太陽能地源熱泵聯合供熱水系統TRNSYS模擬與研究

李淋，徐青山，蔣菱，霍現旭，李國棟

（1.東南大學電氣工程學院，江蘇南京 210096；2.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300392）

太陽能地源熱泵聯合供熱水系統TRNSYS模擬與研究

李淋1，徐青山1，蔣菱2，霍現旭2，李國棟2

（1.東南大學電氣工程學院，江蘇南京 210096；2.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300392）

隨著社會的快速發展和人民生活質量的提高，穩定的生活熱水供應成為一項必備的建筑設施。在國家推動能源生產、節能減排的新形勢下，利用可再生能源、減少污染廢棄物的排放，是政府、企業和民眾的共同目標[1-3]。減少碳等傳統化石能源的使用，加大可再生能源的能源市場占有率，促進全球能源互聯網的發展是解決人類能源危機、環境污染和氣候變暖的有效途徑[4-6]。太陽能集熱器和地源熱泵是利用可再生能源供熱的2種有效方式，太陽能集熱器將光照中的太陽能轉化為水的熱能，其投資較小，使用年限一般為7～8 a[7-8]；但太陽能集熱器供熱水受季節、天氣及所在空間位置影響較大，具有一定的不穩定性[9-10]。地源熱泵是向土壤中釋放熱量或者吸收熱量來制冷或者制熱的，具有節能、環保、效率較高、受季節因素影響小等優點，同時維護成本也較低[11-12]；但是地源熱泵前期投資大、長期從土壤中取熱會造成土壤溫度下降，影響整個系統的效率[13-14]。為了解決太陽能集熱器供熱的不穩定性和地源熱泵系統附近土壤溫度持續性降低的問題，本文提出將太陽能和地源熱泵聯合起來供應熱能。

目前，已有的國內外研究主要集中在聯合系統效率高、性能好等方面。文獻[9]對太陽能地源熱泵聯合系統進行了能量和火用分析，結果表明熱泵的COP在3.12～3.64之間，而系統的COP在2.72～3.43之間。文獻[10]在公共建筑中設計了一套復合式太陽能-地源熱泵系統，并用TRNSYS軟件進行預測仿真，結果表明所設計的系統可以有效、穩定長期運行，節省了經濟開支。文獻[11]建立了傳統的地源熱泵系統和復合式地源熱泵系統，在TRNSYS進行模擬對比分析，結果表明利用太陽能輔助地源熱泵在以熱負荷為主的建筑物中是可行的，在設定的20 a仿真年限內，混合式地源熱泵比傳統的地源熱泵的凈現值（NPV）低3.7%～7.6%。文獻[12]建立了太陽能地源熱泵耦合系統，通過對全年熱量平衡進行計算，結果發現可以克服單一使用地源熱泵或太陽能系統的運行性能低的問題，并且經濟效益更好。

這些文獻沒有考慮到地源熱泵長期運行可能出現的土壤熱失衡問題，文獻[19]提出將太陽能地源熱泵系統（SGCHP）應用到寒冷地區的方案，并用TRNSYS軟件進行仿真動態模擬，對熱負荷遠大于冷負荷的嚴寒地區土壤溫度問題進行研究。文獻[20]在實際搭建太陽能地源熱泵系統基礎上，分析了整個系統的用能情況和分析地溫變化情況，并著重對運行策略進行研究。本文以天津地區某高校學生公寓太陽能地源熱泵聯合供熱水工程為基礎，在TRNSYS軟件上搭建仿真模型，對仿真結果進行分析研究，驗證系統的可行性、經濟性和可持續性。

1 聯合供熱水系統設計

我國北方地區地熱資源和太陽能資源豐富，冬季的供熱需求大[21]。在天津地區某高校建立學生公寓供應生活熱水工程：以天津地區某高校學生公寓供應生活熱水工程為例，每月根據氣溫和學生在校情況的日用水量見表1。

學生用戶在寒暑假時間段的熱水負荷需求很小，太陽能地源熱泵聯合供熱系統的熱能需求量幾乎為0，結合系統最大限度利用太陽能的原則，將太陽能輸入到土壤中來進行熱補償[19-21]，工程原理圖見圖1[22]。在高校上課期間供熱過程運作，地源熱泵系統正常工作，太陽能集熱器和地源熱泵聯合起來供應生活熱水；高校放假期間補熱過程運作地源熱泵系統停止工作，利用板式換熱器將太陽能輸入到土壤中，以達到熱平衡的作用。

表1 學生公寓日用水量Tab.1 Dayly water consumption of student apartment

圖1 太陽能地源熱泵聯合供熱水系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of solar-ground source heat pump combined heating water system

