被動房中太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用研究

唐汝寧 張慧敏

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

嚴(yán)寒地區(qū)建筑能耗主要為冬季采暖能耗，冷熱負(fù)荷極不平衡。單獨(dú)使用地源熱泵，長期運(yùn)行會產(chǎn)生地下土壤熱失衡問題，而太陽能又有間歇性和不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)，為緩解這一問題利用了太陽能—地源熱泵耦合系統(tǒng)[1-2]。該系統(tǒng)既能利用土壤源克服太陽能的間歇性，又可利用太陽能起到緩解土壤溫度的恢復(fù)壓力，提高系統(tǒng)的能效，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 耦合系統(tǒng)工作原理

圖1為太陽能—地源熱泵耦合系統(tǒng)圖，此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)夏季供冷、冬季供熱、過渡季土壤蓄熱三種運(yùn)行模式。每種模式包含若干工況，可以通過閥門的切換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行模式和工況的轉(zhuǎn)變。太陽能地源熱泵耦合系統(tǒng)的運(yùn)行模式見表1。

圖1 太陽能—地源熱泵耦合系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)可通過閥門的切換實(shí)現(xiàn)夏季供冷、冬季供熱、過渡季土壤蓄熱三種運(yùn)行模式，其中在供熱期可分為兩種運(yùn)行模式，見表1。在供熱期，如太陽能所蓄熱量不足以提供建筑熱負(fù)荷，則采用模式1運(yùn)行模式，該模式具體過程為：載熱流體經(jīng)過太陽能集熱器得到熱量，進(jìn)入蓄熱水箱使水箱中水溫升高，同時地埋管側(cè)載熱流體從水箱中流出進(jìn)入熱泵機(jī)組，完成一個環(huán)路。如太陽能所蓄熱量足夠提供建筑熱負(fù)荷，則采用模式2運(yùn)行模式，在該模式中，太陽能集熱器收集的熱量使水箱溫度升高，加熱的載熱流體從水箱流出直接流入熱泵機(jī)組，再回到水箱，完成一個循環(huán)。在供冷期，太陽能集熱器及水箱這一環(huán)路不運(yùn)行，從地埋管流出的載熱流體直接流入熱泵機(jī)組，再回到地埋管，完成一個循環(huán)。在過渡期，太陽能集熱器收集的熱量使水箱溫度升高，加熱的載熱流體進(jìn)入地埋管，使地埋管周圍土壤溫度回升，降溫后的載熱流體再回到蓄熱水箱，完成一個循環(huán)。

表1 太陽能地源熱泵耦合系統(tǒng)的運(yùn)行模式

為保證室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)計規(guī)范，又避免溫度在小幅度變化時，頻繁切換閥門會導(dǎo)致運(yùn)行模式改變，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此本系統(tǒng)將室內(nèi)溫度控制在一定范圍內(nèi)，而不是一個固定的溫度點(diǎn)，冬季設(shè)為18℃～20℃，夏季設(shè)為24℃～26℃，各模式切換由溫度與時間共同控制，具體控制方法見表2。

表2 太陽能地源熱泵耦合系統(tǒng)各運(yùn)行模式的控制方法

2 負(fù)荷模擬

以內(nèi)蒙古阿爾山地區(qū)的一座展覽館為例，該建筑為被動房建筑，面積為3800 m2，高度為7.5 m，共一層。該地區(qū)太陽能資源十分豐富，太陽能年平均輻射強(qiáng)度可達(dá)5275 MJ/m2，年日照數(shù)可達(dá)2468 h，供暖期為10月1日至次年5月1日，共212天。利用DeST-c能耗軟件對建筑進(jìn)行全年逐時冷、熱負(fù)荷的計算，見圖2。

圖2 建筑全年逐時總熱負(fù)荷與冷負(fù)荷

由模擬結(jié)果可知，該展覽館的全年最大熱負(fù)荷為175.56 kW，全年最大冷負(fù)荷為163.41 kW，全年累積熱負(fù)荷為 324995.33 kW·h，全年累積冷負(fù)荷為76635.18 kW·h，采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)為4.89 W/m2，空調(diào)季冷負(fù)荷指標(biāo)為3.63 W/m2。說明了該建筑全年累計熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于全年累計冷負(fù)荷，冷、熱負(fù)荷不平衡率可達(dá)76.42%。

3 耦合系統(tǒng)模塊設(shè)計

基于太陽能-地源熱泵耦合系統(tǒng)，對該系統(tǒng)三大主要模塊進(jìn)行設(shè)計，包括：地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計、太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計、蓄熱水箱設(shè)計。

3.1 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計

地埋管換熱器可以實(shí)現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)與深層土壤之間的熱交換，其埋管間距的選擇，管徑的確定，管材的選擇以及循環(huán)介質(zhì)的選擇是否合理，設(shè)計的是否正確，都決定著系統(tǒng)是否可以正常使用，是否有較高換熱效率。

表3 地埋管參數(shù)設(shè)定

地埋管選取垂直埋管形式，單U管，管間距取5.5 m，埋深為100 m，管材選用韌性好、強(qiáng)度高的PE管。因本研究對象所在地區(qū)常年下雪室外環(huán)境溫度較低，為防止結(jié)凍本工程選用濃度為25%的乙二醇溶液作為地埋管換熱器的循環(huán)介質(zhì)，具體設(shè)置見表3。

3.2 太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計

太陽能——地源熱泵系統(tǒng)吸熱量等于地埋管冬季向土壤吸取的熱量，放熱量為系統(tǒng)夏季制冷時向土壤放的熱量與過渡季太陽能集熱器向土壤蓄的熱量，根據(jù)以上分析，得出太陽能集熱器面積為：

