太陽能

李天英

摘要：在已有針對太陽能-土壤源熱泵（SESHPS）的運行策略的基礎上，提出更適用實際工程的太陽能熱水梯級利用運行模式，并且對太陽能-土壤源熱泵在各種運行策略下運用trnsys進行了數值模擬，以系統具體運行情況、系統運行總能耗及土壤溫度變化為指標，進行分析比較，結果表明，太陽能熱水梯級利用的運行策略具有明顯優勢。同時對于在太陽能-土壤源熱泵系統中熱水的梯級利用的地區適用性做了相關討論，得出該運行策略更適合在太陽能資源豐富地區采用。

關鍵詞：太陽能-土壤源熱泵；熱水梯級利用；trnsys；適用性

1.前言

太陽能-土壤源熱泵系統（SESHPS）是將太陽能集熱系統和土壤源熱泵系統相結合的復合式系統，該系統不僅克服了太陽能集熱系統受天氣、溫度等環境因素影響的不穩定的缺點，而且可以緩解土壤源熱泵長期運行造成的土壤溫度逐漸下降的問題，從而提升了整個系統的穩定性、節能率。而目前對于太陽能-土壤源熱泵系統的運行策略的研究多數是建立在太陽能集熱器與地埋管換熱器串并聯方式的基礎上，例如楊衛波等人提出了集熱器和地埋管的三種連接形式，并進行了數值模擬，提出最佳運行模式為集熱器與地埋管串聯，載熱流體先流經集熱器后流經地埋管，并進行了系統的優化設計；余延順等人提出了系統運行工況和運行時間分配與實際的建筑負荷、當地的氣象條件有關，并根據這些相關因素去優化太陽能保證率，從而最終優化運行工況和各工況的時間分配。而馮曉梅等人以北京某實際工程為例，提出了對太陽能熱水的梯級利用，盡量增大太陽能集熱器面積，以加大對太陽能熱水的直接利用率。

本文主要是對馮曉梅提出的太陽能熱水的梯級利用進行了工程優化及數值模擬，以驗證其在土壤溫度恢復率及系統總能耗上的優勢，并且對其地區適用性做了討論。

2.系統模型的建立

2.1系統負荷模擬

本文選取了銀川市某實際小型建筑為模型，采用DEST軟件進行了該幢建筑全年逐時負荷的模擬，得出該建筑夏季冷負荷為63kW，冬季熱負荷為105kW，模擬結果如下：

從圖1可以看出該建筑的冬季熱負荷明顯比夏季冷負荷大，如果采用單一的地源熱泵系統進行制冷制熱，長時間運行后，土壤的取熱量將大于排熱量，導致土壤溫度下降，從而導致地源熱泵系統的運行能效下降。

2.2系統原理及構成

根據楊衛波等人提出的太陽能板與地埋管的最優連接方式所構建的系統流程1如圖2：太陽能熱水將直接進入地埋側板換，與地源側水進行換熱，地源側水先與太陽能熱水進行換熱，再進入地埋管進行換熱。

根據馮曉梅等人提出的太陽能熱水梯級利用，熱水的利用分為四個溫度梯級，這樣的利用方式當然有其節能優點，但是控制上過于復雜，閥門過多，系統切換頻繁，因此本文借鑒其控制思路，簡化其運行策略，提出如圖系統流程2：當水箱內太陽能熱水溫度大于50℃時，直接利用其熱量供暖，此時熱泵機組是處于關機狀態，太陽能熱水直接進入負荷側板換加熱負荷側熱水；當熱水溫度低于50℃時，系統運行如流程1。

根據朱家玲等人的研究，系統原理流程2中地埋管內的水會將部分太陽能熱水的熱量帶入土壤中，而這樣的熱量會在土壤的滲流等因素的影響下很快散失掉，造成熱量的損失，因此對流程2進行改進，如圖4，讓地埋管內的水先經過地埋側板換，吸收太陽能熱水的熱量，當水箱內水溫低于25℃時，再切換成普通的地埋管換熱系統。

3.系統數值模擬

本文采用TRNSYS軟件對上述的三種系統形式進行數值模擬，圖5是根據以上三種運行模式在TRNSYS中所搭建的模擬流程，可以調整相關閥門以及增減修改少量的部件來實現以上三種流程，為了驗證軟件可靠性，參考文獻中的實驗流程進行相應模擬，得出結果與其實驗值的比較見表1。