1.1 太陽能集熱器設計計算

太陽能集熱器采用強制循環，集熱器的傾角設置為0°。依據06SS128太陽能集中熱水選用與安裝規范，可以由日平均用水量、溫度和其他已知變量直接計算出直接式系統集熱器總面積：

式中：AC為太陽能集熱器總面積，m2；Qd為日平均用水量，L；c為水的比熱容，kJ/（kg·℃）；ρr為水的密度，kg/L；tend為集熱水箱內水的終止設計溫度，℃；tL為水的初始溫度，℃；JT為集熱器總面積上年平均日或月平均日太陽能輻射量，kJ/m3；f為太陽能保證率，經驗值取0.30～0.80；ηcd為集熱器年或月平均集熱效率，經驗值取0.25～0.50；ηL為管路及貯水箱的熱損失率。

冬季日均用熱水量最大，由太陽能提供總制熱水熱量的25%。集熱水箱體積的確定與集熱面積有關，一般而言1 m2的集熱面積對應于40～100 L集熱水箱的體積，本工程中取58 L。

1.2 地源熱泵機組設計計算

熱泵機組的制熱量和土壤源熱泵系統的日耗熱量為：

式中：Qd為日耗熱量，kW；Qg為熱泵機組設計小時平均供熱量，kW；m為用水計算單位數；qr為熱水用水定額，L/（人·d）；ρ為水的密度，kg/L；c為水的比熱容，kJ/（kg·℃）；tr為熱水溫度，℃；tL為冷水溫度，℃；k1為安全系數；T1為熱泵機組設計工作時間，h。

地源熱泵系統在日均用熱水量最大的冬季承擔總制熱量的75%，制熱水的時間為15 h。

1.3 室外地埋管的設計計算

根據GB50366—2009《地源熱泵系統工程技術規范》相關規定，一般地下鉆孔的熱間距為3～6 m，本工程取4 m。天津地區地下地埋管換熱器單位管長換熱量為50 W/m，根據相關公式可計算出滿足冬季最大吸熱量所需的鉆井長度和鉆井個效：

式中：L為地埋管換熱器的總管長，m；Q1為地埋管換熱器的熱負荷，kW；q為單位管長換熱量，W/m；H為設計的鉆井深度，m；N為鉆井個數。

2 基于TRNSYS的系統仿真模型

基于TRNSYS軟件，建立了高校學生公寓太陽能地源熱泵聯合供熱水系統的仿真模型，各部件的型號選擇見表2。

太陽能地源熱泵聯合供熱水系統的工作過程分為3部分：集熱過程、儲熱過程、補熱過程，集熱過程是太陽能集熱器吸收太陽光中的能量；儲熱過程是當太陽能集熱器中水溫達到設定溫度時，將集熱器中的熱水輸送到保溫水箱中進行儲熱的過程；補熱過程是學生公寓沒有熱水需求時間段將集熱器中的熱水熱能通過板式換熱器輸送到土壤中，進行補熱的過程。太陽能集熱過程中溫差控制器上限為10℃，下限設置為2℃，同時若負荷側出口溫度高于切斷溫度上限（100℃）則停止工作[22-25]。太陽能儲熱過程溫差控制上限設置為15℃，下限設置為0℃，設定溫度為60℃，若超過切斷溫度上限停止工作。土壤補熱過程發生在高校放假時間段的8：00-17：00，高校上課時間段14：00-16：00，啟動循環泵將太陽能熱水中熱量輸送到土壤中，對土壤進行補熱，其他時間段關閉補熱過程，仿真圖如圖2。

表2 TRNSYS仿真模型中主要部件明細Tab.2 Major components of the model in Trnsys

3 仿真結果分析

3.1 換熱量及效率分析

該系統的熱源為太陽能和地源熱泵，通過輸出部件與氣象部件、集熱水箱和儲熱水箱連接，以月和年為積分時間單位[25]，輸出太陽能總輻射量為IColl，集熱器吸收的有用能為Qucoll、地源熱泵輔助加熱能量為QAux、地源熱泵功率月積分量為Q、太陽能集熱效率為η、性能系數為COP。

由圖3的太陽能月總輻射量曲線可以看出全年每月的太陽輻射量有明顯的差異，在4月可以達到最大值586.95 MJ/m2，在7月、12月達到最小值337.54 MJ/m2和342.244 MJ/m2；由集熱器吸收的有用能曲線可以看出太陽能集熱器吸收的有用能在5月達到了最大值99 302.99 MJ，在2月達到了最小值30 561.85 MJ；由地源熱泵輔助加熱能量曲線可得，在2月、7月、8月高校放假時間段地源熱泵處于停機狀態，地源熱泵輔助加熱熱水的能量為0，在3月達到最大值，為174 158.60 MJ，在6月達到最小值為87 396.63 MJ，整體冬季較大，過渡季節其次，夏季最小；由地源熱泵功率月積分量曲線可得，在2月、7月、8月為0，其他工作時間段平均在40 000 MJ。

