天津地区太阳能-土壤源复合式热泵系统性能研究

马玉国 吕 建 段月强

1天津城市建设学院能源与安全工程学院

2上海联创国际武汉分公司

天津地区太阳能-土壤源复合式热泵系统性能研究

马玉国1吕 建1段月强2

1天津城市建设学院能源与安全工程学院

2上海联创国际武汉分公司

北方某些地区由于冷热负荷的不平衡性，单一的土壤源热泵系统受到限制。太阳能辅助土壤源热泵系统是一种有效利用可再生能源的系统形式。本文对天津地区太阳能辐射情况、建筑全年逐时冷热负荷量及复合热泵系统的制热机组效率进行研究，分析在天津地区太阳能-土壤源复合热泵系统的节能性。

太阳能土壤源热泵机组效率节能性

0 引言

土壤源热泵因其节能和环保性而被广泛应用，但是对于寒冷地区，可能出现建筑的热负荷远大于冷负荷，冬季热泵机组向地埋管的吸热量大于夏季向地下的排热量[1]。为了满足冬季热负荷的需要，势必要加大地热换热器的配置，造成系统初投资的增加，而且由于冬夏季冷热负荷的不平衡造成了地下温度场的变化，导致了热泵机组效率的下降，所以，单一的土壤源热泵系统受到限制。太阳能辅助土壤源热泵系统是一种复合式地源热泵系统，既能有效解决土壤源热泵长期运行引起土壤温度的变化，保持土壤温度的稳定性，又能弥补太阳能的不稳定性、间歇性的缺点[2]，实现连续供暖和供应生活热水。

国外对土壤源热泵的研究较早，而对太阳能-土壤源热泵复合热泵系统的研究则不多；国内只在近几年才开始对土壤源热泵、太阳能-土壤源热泵系统进行基础性研究，基本上处在起步阶段，尤其针对北方某一确定地区的研究更少。本文以天津地区的气候条件及建筑冷热负荷为切入点分析太阳能-土壤源复合热泵系统在天津地区的可行性，并通过模拟以及实验的方法，对复合热泵的机组效率及节能性与单一土壤源热泵系统进行比较，研究复合热泵系统应用的合理性。

1 天津地区太阳能资源分析

据估算，我国的陆地表面每年可接收的太阳辐射能大约为50×1018kJ，太阳能年辐射总量达335～837 kJ/cm2·a，可折算为2.4×104t标准煤，属于太阳能资源丰富的国家。根据我国的太阳能资源分布，可划分为五类地区[3]。天津属于二类地区，近30年太阳总辐射量的平均值约为5966MJ/m2，其中太阳辐射量最大值约为6409.7MJ/m2，最少则仅为5400.4MJ/m2。天津地区太阳辐射量较大，为太阳能辅助土壤源热泵系统提供了便利条件。实行土壤源热泵和太阳能的联合运行，不仅充分利用太阳能这一可再生能源，弥补了太阳能不稳定、密度低的缺陷，而且可解决土壤温度下降的问题。深入研究太阳能与土壤源热泵结合的复合源热泵系统对社会节能有较为深远的意义。

2 理论分析

2.1 TRNSYS模型建立

太阳能-土壤源复合热泵系统的模型建立由四部分组成分别为：建筑模型、土壤源热泵系统、太阳能系统以及控制系统。其主要应用的模块有：全玻璃真空管集热器模块、循环水泵模块、蓄热水箱模块、地埋管换热器以及暖通HVAC等。土壤源热泵系统主要有：热泵机组模块、循环水泵模块、地埋管模块。TRNSYS模型如图1。

图1 Trnsys模型建立

2.2 模拟结果分析

本文选取的建筑位于天津地区，建筑面积为1600m2。用TRNSYS模拟软件模拟天津地区该建筑的全年逐时冷热负荷，根据天津地区的气候特点设定其供暖季为：11月15日到第二年的3月15日总计为120天，夏季空调季为6月15日到9月13日，共计90天，其他时间为过渡季节。供暖季室内的设定温度为18℃；其通风次数为0.5次/h。其冬季模拟结果如图2。空调季室内的设定温度为26℃，其通风换气次数为1.0次/h。夏季冷负荷的模拟如图3。

图2 夏季冷负荷模拟结果

图3 冬季热负荷模拟结果

由图2、3可知空调季的冷负荷峰值比较大，但是其高峰值出现的时间点比较少，而且冷负荷波动比较大；而冬季的热负荷峰值小于夏季的冷负荷峰值，但冬季比较稳定，甚至连续几天的负荷值都接近，这样就造成了冬季的累计热负荷要远大于夏季的累计冷负荷如表1。

表1 建筑物冬夏季负荷比较

建筑物冬季累计热负荷为3996.8kW·h，夏季的累计冷负荷为1630.5kW·h；根据土壤源热泵冬季设计工况COP=3.5、夏季设计工况COP=4可得：冬、夏季吸排热量累计分别为：2854.6 kW·h、2039.2kW·h，冬夏季的吸热量与排热量之差是815.4 kW·h，其不平衡率为39.9%。

