天津地區太陽能-土壤源復合式熱泵系統性能研究

馬玉國 呂 建 段月強

1天津城市建設學院能源與安全工程學院

2上海聯創國際武漢分公司

天津地區太陽能-土壤源復合式熱泵系統性能研究

馬玉國1呂 建1段月強2

1天津城市建設學院能源與安全工程學院

2上海聯創國際武漢分公司

北方某些地區由于冷熱負荷的不平衡性，單一的土壤源熱泵系統受到限制。太陽能輔助土壤源熱泵系統是一種有效利用可再生能源的系統形式。本文對天津地區太陽能輻射情況、建筑全年逐時冷熱負荷量及復合熱泵系統的制熱機組效率進行研究，分析在天津地區太陽能-土壤源復合熱泵系統的節能性。

太陽能土壤源熱泵機組效率節能性

0 引言

土壤源熱泵因其節能和環保性而被廣泛應用，但是對于寒冷地區，可能出現建筑的熱負荷遠大于冷負荷，冬季熱泵機組向地埋管的吸熱量大于夏季向地下的排熱量[1]。為了滿足冬季熱負荷的需要，勢必要加大地熱換熱器的配置，造成系統初投資的增加，而且由于冬夏季冷熱負荷的不平衡造成了地下溫度場的變化，導致了熱泵機組效率的下降，所以，單一的土壤源熱泵系統受到限制。太陽能輔助土壤源熱泵系統是一種復合式地源熱泵系統，既能有效解決土壤源熱泵長期運行引起土壤溫度的變化，保持土壤溫度的穩定性，又能彌補太陽能的不穩定性、間歇性的缺點[2]，實現連續供暖和供應生活熱水。

國外對土壤源熱泵的研究較早，而對太陽能-土壤源熱泵復合熱泵系統的研究則不多；國內只在近幾年才開始對土壤源熱泵、太陽能-土壤源熱泵系統進行基礎性研究，基本上處在起步階段，尤其針對北方某一確定地區的研究更少。本文以天津地區的氣候條件及建筑冷熱負荷為切入點分析太陽能-土壤源復合熱泵系統在天津地區的可行性，并通過模擬以及實驗的方法，對復合熱泵的機組效率及節能性與單一土壤源熱泵系統進行比較，研究復合熱泵系統應用的合理性。

1 天津地區太陽能資源分析

據估算，我國的陸地表面每年可接收的太陽輻射能大約為50×1018kJ，太陽能年輻射總量達335～837 kJ/cm2·a，可折算為2.4×104t標準煤，屬于太陽能資源豐富的國家。根據我國的太陽能資源分布，可劃分為五類地區[3]。天津屬于二類地區，近30年太陽總輻射量的平均值約為5966MJ/m2，其中太陽輻射量最大值約為6409.7MJ/m2，最少則僅為5400.4MJ/m2。天津地區太陽輻射量較大，為太陽能輔助土壤源熱泵系統提供了便利條件。實行土壤源熱泵和太陽能的聯合運行，不僅充分利用太陽能這一可再生能源，彌補了太陽能不穩定、密度低的缺陷，而且可解決土壤溫度下降的問題。深入研究太陽能與土壤源熱泵結合的復合源熱泵系統對社會節能有較為深遠的意義。

2 理論分析

2.1 TRNSYS模型建立

太陽能-土壤源復合熱泵系統的模型建立由四部分組成分別為：建筑模型、土壤源熱泵系統、太陽能系統以及控制系統。其主要應用的模塊有：全玻璃真空管集熱器模塊、循環水泵模塊、蓄熱水箱模塊、地埋管換熱器以及暖通HVAC等。土壤源熱泵系統主要有：熱泵機組模塊、循環水泵模塊、地埋管模塊。TRNSYS模型如圖1。

