充熱量或冷量(輔助熱源或冷源)是非常重要的.在嚴寒地區，建筑物的熱負荷遠大于冷負荷，即使復合熱源也很難滿足供熱要求，這時就需要補熱.在SGCHPS現有裝置的基礎上，可利用季節性太陽能土壤蓄熱把除冬季外收集的太陽能通過GHE蓄存在土壤之中，冬季再用熱泵將熱量從土壤中取出進行供熱.在夏季，由于土壤溫度較低，可以作為冷源直接對建筑進行供冷.目前，這方面的研究主要還是集 中 于 理 論[2-4]、模 擬[5-7]和 小 型 實 驗 研究[8-10]等方面，缺乏長期系統性的實驗研究.本文以實際的示范工程為平臺，對嚴寒地區獨立建筑進行了為期3年的蓄熱、供熱、供冷長期實驗，得到了大量反映系統性能的實驗數據，通過整理和分析得出的結果，可為今后此領域的研究提供重要的參考依據.本文主要介紹實驗系統的組成和運行原理，并分析系統的供熱供冷效果，而土壤熱平衡和系統熱量利用等問題將在后續文章中繼續闡述.

1 示范工程與實驗系統

2007年秋季，嚴寒地區太陽能-土壤源熱泵供熱供冷示范工程在哈爾濱市松北區(北緯45°45'，東經 126°46')建成.示范樓共 3 層外加閣樓，為獨立式住宅，占地面積165 m2，供熱供冷面積為496 m2，外墻、屋頂和地面分別采用150 mm、150 mm和30 mm苯板保溫，外窗采用鋁塑復合三玻節能窗.

SGCHPS在夏季由于冷負荷較小，一部分GHE直接供冷，另一部分GHE進行太陽能土壤蓄熱;春、秋過渡季節也同樣利用太陽能集熱器進行太陽能土壤蓄熱.這樣土壤源熱泵就可以利用1年3季儲存到土壤中的熱量在冬季對建筑物進行供熱，實現太陽能的多季利用.而太陽能也能夠在冬季部分時間進行直接供熱，這樣就做到了利用全年的太陽能.

SGCHPS主要由4個子系統組成，分別為太陽能集熱系統、熱泵機組、地下土壤換熱系統和地板輻射供熱供冷系統，如圖1所示.太陽能集熱器采用自行研制的高效平板型太陽能集熱器，安裝于屋頂，正南方向布置，傾角為60°，冬季為防止太陽能集熱器和連接管道內結冰，循環流體采用防凍液(乙二醇水溶液)，其他季節循環流體采用水.熱泵機組額定輸入功率為3.7 kW，制冷劑為R22.輻射地板內盤管采用耐熱聚乙烯(PE-RT)管，直徑為20 mm，循環流體為水.GHE由12根垂直單 U型管組成，管材為高密度聚乙烯(HDPE)管，直徑為32 mm，深50 m，布置在建筑物正下方，換熱井鉆孔直徑為0.1 m，GHE和鉆孔之間的填充材料為沙土，間距和排列形式如圖2所示.GHE分2組并聯連接，6根一組，在夏季供冷時也可同時進行蓄熱.位于建筑物邊界以外的鉆孔為觀測井，用于觀測土壤溫度的變化.為防止冬季熱泵取熱時蒸發溫度過低導致的GHE和連接管道內結冰，循環流體采用防凍液(乙二醇水溶液).

圖1 系統原理圖

圖2 GHE的布置平面圖(mm)

實驗測量的主要參數為溫度、流量、耗電量以及太陽輻照度等，測量儀器分別為銅-康銅熱電偶、流量計、電度表、凈全輻射表等.其中，各項溫度通過多路巡檢顯示控制儀進行逐時采集.系統管路中流體的溫度測點均貼于管壁外，并做保溫處理，溫度計算時考慮管壁熱阻進行修正.室內溫度測點在每層陽面和陰面房間中部各布置1個，取所有測點的平均值;室外溫度測點置于百葉箱內，并在建筑周邊不同位置布置2個，取其平均值.土壤溫度的測點設置于多個深度的土壤之中，換熱井內設 5、10、20、30、40、50 m 共 6 個溫度測點，觀測井內設5、30、50 m共3個溫度測點，且土壤中熱電偶的測頭處涂有防腐材料.