圖2 太陽能地源熱泵聯合供熱水系統TRNSYS仿真模型圖Fig.2 Simulation model diagram of solar-ground source heat pump combined heating water system

圖3 各換熱量和太陽能輻射量Fig.3 The amount of heat exchange and solar radiation

由各換熱量和太陽能輻射量數據分析可知：天津地區太陽能資源豐富，太陽能集熱器吸收的有用能多，適合于開展本工程，同時地源熱泵從土壤中吸收的輔助加熱熱水的能量在整個系統能量中占有的比例不可或缺，整個系統對地熱能的利用率高。

由圖4可知，太陽能集熱效率基本在40%左右，其中5月達到最大值61.74%，在2月達到最小值19.37%。地源熱泵系統的性能系數COP在2月、7月、8月為0，1月、2月較大在3.9左右，4月、10月在3.5左右，5月、6月、9月較小在2.95左右，總體冬季季節性能系數COP較大，過渡季節其次，夏季季節最小。由數據分析知：太陽能地源熱泵聯合供熱水系統的效率和性能系數都處于正常值范圍內，該系統運行是可靠且可持續。

圖4 太陽能集熱效率和性能系數Fig.4 Solar collector efficiency and coefficient of performance

全年集熱效率可以達到42%，地源熱泵的性能系數為3.44，總體效率較高，熱泵機組的性能較好；地熱能提供的能量比例為63%，太陽能的能量比例為37%，該系統地熱能利用率較高。

3.2 系統耗電量

在太陽能地源熱泵系統中需要用電的設備有太陽能集熱循環泵、太陽能補熱循環泵、地源側補熱循環泵、熱水循環泵、地能泵和熱泵，以月和年為積分時間分析各設備的月數據和年數據。設備月總耗電量見圖5，各設備年總耗電量數據見表3。

由圖5可知，每月總耗電量在冬季最大，過渡季節其次，夏季最小，在2月、7月、8月高校放假向土壤補熱期間，耗電量在500 kW·h左右，基本可以忽略。由表3可得各設備全年總耗電量中，地源熱泵的耗電量最大，占88.9%，其他水泵的耗電量較小，總計僅占11.1%，年總計耗費電量93 573.81 kW·h，故采用太陽能地源熱泵聯合供熱水是節能且經濟的。

圖5 設備月總耗電量Fig.5 Total power consumption of all equipments in a month

表3 各設備年耗電量Tab.3 Total power consumption of equipments in a year kW·h

3.3 土壤熱平衡及溫度

3.3.1 土壤熱平衡

在地源熱泵運行的過程中，若長期從土壤中吸收能量，則淺層土壤的溫度會逐年降低，影響地埋管換熱器的性能，土壤熱不平衡率是描述土壤性能的一個標準，定義式為[22]

式中：γ為土壤熱不平衡率；Q1為土壤吸收的熱量；Q2為土壤釋放的熱量。

以月和年為積分時間單位，輸出第一年內的土壤各月熱不平衡率和10 a內的年土壤熱不平衡率如圖6所示。

一般土壤熱不平衡率以20%為界限，當小于20%時，由于地下水的作用和土壤的自我修復能力，將不會影響到機組的正常工作[19]；當在20%以上時需要對土壤進行強制加熱或冷卻才能保證其正常工作。

圖6 熱不平衡率圖Fig.6 The rate diagram of thermal imbalance

由圖6土壤月熱不平衡率曲線可知，在2月、7月、8月等高校放假時間段的土壤不平衡率為100%，在其他月份土壤不平衡率較小，其中1月和6月的土壤熱不平衡率分別為28.35%和23.52%，其他月份均在60%左右。由土壤年熱不平衡率曲線可以看出整年的土壤熱不平衡率小于20%，達到穩定狀態；在10 a內的土壤熱不平衡率隨著年數增加逐漸降低，前5 a土壤熱不平衡率下降的速率為0.244，后5 a土壤熱不平衡率下降的速率為0.102，最后趨于一個穩定的熱不平衡率值，將會穩定的運行下去。

3.3.2 土壤溫度

土壤溫度是衡量地埋管附近土壤吸熱量和釋熱量大小關系的另一個有效指標，當土壤的吸熱量大于釋熱量時，土壤溫度會上升；當土壤的吸熱量小于釋熱量時，土壤溫度會下降。以月和年為積分時間單位，輸出第一年內的各月土壤平均溫度和10 a內的年土壤平均溫度如圖7所示。