圖1 Trnsys模型建立

2.2 模擬結果分析

本文選取的建筑位于天津地區，建筑面積為1600m2。用TRNSYS模擬軟件模擬天津地區該建筑的全年逐時冷熱負荷，根據天津地區的氣候特點設定其供暖季為：11月15日到第二年的3月15日總計為120天，夏季空調季為6月15日到9月13日，共計90天，其他時間為過渡季節。供暖季室內的設定溫度為18℃；其通風次數為0.5次/h。其冬季模擬結果如圖2。空調季室內的設定溫度為26℃，其通風換氣次數為1.0次/h。夏季冷負荷的模擬如圖3。

圖2 夏季冷負荷模擬結果

圖3 冬季熱負荷模擬結果

由圖2、3可知空調季的冷負荷峰值比較大，但是其高峰值出現的時間點比較少，而且冷負荷波動比較大；而冬季的熱負荷峰值小于夏季的冷負荷峰值，但冬季比較穩定，甚至連續幾天的負荷值都接近，這樣就造成了冬季的累計熱負荷要遠大于夏季的累計冷負荷如表1。

表1 建筑物冬夏季負荷比較

建筑物冬季累計熱負荷為3996.8kW·h，夏季的累計冷負荷為1630.5kW·h；根據土壤源熱泵冬季設計工況COP=3.5、夏季設計工況COP=4可得：冬、夏季吸排熱量累計分別為：2854.6 kW·h、2039.2kW·h，冬夏季的吸熱量與排熱量之差是815.4 kW·h，其不平衡率為39.9%。

由于天津地區的冷熱負荷不平衡，長時間運行會導致土壤溫度下降從而破壞土壤層溫度場，土壤源熱泵長期單獨運行就會使土壤溫度下降，甚至土壤中的水分結冰從而造成植物的死亡、破壞生態平衡[4]。以20年為運行周期，通過TRNSYS軟件建立的土壤源熱泵運行模型，連續運行20年后土壤平均溫度和地埋管出水溫度見圖4。

圖4 單一土壤源熱泵運行20年地下溫度變化情況

由圖4可以看出，長期單獨運行土壤源熱泵時土壤溫度是逐年下降的，充分利用天津地區豐富的太陽能資源，不僅克服熱泵長期運行造成土壤溫度的下降問題，給土壤溫度一個恢復期，而且可達到節能的目的。

圖5、6分別為土壤源熱泵系統和太陽能-土壤源復合熱泵系統的COP隨時間變化的模擬結果，由圖可看出太陽能-土壤源復合熱泵系統的COP明顯要比單一土壤源系統的COP高，復合源熱泵的COP值最大可達到4.7左右，而土壤源熱泵的COP值最高才達到3.3左右，由此可以看出復合源熱泵相對于單熱源的熱泵的節能性有明顯的優勢，通過計算，其節能率可達到30%左右。

圖5 單一土壤源熱泵系統COP隨時間變化曲線

圖6 太陽能-土壤源復合熱泵系統的COP隨時間變化曲線

3 實驗測試系統分析

3.1 實驗測試系統建立

試驗系統主要有四部分組成：熱泵機組、測量控制系統、地埋管及太陽能集熱器。系統圖如圖7。末端裝置為采暖地盤管。

圖7 太陽能-土壤源熱泵系統聯合供暖系統圖

3.2 實驗測試結果分析

由天津地區太陽能資源分析實測數據可知天津地區的太陽能輻照強度在11:00～13:00時為最強的，在此時間段如果條件允許可以采用太陽能供暖，在7:00～9:00、14:00～19:00時由于太陽輻照強度比較弱此時段必須運行土壤源熱泵以保證用戶需求，夜間需單獨運行土壤源熱泵系統供暖。圖8可以看出太陽能側的回水溫度在8.2℃左右，在11:00后水溫開始趨于穩定狀態，溫度波動變化不大穩定在20℃左右，在15:30以后由于太陽輻照強度的下降，集熱器的產熱也開始下降。

