严寒地区太阳能土壤源热泵供暖运行模拟研究

刘　逸，殷　刚，于春光，庞云凤，徐　莹，陈　鑫 (哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨 150001)



严寒地区太阳能土壤源热泵供暖运行模拟研究

刘逸，殷刚，于春光，庞云凤，徐莹，陈鑫 (哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨 150001)

摘要：为研究严寒地区应用太阳能土壤源热泵供暖的效果，根据严寒地区的气候特点和供暖要求，对系统的供暖运行特性进行模拟研究.采用变热流线源理论和圆柱源理论模型进行地埋管换热器的性能模拟，流体和孔壁之间的热阻通过边界元法求解.模拟结果表明，在给定的条件下，太阳能土壤源热泵机组的平均COP为4.4，同单独采用土壤源热泵相比机组COP值提高了7.3%.

关键词：严寒地区；太阳能；土壤源热泵；热阻

太阳能土壤源热泵是综合利用可再生能源的一种有效形式，我国东北地区太阳能资源较为丰富，土壤5 m以下的温度相对比较稳定[1]，因此在寒冷地区应用太阳能土壤源热泵供暖能够取得很好的的节能效果[2].一些发达国家应用地源热泵系统比较广泛[3-4]，但因为初投资较高[5-6]，所以地源热泵在国内的应用还不是很普遍.

我国北方地区冬季供暖能耗较大，供暖方式以燃煤锅炉供暖为主，能源利用率低，环境污染严重.如果太阳能土壤源热泵能够在该地区进行推广应用，一定能够取得很好的经济和环境效益.日本北海道地区冬季气候和哈尔滨相似，北海道大学已成功将太阳能土壤源热泵应用于该地区的建筑供暖[7].太阳能土壤源热泵在国内的研究开展得也很广泛[8-9]，但应用在严寒地区的还很少.

本文在充分考虑严寒地区的气候和地质特点基础上，对太阳能土壤源热泵系统供热特性进行模拟研究，模拟得到的结果与实际工况更加吻合.

1太阳能土壤源热泵系统

系统结构如图1所示，主要由地源热泵机组、垂直单U型地埋管换热器、冷、热水循环泵和室内散热装置组成.太阳能集热器采集太阳能，冬季与土壤源热泵联合运行，夏季可以向地下蓄存能量.

图1　系统结构图

2数学模型

2.1集热器数学模型

太阳能集热器的瞬时效率定义为：

(1)

令θ=(Tfi-Ta)/Ic

(2)

可以得到热管真空管式集热器的瞬时集热效率函数为：

η=C-Dθ

(3)

Qu可由式(1)和式(3)求得.

出口流体温度为：

Tfo=Tfi-Qu/(ml·cl)

(4)

其中：Qu为集热器的有用收益，W；Ac为集热器的采光面积，m2；Ic为投射到集热器采光面上的太阳总辐射率，W/m2；Tf,i为流体的进口温度，℃；C，D为瞬时效率曲线系数，为常数；Ta为环境温度，℃；Tfo为集热器出口流体温度，℃；ml为集热流体的质量流量，kg/s；cl为集热流体的比热，J/(kg·K).

2.2地埋管换热器数学模型[10]

在变热流情况下，根据圆柱源理论模型，由叠加原理可以得到在第n时刻钻孔壁面温度Ts(rb,τn)与土壤初始温度Tg的差值公式为：

(5)

其中：q为传热量，W；L为孔深，m；λs为孔外土壤导热系数，W/(m·k)；Fo为Fourier数.

孔壁的温度计算应用两种传热模型，埋管对孔壁的温度影响使用圆柱源理论；各地埋管的间距较大，因此其它地埋管对孔壁的温度计算应用变热流线热源理论.假设有n个地埋管，第i个地埋管对孔壁温度的响应表达式为：

(6)

其中：Ti(rb,τ)为第i个地埋管孔壁处在τ时刻的温度，℃；Tg为土壤的初始温度，℃；ΔTs-L(rdij,τ)为其他地埋管对孔壁的温度响应，℃；ΔTs-L(rb,τ)为第i根地埋管本身对孔壁的温度响应，℃

在Δt时间内，根据能量守恒得：

ΔQf=-ΔQ1+ΔQb

(7)

ΔQ1=Q1×Δτ

(8)

Δf=c1fρ1fVfΔTf

(9)

(10)

将式(8)～(10)代入式(7)得到

(11)

其中：ΔQf为流体的热能变化量，J；ΔQb为孔壁与流体的换热量，J；ΔQ1为机组的吸热量，J；c1f为流体的比热容，J/(kg·K)；ρ1f为流体的密度，kg/m3；T1ci，T1co为蒸发器进、出口流体温度，℃；V1f为流体的体积流量，m3；Ts|r=rb为孔壁温度，℃；Tf为流体平均温度，℃.

流体与孔壁之间的换热系数Kbf计算式为：

Kbf=

(12)

其中：Rb为地埋管外壁与孔壁之间的热阻；AU-out为地埋管外表面面积；Ab为孔表面面积；RU-in，RU-out为地埋管内，外半径；λU为管的导热系数，W/(m℃)；hf为流体的对流换热系数，W/(m2·K).

2.3室内散热装置模型

假设散热装置的散热量等于建筑物的负荷，可以得到流体与室内温度的温差ΔT为：

(13)

其中：Q2为建筑物的热负荷，W；hi为散热装置的表面传热系数，W/K；T2co为冷凝器流体出口温度，℃；T2ci为冷凝器流体进口温度，℃；Tn为设计温度，℃.