由圖7土壤第一年月平均溫度曲線可知，土壤各月平均溫度在17.2～18.45℃內波動，整年溫度下降0.74℃，下降速率為4.12%；由土壤年平均溫度曲線可得10 a內土壤的年平均溫度逐年降低，且降低的速率越來越小，前5 a土壤年平均溫度下降速率為12.09%，后5 a土壤年平均溫度下降速率為3.36%。10 a間土壤的年平均溫度下降速率呈逐漸減小的趨勢，最終將會穩定在一個固定值附近，此時土壤年吸熱量與年釋熱量大致平衡，可以保證系統的持續正常穩定運行。

4 結論

1）太陽能地源熱泵聯合供熱水系統各換熱量、性能系數、集熱效率等具有明顯的季節性；全年集熱效率可以達到42%，地源熱泵的性能系數為3.44，總體效率較高；地熱能提供的能量比例為63%，太陽能的能量比例為37%，對地熱能的利用率較高，符合設計的要求。

圖7 土壤溫度圖Fig.7 The temperature diagram of the soil

2）各設備每月總耗電量在冬季最大，過渡季節其次，夏季最小，在高校放假時間段，耗電量在500kW·h左右，幾乎可以忽略；各設備全年總耗電量中，地源熱泵的耗電量最大，占88.9%，其他水泵的耗電量較小，總計僅占11.1%，可以看出采用太陽能地源熱泵聯合供熱水系統是節能且經濟的。

3）10 a內土壤熱不平衡率均小于20%，隨時間呈遞減趨勢，且降低的速率越來越小，最終將會趨于一個穩定值；土壤溫度在2月、7月、8月后有上升，10 a內土壤溫度隨時間呈遞減趨勢，最終將會穩定在15℃左右，太陽能地源熱泵聯合供熱水系統可以持續穩定的運行。

仿真結果表明，太陽能地源熱泵聯合供熱水系統可以有效解決地源熱泵地埋管換熱器附近土壤溫度持續性降低的問題，且整個系統的可行性、經濟性、可持續性良好。

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The Simulation Study of Solar-ground Source Heat Pump Hot Water System by TRNSYS

LI Lin1，XU Qingshan1，JIANG Ling2，HUO Xianxu2，LI Guodong2
（1.School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300392，China）

Ground-source heat pump system takes heat from the soil，causing the temperature of soil which near the buried pipe heat exchanger to get lower and lower，and even leading to the collapse of the system.To solve the problem，according to the hot water system project of student apartment in Beijing，a solar-ground source heat pump system model is established.Then Carrying out a simulation study of the system based on TRNSYS program is to verify the correctness of the model：firstly computes the amount of heat exchange，the coefficient of performance（COP）of system and the coefficient of solar collector to prove the feasibility of the system；then analyses the monthly and annual electricity consumption of all equipment to verify the economy；finally studies the soil temperature and the ratio of the soil heat imbalance to analyze the sustainability and stability of the system.Study case shows that it can solve the persistent reduction of soil temperature by combining the solar energy and ground-source heat pump together to supply hot water.The result confirms correctness and validity of the proposed model.

solar；ground-source heat pump；TRNSYS；feasibility；economy；sustainability

地源熱泵長期運行從土壤中取熱，導致地埋管換熱器附近土壤溫度持續性降低，會降低系統運行效率直至系統崩潰。為解決這一問題，以天津地區某高校學生公寓供應生活熱水工程為例，建立太陽能地源熱泵聯合供熱水系統。利用TRNSYS軟件搭建仿真模型，從系統換熱量、性能系數、太陽能集熱效率的數據結果證明系統的可行性；對系統中各用電設備的月總用電量、年用電量進行數值分析，驗證系統的經濟性；研究第一年每月和10 a內土壤平均溫度和熱不平衡率的變化情況，證明系統的可持續性和穩定性。仿真結果表明，通過將太陽能與地源熱泵聯合起來供應高校生活熱水，可以有效解決地埋管附近土壤溫度持續性降低的問題，驗證了所建立系統的正確性及有效性。

太陽能；地源熱泵；TRNSYS；可行性；經濟性；可持續性

1674-3814（2017）09-0124-06

TU83

A

國家電網公司總部科技項目（SGTJDK00DWJS16-00014）；江蘇省產學研前瞻項目（BY2016076-12）。

Project Supported by the Technology Projects of the State Grid（SGTJDK00DWJS1600014）；Prospectie Study Project of Jiangsu Province（BY2016076-12）.

2017-03-21。

李 淋（1994—），女，碩士研究生，主要研究方向為冷熱電聯供經濟調度和優化運行；

徐青山（1979—），男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為新能源發電及冷熱電混合能源系統運行、規劃與控制研究。

（編輯 董小兵）