太阳能辅助地源热泵供暖实验研究

赵忠超，丰威仙，巩学梅，米浩君，成 华，云 龙

(1.江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003)

(2.宁波工程学院建筑工程学院，浙江宁波315016)

太阳能－地源热泵是一种使用清洁可再生能源、环保、低能耗的理想系统.自1956年Penrod提出太阳能集热器与地源热泵组合的设想［1］并于1969年给出系统的设计过程和方法后［2－3］，学者们对该类系统进行了大量研究［4－8］.进入21世纪，随着世界各国对能源与环境问题更加重视，太阳能－地源热泵系统的研究得到了进一步的发展.文献［9］首次以TRNSYS为模拟平台，证明了在寒冷地区，混合地源热泵系统在经济上是可行的，节能效果明显.文献［10］通过对太阳能与地源热泵复合系统的模拟提出了最佳配置和运行方式.文献［11］设计了太阳能－地源热泵复合控制系统，该系统实现了多能源的综合互补利用，同时，系统将模糊PID控制算法与自动变频急速相结合，提高了对采暖末端温度的控制精度，降低能耗.

目前，针对太阳能－地源热泵复合系统研究技术手段主要采用理论分析和模拟分析，而采用实验研究较少，缺乏太阳能与地源热泵联合运行的实验数据，对其运行性能缺乏足够的认识.因此对太阳能－地源热泵复合系统进行实验研究，对掌握其运行特性，具有重要意义.文中利用宁波某公用建筑的复合系统，对太阳能辅助地源热泵供暖进行实验研究，获得了SAGSHP供暖运行特性变化规律，验证了太阳能辅助地源热泵供暖性能优于地源热泵单独供暖，SAGSHP供暖在技术上是完全可行的.

1 实验系统

为了研究太阳能辅助地源热泵的供暖性能，文中对宁波某公用建筑的太阳能－地源热泵复合系统进行实验研究.该实验系统由两套机组参数相同的独立的太阳能－地源热泵复合系统组成，如图1.系统主要包括6个部分:水源热泵机组、地埋管换热系统、空调末端系统、自动控制系统、太阳能集热系统和生活热水系统.其中，两套系统的空调末端相互独立，GSHP系统对该建筑右边9个办公室进行供暖，SAGSHP系统对左边9个办公室供暖，建筑左右两边办公室规格及热负荷皆相同.系统的主要设备及性能参数如表1.通过四通换向阀，系统在供暖模式和制冷模式间转换.

图1 太阳能－地源热泵复合实验系统Fig.1 Schematic diagram of experimental system

表1 实验系统主要设备与性能参数Table 1 Main characteristics of system

2 运行模式

通过阀门的开启与关闭，该空调系统可进行多种运行模式.文中主要研究冬季工况下的GSHP供暖模式和SAGSHP供暖模式.

1)GSHP供暖模式

此时，地埋管换热器与热泵机组的蒸发器相接，空调末端与冷凝器相接，通过制冷剂循环，不断从地下土壤中吸收热量供暖.从图1可看出，当阀门1～2，8，10和 15开启，阀门3～7，9及 11～14关闭时，地埋侧循环水仅在蒸发器和地埋管间循环流动，热泵只能通过地埋管换热器从土壤中吸收热量，地源热泵单独供暖.若室内供暖要求不高时，负荷侧水泵2驱动地埋管系统内水直接通过风机盘管供暖.此时，阀门3～4，8，10和15开启，阀门1～2，5～7，9和12～14关闭，地埋管换热系统直接供暖.

2)SAGSHP供暖模式

在此模式下，太阳能集热器将太阳能转化为热能并将热量转移至生活热水箱的热水中.太阳能部分的换热采取温差控制，即系统的启停取决于热水温度(Thw)和地埋管回水温度(T2).当T2＜Thw时，阀门1～2，8，10和 13～14开启，阀门 3～7，9，12及15关闭，阀门11开度由 T3，T4两处的温度控制，确保 T3≤60℃，T4≤25℃.如图 1，循环水经蒸发器换热后，先进入地埋管与土壤换热，再进入生活热水箱中从热水中吸收热量，最后回到蒸发器，热泵可从土壤和热水中吸收热量，太阳能辅助地源热泵供暖.