2 SGCHPS運行模式及控制

系統進行了以年為周期的蓄熱、供熱、供冷實驗，已連續運行3年，效果良好.系統3年各運行季時間見表1.而在2008年4月份開始蓄熱前，系統已經進行了短期的供熱實驗.

表1 系統3年各運行季時間

SGCHPS可以根據不同需要實現多種運行模式，本實驗中初步選定以下4種，并實現系統自動控制運行.模式1:太陽能土壤蓄熱(太陽能環路P1—SC—ET—PHE2與土壤環路 PHE2—GHE—P3運行);模式2:太陽能直接供熱(太陽能環路P1—SC—ET—PHE1與輻射地板環路 PHE1—RF—P2運行);模式3:土壤源熱泵供熱(土壤環路GHE—P3—HP與輻射地板環路HP—RF—P2運行);模式4:土壤冷源直接供冷(土壤環路GHE2—P4—PHE1與輻射地板環路PHE1—RF—P2).

實驗中各子系統的啟停均由溫度傳感器、電磁閥通過太陽能集熱器出口管外壁溫度tsco和室內溫度ti進行控制，具體的控制方法為

蓄熱季:

供熱季:

供冷季:

其中:tsc為太陽能集熱器出口管外壁控制溫度，在蓄熱季的6—8月設為30℃，在蓄熱季的其他時間設為25℃，在供熱季設為24℃;thl為供熱季室內溫度控制下限，設為18℃;thu為供熱季室內溫度控制上限，設為20℃;tcl為供冷季室內溫度控制下限，設為24℃;tcu為供冷季室內溫度控制上限，設為26℃.

一般認為，在供熱季室內溫度高于控制下限(18℃)，在供冷季室內溫度低于控制上限(26℃)，即為滿足供熱和供冷的要求.將此溫度作為室內設計溫度，可以計算出供熱保證率和供冷保證率(滿足要求的時間與總時間的比值).

3 實驗結果與分析

3.1 整年蓄熱、供熱、供冷效果分析

土壤蓄熱的目的是為了冬季能夠更好地向室內供熱，所以可以通過考察實際的供熱供冷效果來判斷系統運行方式的合理性.這里主要針對第1年的運行數據進行宏觀分析.

由于太陽能直接供熱時太陽輻射強度呈現日周期性變化，會導致載熱流體的溫度波動較大，所以這里不做具體分析.而熱泵供熱時流體溫度比較穩定，蒸發器的進出口流體平均溫度分別為4.46、0.73℃，冷凝器進出口流體平均溫度分別為23.04、27.05 ℃.土壤源熱泵系統和輻射地板末端裝置的結合充分發揮了低溫供熱的節能效果.

土壤冷源直接供冷時，PHE1的GHE2側進出口流體平均溫度分別為12.82、19.06℃，地板側進出口流體平均溫度分別為21.53、15.94℃，兩側的進出口溫差分別為6.24、5.59℃，換熱溫差較大，可見土壤溫度較低.為了避免地板表面出現結露，地板供回水管之間加旁通管以控制供水溫度不致過低，而混水后19.43℃的供水溫度也符合輻射地板高溫供冷的特點.

圖3給出了供熱季室內外日平均溫度的變化曲線.由圖可以看出，室內溫度呈現出兩端高、中間低、其余時間較平穩的變化趨勢.這一是由于室外氣溫的變化，二是由于系統的供熱能力大小和控制策略的選擇.在供熱初期和末期，基本是太陽能直接供熱，室內溫度波動較大，由于室溫沒有控制模式2的運行，太陽能供熱量大于熱負荷才導致了室溫普遍偏高.在供熱中期，由于嚴寒地區土壤溫度過低，導致了熱泵蒸發溫度過低，熱泵的實際運行工況偏離名義工況，令制熱量在最冷月不能滿足建筑物的熱負荷，導致室溫低于控制下限.在整個供熱季，供熱保證率為74.5%.