由于天津地区的冷热负荷不平衡，长时间运行会导致土壤温度下降从而破坏土壤层温度场，土壤源热泵长期单独运行就会使土壤温度下降，甚至土壤中的水分结冰从而造成植物的死亡、破坏生态平衡[4]。以20年为运行周期，通过TRNSYS软件建立的土壤源热泵运行模型，连续运行20年后土壤平均温度和地埋管出水温度见图4。

图4 单一土壤源热泵运行20年地下温度变化情况

由图4可以看出，长期单独运行土壤源热泵时土壤温度是逐年下降的，充分利用天津地区丰富的太阳能资源，不仅克服热泵长期运行造成土壤温度的下降问题，给土壤温度一个恢复期，而且可达到节能的目的。

图5、6分别为土壤源热泵系统和太阳能-土壤源复合热泵系统的COP随时间变化的模拟结果，由图可看出太阳能-土壤源复合热泵系统的COP明显要比单一土壤源系统的COP高，复合源热泵的COP值最大可达到4.7左右，而土壤源热泵的COP值最高才达到3.3左右，由此可以看出复合源热泵相对于单热源的热泵的节能性有明显的优势，通过计算，其节能率可达到30%左右。

图5 单一土壤源热泵系统COP随时间变化曲线

图6 太阳能-土壤源复合热泵系统的COP随时间变化曲线

3 实验测试系统分析

3.1 实验测试系统建立

试验系统主要有四部分组成：热泵机组、测量控制系统、地埋管及太阳能集热器。系统图如图7。末端装置为采暖地盘管。

图7 太阳能-土壤源热泵系统联合供暖系统图

3.2 实验测试结果分析

由天津地区太阳能资源分析实测数据可知天津地区的太阳能辐照强度在11:00～13:00时为最强的，在此时间段如果条件允许可以采用太阳能供暖，在7:00～9:00、14:00～19:00时由于太阳辐照强度比较弱此时段必须运行土壤源热泵以保证用户需求，夜间需单独运行土壤源热泵系统供暖。图8可以看出太阳能侧的回水温度在8.2℃左右，在11:00后水温开始趋于稳定状态，温度波动变化不大稳定在20℃左右，在15:30以后由于太阳辐照强度的下降，集热器的产热也开始下降。

图8太阳能集热器的进出口水温图

图9 实测数据表明热泵机组运行时，热泵机组蒸发器侧的出水温度为6.5℃，蒸发器侧的进水温度为10.6℃。由图9可以得到地埋管系统在初运行时地埋管系统内水的温度较高，分析其原因主要是：刚开始运行土壤中储蓄的热量充足以致水温接近土壤的温度，造成了浅层地埋管内水的温度较高。由图9可以看出进出口水温波动比较大其主要原因是：其热源的不稳定性，造成了水温波动比较大。

图9 土壤源蒸发器侧的供回水温度

由图10实测数据可知热泵机组蒸发器平均出水温度为8.2℃，蒸发器平均进水温度为13.2℃，采用太阳能-土壤源复合热泵的系统的蒸发器侧进水温度明显要高于单独的土壤源侧，这就使系统的COP值提高，而且其波动的频率小于单独的土壤源说明太阳能的加入提高了系统热源的稳定性。

图10 复合源侧的供回水温度

图11所示土壤源与复合源热泵系统的COP值。由图11可知太阳能-土源热泵的COP明显高于土壤源热泵，当太阳辐射强度在最大值时两种运行方式的COP差值明显增大如图所示即：两曲线的间距比曲线两端较大，当辐射角度较弱时，两曲线之间的间距减小，两种运行模式的COP差值减小，由此可以推出太阳能辐射强度的大小对太阳能-土壤源热泵的运行费用以及其节能性起着至关重要的作用。从节能、运行费用的角度考虑复合源热泵系统明显优于土壤源热泵系统。

图11 复合源热泵与土壤源热泵的COP

4 结论

1）从天津地区的太阳辐射情况及天津地区建筑全年逐时冷热负荷量为切入点，太阳能辅助土壤源热泵系统存在必要性。

2）通过分析天津地区太阳能资源与实测太阳能辐射值，在冬季初期，可以单独采用太阳能采暖，不仅充分利用这一可再生能源，达到节能的目的，而且给土壤温度场一个恢复期。

3）通过数值模拟与实验测试，太阳能-土壤源热泵系统COP要高于单一土壤源热泵系统，复合源热泵系统比单一土壤源热泵系统更节能，其节能率可达到30%左右。

[1]王雁生,王成勇.太阳能+地源热泵并联热水系统冬季运行特性研究[J].通空调,2009,39(9):70-74

[2]李朝佳,孙友宏,吴晓寒.太阳能辅助地源热泵联合供暖(制冷)运行模式分析[J].能源工程,2008,(6):35-38

[3]王徵,邱大雄,顾树花.我国开发太阳资源综述[J].中国管理科学,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

马玉国（1987～），男，硕士研究生；天津市西青区津静公路26号天津城市建设学院能源与安全工程学院（300384）；E-mail:cjmyg1987@163.com