從表1可以看出，該模型的模擬結果與實驗值的偏差是在可接受的范圍內的，因此該模型可用來進行相關模擬，本文的模擬條件為：

①末端系統采用上述模擬的逐時負荷；

②熱泵機組2臺，標準工況下（夏季空調側供回水溫度為7/12℃，地埋側供回水溫度為30/25℃，冬季空調側供回水溫度為45/40℃，地埋側供回水溫度為5/10℃），制冷量59.08kW，制冷功率15.90kW，制熱量71.97kW，制熱功率25.16kW；

③土壤初始溫度為12℃，導熱系數為4.68W/m·K，土壤熱容為2016kJ/m²/K，地埋管管深100m，水平管埋深2m，鉆孔直徑140mm，每延米換熱量按當地土壤熱響應測試報告冬夏季分別為45W/m和60W/m，數量按冬季熱負荷計算，105kW/（45W/m*100m）≈24個；

④太陽能集熱器面積根據文獻結論“尺寸比例13.8m（埋管）/m²（集熱器）”選取，2400/13.8≈174m²，水箱體積按照工程經驗值估算，1m²集熱器配50L水箱，故采用9m？不銹鋼保溫水箱兩個，水箱內的水交替加熱，隔天使用，以實現太陽能系統最大蓄能量，忽略水箱自身的熱損失。

⑤當太陽能熱水供水溫度大于50℃時，流程2與流程3太陽能熱水經過負荷側板換與空調水進行換熱，利用太陽能熱水直接供暖；當太陽能熱水供水溫度在50℃到27℃時，太陽能熱水經過地埋側板換與地源水進行換熱；當太陽能熱水供水溫度低于27℃時，不利用其熱量。

從圖6中可以看出：1.第一天和第四天流程3的系統COP最大，流程2和流程1基本相當；2.第二天流程3和流程2的COP為0，此時機組并未啟動；3.第三天流程3和流程2的COP起初為0，而后增大；4.第五天流程3的COP起初顯著大于其他流程，而后三者COP又趨于相同；5.橫向比較發現第二天流程1的COP相比第一天呈現急劇上升和急劇下降的趨勢。

產生這些變化的原因：①從圖7中可以看出，第一天和第四天流程3地源側回水溫度整體上要遠遠大于流程1和2，水溫基本維持在25℃左右，這也是地源水只和太陽能熱水換熱的結果，因此流程3機組的COP才會遠遠大于流程1和2；②第二天流程3和流程2的熱泵機組沒有開啟，從圖8中可以看出此時太陽能熱水水溫在50℃以上，已經實現獨立供暖，不需要熱泵機組；③從圖8中可以看出第三天起初太陽能水溫在50℃以上，因此流程2和流程3熱泵機組起初沒有開啟，而后隨著持續供暖對太陽能熱水熱量的消耗，水溫降低到50℃以下，熱泵機組才開啟；④第五天起初太陽能熱水溫度在27℃到50℃之間，熱水經過地埋側板換換熱，但隨著熱量的釋放，熱水水溫也降到了27℃以下，此時三種流程的地源側水只經過地埋管，因此呈現出近似的溫度水平；⑤從圖7可以看出地源側回水水溫也有類似COP的急上急下的特征，這也是導致COP如此變化的表面原因，而通過觀察圖8可以發現太陽能熱水供水溫度從原來的60℃左右急劇下降到25℃左右，說明此時地埋側板換與太陽能熱水的換熱量大，而如此大的換熱量說明地源水經過地埋管和機組水溫下降幅度大，從而推導出地源水從板換吸收的熱量大部分被地埋管所吸收。

3.2系統能耗水平比較研究

從圖9可以看出流程3系統一年總能耗最低，其次為流程2，流程1能耗水平最高，相對于流程1的能耗水平，流程3節能率為13%，流程2節能率為10%。

流程2的節能途徑主要是利用太陽能直接供暖，而流程3的節能途徑主要是利用太陽能的直接供暖和COP的提高。具體說來，可以從圖6和圖7可以看出，流程3中地源水通過地埋側板換換得的水溫在25℃左右，可以明顯提高系統COP，達到節能效果；而從圖10可以看出流程3的太陽能直接供暖總量要比流程2更大，原因可以從圖8看出，流程3對于熱水的梯級利用更加平穩，每天制熱結束時水溫都都要高于其它流程，這樣第二天制取的太陽能熱水水溫就更高，因而更有利于太陽能熱水直接供熱，這樣流程3太陽能直接供暖總量也就比流程2要大，更加節能。