圖8太陽能集熱器的進出口水溫圖

圖9 實測數據表明熱泵機組運行時，熱泵機組蒸發器側的出水溫度為6.5℃，蒸發器側的進水溫度為10.6℃。由圖9可以得到地埋管系統在初運行時地埋管系統內水的溫度較高，分析其原因主要是：剛開始運行土壤中儲蓄的熱量充足以致水溫接近土壤的溫度，造成了淺層地埋管內水的溫度較高。由圖9可以看出進出口水溫波動比較大其主要原因是：其熱源的不穩定性，造成了水溫波動比較大。

圖9 土壤源蒸發器側的供回水溫度

由圖10實測數據可知熱泵機組蒸發器平均出水溫度為8.2℃，蒸發器平均進水溫度為13.2℃，采用太陽能-土壤源復合熱泵的系統的蒸發器側進水溫度明顯要高于單獨的土壤源側，這就使系統的COP值提高，而且其波動的頻率小于單獨的土壤源說明太陽能的加入提高了系統熱源的穩定性。

圖10 復合源側的供回水溫度

圖11所示土壤源與復合源熱泵系統的COP值。由圖11可知太陽能-土源熱泵的COP明顯高于土壤源熱泵，當太陽輻射強度在最大值時兩種運行方式的COP差值明顯增大如圖所示即：兩曲線的間距比曲線兩端較大，當輻射角度較弱時，兩曲線之間的間距減小，兩種運行模式的COP差值減小，由此可以推出太陽能輻射強度的大小對太陽能-土壤源熱泵的運行費用以及其節能性起著至關重要的作用。從節能、運行費用的角度考慮復合源熱泵系統明顯優于土壤源熱泵系統。

圖11 復合源熱泵與土壤源熱泵的COP

4 結論

1）從天津地區的太陽輻射情況及天津地區建筑全年逐時冷熱負荷量為切入點，太陽能輔助土壤源熱泵系統存在必要性。

2）通過分析天津地區太陽能資源與實測太陽能輻射值，在冬季初期，可以單獨采用太陽能采暖，不僅充分利用這一可再生能源，達到節能的目的，而且給土壤溫度場一個恢復期。

3）通過數值模擬與實驗測試，太陽能-土壤源熱泵系統COP要高于單一土壤源熱泵系統，復合源熱泵系統比單一土壤源熱泵系統更節能，其節能率可達到30%左右。

[1]王雁生,王成勇.太陽能+地源熱泵并聯熱水系統冬季運行特性研究[J].通空調,2009,39(9):70-74

[2]李朝佳,孫友宏,吳曉寒.太陽能輔助地源熱泵聯合供暖(制冷)運行模式分析[J].能源工程,2008,(6):35-38

[3]王徵,邱大雄,顧樹花.我國開發太陽資源綜述[J].中國管理科學,1997,5(2):42-49

[4]Florides G,Kalogirou S.Ground heat exchangers A review of systems,modelsand applications[J].Renewable Energy,2007, 32:1-8

The Pe rfo rm an c e Ana lys is o f So la r Ene rgy-G round Sou rc e Com b ined w ith Hea t Pum p Sys tem in Tian jin Reg ion

MA Yu-guo1,LV Jian1,DUAN Yue-qiang2
1Schoolof Energy and Safety Engineering,Tianjin InstituteofUrban Construction
2 ShanghaiNew InternationalWuhan Branch

Because of the imbalance in cold and hot load in northern China,the application of single soil source heat pump system is lim ited.The solar energy assisted heat pump system is a kind of effective form to take advantage of renewable energy source.The solar radiation,building all-year hourly cooling and heat load and the unitefficiency of composite heatpump were discussed,and the performance of solarenergy-ground source combined heatpump system in Tianjin regionwasanalyzed.

solarenergy,soilsource heatpump,unitefficiency,energy-saving

1003-0344（2014）02-044-4

2013-4-23

馬玉國（1987～），男，碩士研究生；天津市西青區津靜公路26號天津城市建設學院能源與安全工程學院（300384）；E-mail:cjmyg1987@163.com