圖3 供熱季室內外日平均溫度

圖4給出了供冷季室內外日平均溫度的變化曲線.由圖可以看出，室外溫度在這一階段波動比較大，而室內溫度控制得相對較平穩，而且供冷保證率達到了100%.

圖4 供冷季室內外日平均溫度

本實驗建筑暫時無人居住，僅供實驗用，也就是說室內沒有來自人員、照明、設備等帶來的熱量，這也會導致無論冬季還是夏季，室內溫度都會偏低，所以應將室內設計溫度適當調低，才更具合理性.另外，系統末端裝置為輻射地板，其供熱的效果及舒適性要優于供冷.所以可將供熱季室內設計溫度調低1.5℃，即為16.5℃;將供冷季室內設計溫度調低1℃，即為25℃.這時的供熱保證率和供冷保證率分別為92.0%和84.1%.

3.2 3年供熱供冷效果分析

表2列出了3年供熱供冷季室內外的平均溫度.可以看出，雖然各年的室外溫度有所波動，但供熱季室內平均溫度均高于室內設計溫度16.5℃，供冷季室內平均溫度均低于室內設計溫度25℃，說明本系統可以滿足在哈爾濱這種嚴寒地區獨立建筑的供熱供冷需求.

表2 3年供熱供冷季室內外平均溫度

性能系數(COP)和能效比(REE)的概念本質是一樣的，為避免表述混亂，本文統一將這一概念命名為能效比，用符號ε表示.其作為一項重要的指標可以用來評價系統的效率和節能效果，熱泵及系統的能效比計算公式為

式中:Q為熱量或冷量，GJ;W為耗電量，kWh;ρ為載熱流體的密度，kg/m3;V為載熱流體的體積流量，m3/h;cp為載熱流體的定壓比熱，kJ/(kg·K);Δt為進出口載熱流體的逐時溫差，℃;τ為運行時間，h，以整數計.

表3列出了系統3年各項能效比，即熱泵供熱能效比εhp、熱泵供熱系統能效比εhs、太陽能供熱能效比εso、總供熱能效比εhe、含蓄熱能耗的全年供熱能效比εah、太陽能土壤蓄熱能效比εst和供冷能效比 εco.其中，εhp達到了4.3 左右，這也高于文獻[11]中的能效比，說明季節性太陽能土壤蓄熱和供冷排熱提高了土壤溫度，有利于冬季熱泵高效運行.而只有循環水泵運行的系統能效比更高，特別是εst已接近40，意味著只用很少的能量就能換取大量的可利用能源，這使得綜合利用太陽能和土壤源熱泵的εah也能達到6左右.同時，由于冬季取熱(相當于蓄冷)后土壤溫度很低，土壤可以作為冷源直接供冷，不用啟動制冷機，εco可達到20以上.

表3 系統3年各項能效比

4 結論

1)在常規SGCHPS的基礎上，通過增加季節性太陽能土壤蓄熱的方法，維持土壤熱平衡、提高系統效率.經過3年的長期系統性實驗，發現季節性蓄熱SGCHPS保持長期穩定運行，可以滿足嚴寒地區(如哈爾濱)獨立建筑的供熱供冷需求.在考慮到建筑物沒有內熱源的熱量及輻射地板的特點時，該系統供熱供冷能夠達到室內設計溫度，供熱保證率和供冷保證率分別為92.0%和84.1%.

2)季節性蓄熱SGCHPS運行效率很高，熱泵能效比為4以上，含蓄熱能耗的全年供熱能效比達到6左右，而供冷能效比可高達20以上.

3)季節性蓄熱SGCHPS以土壤為載體，充分利用了全年的太陽能，其低品位能源的特點與供熱的需求匹配良好，節能效果明顯.

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