3.3系統土壤溫度變化比較研究

從圖11可以看出流程1和流程2的土壤溫度變化規律相似，最后的土壤溫度分別為11.25℃和11.29℃，土壤一年的溫降分別為0.75℃和0.71℃；而流程3的土壤變化趨勢與流程1和流程2接近，最后的土壤溫度為11.05℃，土壤一年的溫降為0.95℃，相比流程1和流程2溫降加大。

參考圖12可以看出土壤整體的熱量變化和溫度變化情況一致，流程1的土壤熱量減少了40954961kJ，流程2的土壤熱量減少了38704686kJ，流程3的土壤熱量減少了46460310kJ，可見流程3土壤減少的熱量最多，流程1其次，流程2最少。具體來說，土壤整體熱量的變化可以分為兩部分，一部分是土壤同地埋管的熱量交換，另一部分是土壤與周圍土壤或其他介質的熱量交換。從圖13可以看出，流程3的土壤被地埋管吸收的熱量也是最大，而流程1和流程2基本相當。其原因可以從圖8看出，流程3的太陽能熱水熱量基本沒有排向土壤，而流程1和流程2的太陽能熱水熱量通過地埋管大部分被土壤所吸收，因此才會出現圖13的熱量變化情況；而從圖14可以看出流程1土壤散失的熱量最大，流程2其次，流程3最小，這是因為流程1土壤吸收的太陽能熱量越多，土壤自身散失的熱量也就越大，文獻也可以佐證這一觀點。

4.太陽能熱水梯級利用適用性

對于太陽能熱水的梯級利用的必要條件是熱水溫度要達到50℃以上，而如果供熱期太陽輻射不足將導致熱水水溫不能達到50℃以上，因此太陽能熱水的梯級利用并不是適用于所有地區。就適用性問題本文選取了太陽能資源分布的一二三類地區的代表城市進行太陽能制熱水數值模擬（四類五類地區大多屬南方地區，一般不需要太陽能土壤源熱泵系統）。制熱循環選取上述流程中太陽能制熱水循環，太陽能資源一類地區選取銀川，二類地區選取太原，三類地區選取濟南。

從圖15圖16圖17可以看出，銀川市太陽能熱水箱水溫總體分布上要明顯高于太原市，而太原市要高于濟南市，一年內具體水溫超過50℃的時間量可以參考表2。

從表二可以得出：太陽能資源較豐富的地區采用太陽能熱水的梯級利用更為合適，具體看來一類和二類地區在太陽能土壤源熱泵系統中可以采用太陽能熱水的梯級利用，而三類及三類以下的地區應根據實際情況考慮是否采用太陽能熱水的梯級利用。

5.結論

5.1在太陽能資源較豐富的地區的太陽能土壤源熱泵系統中，太陽能熱水的梯級利用不僅可以平衡土壤熱量及溫度，還可以起到節能的作用，其節能率可達到10%左右。其原因主要在于對于溫度高于50℃的這部分熱水的熱量的利用是不經熱泵機組的直接利用，這樣更有利于系統的節能。

5.2在太陽能土壤源熱泵系統的梯級利用流程中，流程2不僅可以提高熱水對于平衡土壤熱量及溫度的效果，還可以起到一定的節能效果，而流程3相較于流程2節能效果更明顯，但是其土壤熱平衡性卻不如流程2，也不如流程1。當然三者對于以供暖為主的地區而言都不能完全平衡土壤熱量及溫度，因此實際運行時可根據土壤溫度變化情況適當進行過渡季節蓄熱運行。

5.3流程1和流程2中太陽能熱水的熱量都有被土壤所吸收，這也是這兩個流程的土壤熱平衡性好于流程3的原因，而土壤吸收的熱量并沒有完全返還給地源水，大部分熱量被土壤自身所散失，這也是這兩個流程的節能性不如流程3的部分原因。

5.4太陽能土壤源熱泵系統中太陽能熱水的梯級利用更適用于太陽能資源分布的一類及二類地區，而三類及三類以下的地區因為太陽輻射不足而造成可供直接利用的太陽能熱水熱量不足，因此要根據實際情況采用相應的運行策略。