由此可以推斷出太陽能集熱器面積為：

式中：Qh為建筑采暖總熱負(fù)荷，kWh；qs,c為采暖季單位面積集熱板表面的集熱量，kWh/m2；COP為熱泵的供暖系數(shù)；EER為熱泵的制冷系數(shù)；Qc為建筑采暖總冷負(fù)荷，kWh；qs,f為過渡季單位面積集熱板表面的集熱量，kWh/m2。

表4為阿爾山地區(qū)太陽能月總輻射強(qiáng)度值，以及用DeST模擬得出的建筑全年逐時冷熱負(fù)荷數(shù)據(jù)，求得采暖季單位面積集熱板表面的集熱量qs,c和過渡季單位面積集熱板表面的集熱量qs,f，最終得出應(yīng)用于本展覽館的太陽能——地源熱泵系統(tǒng)中的太陽能集熱器面積為289.72 m2，因此最終確定太陽能集熱器面積為300 m2。

表4 阿爾山地區(qū)太陽能月總輻射強(qiáng)度

3.3 蓄熱水箱設(shè)計

根據(jù)《太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝》中的規(guī)定，集熱系統(tǒng)的貯熱水箱的有效容積用下式計算：

式中：A為太陽能集熱器面積，m2；B1為單位采光面積平均日產(chǎn)熱水量，對于直接加熱系統(tǒng)B1=40～100 L/(m2·d)，對于間接加熱系統(tǒng) B1=30～70 L/(m2·d)。

因該系統(tǒng)為間接加熱，B1=30～70 L/(m2·d)，經(jīng)計算得出水箱容積為13.5～31.5 m3。根據(jù)上述計算及現(xiàn)場情況和設(shè)計條件確定，本系統(tǒng)選擇20 m3的蓄熱水箱。

4 耦合系統(tǒng)仿真模擬分析

以TRNSYS軟件為平臺，選取適合系統(tǒng)的模塊，分別搭建傳統(tǒng)地源熱泵供暖系統(tǒng)仿真模型和太陽能—地源熱泵耦合供暖系統(tǒng)仿真模型，見圖3與圖4。

圖3 傳統(tǒng)地源熱泵供暖系統(tǒng)仿真模型

圖4 太陽能—地源熱泵耦合供暖系統(tǒng)仿真模型

4.1 傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)模擬結(jié)果分析

圖5～7給出了傳統(tǒng)地源熱泵運(yùn)行10年時地埋管周圍土壤溫度變化趨勢、地埋管吸熱量、熱泵COP的變化趨勢。

由圖5可知，土壤初始溫度為9.8℃，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10年，最低溫度降低至-8.33℃，降低了18.13℃。由此可知，在地源熱泵單獨(dú)供熱這種情況下，土壤惡化極度嚴(yán)重且速度極快，會導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。由圖6可知，地埋管最大吸熱量為2500 kW，最大釋熱量為2000 kW，但大部分時間地埋管吸熱量小于0，屬于吸熱狀態(tài)。由此可見在傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)中地埋管吸熱量遠(yuǎn)大于釋熱量。由圖7可知，在系統(tǒng)運(yùn)行期間熱泵制冷效率有小幅度上升，從5.5上升到6.8，熱泵制熱效率有小幅度下降，運(yùn)行10年下降0.08，平均COP為4.12。產(chǎn)生這種情況的原因是傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)供熱系統(tǒng)長期運(yùn)行使得地埋管周圍土壤溫度降低，從而使得制冷效率升高，制熱效率降低。

圖5 土壤蓄熱體周圍溫度

圖6 地埋管吸熱量

圖7 熱泵機(jī)組COP

4.2 太陽能—地源熱泵耦合系統(tǒng)模擬結(jié)果分析

圖8～11給出了太陽能—地源熱泵耦合系統(tǒng)運(yùn)行10年時地埋管周圍土壤溫度變化趨勢、地埋管吸熱量、太陽能集熱器有效集熱量、熱泵COP的變化趨勢。

由圖8可知，土壤初始溫度為9.8℃，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10年，最低溫度升高至10.98℃，升高了1.18℃。由此可知，在太陽能—地源熱泵系統(tǒng)中，太陽能可以很好的解決土壤取熱與放熱不平衡的問題。由圖9可知，地埋管吸熱量最大為1800 kW，且大部分時間地埋管吸熱量大于0，屬于釋熱狀態(tài)。說明了加入太陽能集熱器可明顯減少地埋管從地下土壤中吸取的熱量。由圖10可知，太陽能有效得熱量在一年中最高可達(dá)1800 kW，集熱量每年變化規(guī)律相近，沒有太大變化。由圖11可知，熱泵制熱效率有小幅度上升，運(yùn)行10年上升0.05，平均COP為4.34，制冷效率有小幅度降低，但幅度很小，說明太陽能—地源熱泵耦合系統(tǒng)可高效穩(wěn)定的運(yùn)行。

圖8 土壤蓄熱體周圍溫度

圖9 地埋管吸熱量

圖10 太陽能集熱器有效集熱量

圖11 熱泵機(jī)組COP

4 結(jié)論

1）傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10年，地埋管周圍土壤溫度降低了18.13℃，熱泵機(jī)組平均COP為4.12。說明傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)中單靠土壤自身恢復(fù)溫度程度有限，常年運(yùn)行下去會使地埋管周圍土壤惡化，降低系統(tǒng)效率。

2）太陽能—地源熱泵耦合系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10年，地埋管周圍土壤溫度升高了1.18℃，比傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)地埋管周圍土壤溫度高19.31℃。熱泵機(jī)組平均COP為4.34，比傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)機(jī)組COP提高了0.22。說明加入太陽能作為輔助熱源可以很大程度提高地埋管周圍土壤溫度，提高系統(tǒng)效率。