Q2也可表示为：

白石一文：这世界上所有的人一开始都只是陌生人，但就在发生一些事情或是累积一些莫名的感情之后，你也就无法忽视对方的存在。好比一只气球因为空气而膨胀，好比船帆顺风推动一艘船，人类必须仰赖不具实体的偶然与心情上的变化，才能丰富自己的人生。

Q2=c2fρ2fV2f(T2co-T2ci)

(14)

其中：c2f为冷凝器流体比热容，J/(kg·K)；ρ2f为冷凝器流体密度，kg/m3；V2f为流体的体积流量，m3.

由式(13)、(14)可以得到冷凝器流体出口温度T2co，为了满足最大负荷需求，T2co应低于冷凝器流体的最高出口温度.

2.4机组数学模型

机组的COP可由蒸发器流体进口温度和冷凝器流体出口温度的函数近似得到，即

COP=f(T1ci,T2co)

(15)

机组的耗电量：

(16)

Q1=Q2-E

(17)

Q1可用式(18)来表示：

Q1=c1fρ1fV1f(T1ci-T1co)

(18)

由式(17)、(18)得：

(19)

其中：COP为机组制热效率.

系统的模拟程序采用MicrosoftVisualBasic6.0编制，初始数据主要以文本形式输入，热阻Rb和换热器的模拟程序设为子程序供主程序调用.模拟过程考虑气候和地质因素的影响，热负荷采用逐时输入.

3模拟结果及分析

模拟系统的供暖面积为500m2，选择1月份具有典型工况的连续5d进行模拟研究，热负荷和太阳辐射强度以逐时量输入，室外环境温度以逐时温度作为输入量，室内温度20 ℃.设定钻孔数8个，孔间距为6m，钻孔直径400mm.蒸发器循环介质的进、出口温差4 ℃，冷凝器热水进、出口温差5℃.其他模拟计算条件见表1、2.

表1集热器参数

CD面积/m20.6822.3240

表2模拟计算条件

土壤回填材料PE管蒸发器流体初始温度/℃12123密度/(kg·m-3)2200260010001034.4导热系数/(W·m-1·K-1)1.92.10.450.49比热容/(kJ·m-3·K-1)2.12.23.85动力黏度/(kg·m-1·s-1)0.0017热扩散率/(m2·h-1)5.7×10-34.4×10-3

为了研究太阳能对系统性能的影响，将模拟结果与不利用太阳能的系统进行比较，结果如图2～5所示.

图2　地埋管换热器出口温度对比

由图2、3可以看出，在其他条件完全相同的情况下，有太阳能集热器时换热器进、出口的温度较高，尤其是在有太阳能可采集的时段，地埋管换热器的进、出口温度明显高于没有太阳能集热器时的系统.其原因主要在于有太阳能可采集的时段，地埋管换热器内的流体被太阳能加热，从而导致换热器的进、出口温度明升高.

由图4可以看出，太阳能集热器参与运行时，单位孔深换热量同没有太阳能集热器相比最大可减少51%.其原因主要在于有太阳能可采集的时段，地埋管换热器内的流体被太阳能加热，流体温度和埋管周围土壤的温度升高，但土壤升温幅度比管内流体大，从而导致与土壤之间的换热量减少.

由图5可以看出，有太阳能可采集时机组COP值较高，机组平均COP为4.4，没有太阳能的系统机组平均COP为4.1，机组COP提高7.3%.分析原因，主要在于有太阳能集热器参与运行的系统，提高了热泵机组蒸发器侧流体的进口温度，从而导致机组COP值升高.

图3　地埋管换热器进口温度对比

图4单位孔深取热量对比

图5　热泵机组COP值对比

4结 论

1)在太阳能集热器工作期间，地埋管换热器的进、出口温度明显提高.

2)在太阳能集热器集热期间，单位孔深换热量比没有太阳能集热器的系统最大可减少51%.

3)加入太阳能集热器后机组平均COP值可达4.4，性能明显优于单一采用土壤源热泵的系统，所以适合于在严寒地区应用和推广.

参考文献：

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[4]BADESCU V. Economic aspects of using ground thermal energy for passive house heating [J]. Renewable Energy, 2007, 32: 895-903.

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[6]李新国, 赵军, 朱强. 地源热泵供暖空调的经济性[J].太阳能学报, 2001, 22(4): 418-421.

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[8]杨卫波, 董华, 周恩泽, 等. 太阳能—土壤源热泵系统联合运行模式的研究 [J]. 流体机械, 2004, 32(2): 41-49.

[9]张伟, 朱家玲, 胡涛. 太阳能土壤源耦合供暖系统的实验研究[J]. 太阳能学报, 2011, 32(4): 496-500.

[10]刘逸, 李炳熙, 付忠斌, 等. 寒冷地区土壤源热泵系统供暖运行特性研究[J]. 太阳能学报, 2012, 33(10): 1789-1796.

Simulation study on heating operation of solar-ground source heat pump system in severe cold area

LIU Yi, YIN Gang, YU Chun-guang, PANG Yun-feng, XU Ying, CHEN Xin

(School of Energy and Civil Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150001, China)

Abstract：In order to discuss the effect of solar-ground source heat pump system heating in severe cold region, the heating operation characteristics of the system were studied according to the climate characteristics and heating requirements of severe cold area. Performance simulation of ground heat exchanger was performed adopting variable heat flux line source theory and cylindrical source theory model, and thermal resistance between the fluid and the wall was solved by the boundary element method. Simulation results showed that the average COP of solar-ground source heat pump units was 4.4 under the given conditions, and the COP of heat pump units was increased by 7.3% compared with the single ground-source heat pump.

Key words：severe cold area; solar energy; ground-source heat pump; thermal resistance

中图分类号：TK529

文献标识码：A

文章编号：1672-0946(2016)01-0056-04

作者简介：刘逸(1975-)男，博士，讲师，研究方向：土壤源热泵.

基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12531172)

收稿日期：2015-11-15.