3 实验结果及分析

在冬季工况下，对GSHP供暖以及SAGSHP供暖进行实验研究.实验期为2011年11月30日～2012年2月30日.每天早上8∶30同时启动两套系统，分别按GSHP供暖模式以及SAGSHP供暖模式连续运行8 h，16∶30同时关闭系统.计量设备的性能参数见表2，该工程配备一个数据采集装置.运行期间，采集装置每隔30s自动采集一次负荷侧供回水温度和流量、地埋管侧供回水温度和流量、热泵机组功率及太阳辐照度等模拟信号，通过组态软件中的显示模块将采集数据图形化.由于数据庞大，经过计算分析发现每天系统的参数变化曲线趋势相同，故选取系统运行期间具有代表性时间段(8∶30～12∶00)进行分析.两系统的地埋管回水温度(T)随时间变化规律如图2.图3为热泵机组的某一时段的平均功率(W).表3为实验数据，其中T1～T6为某一时段的平均温度(T1为GSHP供暖地埋管供水温度，T2为回水温度;T3为SAGSHP供暖地埋管供水温度，T4为回水温度;T5为室内供水温度，T6为回水温度)，v1～v2为某一段时间的平均流量(v1为负荷侧流量，v2为地源侧流量)，Whp1～Whp2为某一时段热泵机组的平均功率(Whp1为GSHP供暖时机组的功率，Whp2为SAGSHP供暖时机组的功率)，G为某一时段内太阳辐照度.

表2 计量设备性能参数Table 2 Characteristics of measure equipments

图2 地埋管侧回水温度Fig.2 Inlet water temperature of ground heat exchanger

图3 热泵机组的功率Fig.3 Power of heat pump units

表3 实验数据及计算结果Table 3 Experimental datum and the calculated values

从图2可看出，SAGSHP供暖时的地埋管侧回水温度明显高于GSHP单独供暖.这是由于单一热源的地源热泵系统地埋管侧循环水仅在蒸发器与地埋管间循环流动，而加入太阳能辅助热源后循环水除了与土壤换热外，还可从生活热水箱的热水中吸收热量.地源热泵单独供暖时，地埋管侧回水(进入蒸发器)的平均温度为18℃，而加入太阳能作为辅助热源后，地埋管侧回水平均温度升至20.4℃.

热泵机组的功率随时间的变化规律如图3，两种运行模式下的热泵耗功曲线变化基本相同，均是随着运行时间的增加，耗功量逐渐增大，至10∶30左右时达到最大值(SAGSHP供暖时，机组功率为4.8 kW，GSHP供暖时，机组功率为5.5 kW)，机组停止运行30 min，之后重新启动.地源热泵单独供暖时，供暖负荷主要由土壤和电能承担，而如上所述使用太阳能作为辅助热源后地埋管回水温度升高，故土壤负荷锐减，热泵耗功也随之减少，使用太阳能辅助热源供暖时的耗功量明显少于地源热泵单独供暖时热泵耗功量.地源热泵单独供暖时，热泵机组的平均功率为5.3 kW，而加入太阳能作为辅助热源后，热泵机组的平均功率降至4.5 kW.

热泵机组能效比COP计算公式:

式中，Q为运行期间供给室内的总热量，J;Whp为热泵机组的瞬时功率，W.

系统COP计算公式:

式中:WΣP为水泵等其他设备的瞬时功率，W.供给室内热量的计算公式:

式中:c为负荷侧循环水的比热容，J/(kg·℃);v为负荷侧循环水流量，m3/h;ρ为循环水的密度，kg/m3;T5为负荷侧供水温度，℃;T6为负荷侧回水温度，℃.

太阳能作为辅助热源，可利用式(4)计算集热系统总集热量［12］:

式中:Q1为太阳能集热器的集热量，J;η为太阳能集热器的效率，η =0.8005－5.56Ti，Ti为归一化温差，根据参考文献［13］，Ti=0.026 9;A为太阳能集热器采光面积，m2;G为辐照度，W/m2;t为系统运行的时间，s.

表4为实验研究中获得的太阳能辅助地源热泵的计算结果.

表4 计算结果Table 4 Calculated results

由表4可以看出，SAGSHP供暖时其机组COP以及整个系统的COP均比GSHP单独供暖高，即SAGSHP供暖运行模式的性能要优于GSHP.SAGSHP供暖时机组和系统的平均COP分别为3.8和2.8，GSHP单独供暖时机组和系统的平均COP分别为3.3和2.6.进一步分析表4可得，当土壤与太阳能所承担的负荷比例分别为58.1%(2408.69 kJ)与41.9%(1 736.07 kJ)时，使用太阳能作为辅助热源，机组和系统的平均 COP分别提高了15.1%和7.7%.比较空调系统实际供热量与理论供热量(热泵的能耗与地埋管吸热量之和)，获得热不平衡率为7.5%，实验系统设计及实验手段较为合理.总之，增加太阳能辅助加热设备后，冬季地埋管换热器回水温度和能效比均有较大提高.所以，从技术上来讲，增加辅助加热设备是完全可行的.

4 结论

文中采用宁波某公用建筑的太阳能－地源热泵复合系统作为实验系统，对GSHP单独供暖及SAGSHP供暖进行实验研究，获得以下结论:与单一的地源热泵相比，当太阳能承担41.9%负荷时，地埋管侧回水温度提高了2.4℃，热泵机组耗功量减少了0.8 kW，热泵机组的COP提高了15.1%，整个系统的COP提高了7.7%，SAGSHP运行模式具有明显的性能优势.实验结果表明SAGSHP供暖节能效果显著，增加辅助加热设备在技术上是完全可行的.

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