被动房中太阳能辅助地源热泵系统的应用研究

唐汝宁 张慧敏

内蒙古工业大学土木工程学院

严寒地区建筑能耗主要为冬季采暖能耗，冷热负荷极不平衡。单独使用地源热泵，长期运行会产生地下土壤热失衡问题，而太阳能又有间歇性和不稳定性的缺点，为缓解这一问题利用了太阳能—地源热泵耦合系统[1-2]。该系统既能利用土壤源克服太阳能的间歇性，又可利用太阳能起到缓解土壤温度的恢复压力，提高系统的能效，具有广阔的发展前景。

1 耦合系统工作原理

图1为太阳能—地源热泵耦合系统图，此系统可实现夏季供冷、冬季供热、过渡季土壤蓄热三种运行模式。每种模式包含若干工况，可以通过阀门的切换实现系统的运行模式和工况的转变。太阳能地源热泵耦合系统的运行模式见表1。

图1 太阳能—地源热泵耦合系统原理图

该系统可通过阀门的切换实现夏季供冷、冬季供热、过渡季土壤蓄热三种运行模式，其中在供热期可分为两种运行模式，见表1。在供热期，如太阳能所蓄热量不足以提供建筑热负荷，则采用模式1运行模式，该模式具体过程为：载热流体经过太阳能集热器得到热量，进入蓄热水箱使水箱中水温升高，同时地埋管侧载热流体从水箱中流出进入热泵机组，完成一个环路。如太阳能所蓄热量足够提供建筑热负荷，则采用模式2运行模式，在该模式中，太阳能集热器收集的热量使水箱温度升高，加热的载热流体从水箱流出直接流入热泵机组，再回到水箱，完成一个循环。在供冷期，太阳能集热器及水箱这一环路不运行，从地埋管流出的载热流体直接流入热泵机组，再回到地埋管，完成一个循环。在过渡期，太阳能集热器收集的热量使水箱温度升高，加热的载热流体进入地埋管，使地埋管周围土壤温度回升，降温后的载热流体再回到蓄热水箱，完成一个循环。

表1 太阳能地源热泵耦合系统的运行模式

为保证室内温度达到设计规范，又避免温度在小幅度变化时，频繁切换阀门会导致运行模式改变，引起系统不稳定。因此本系统将室内温度控制在一定范围内，而不是一个固定的温度点，冬季设为18℃～20℃，夏季设为24℃～26℃，各模式切换由温度与时间共同控制，具体控制方法见表2。

表2 太阳能地源热泵耦合系统各运行模式的控制方法

2 负荷模拟

以内蒙古阿尔山地区的一座展览馆为例，该建筑为被动房建筑，面积为3800 m2，高度为7.5 m，共一层。该地区太阳能资源十分丰富，太阳能年平均辐射强度可达5275 MJ/m2，年日照数可达2468 h，供暖期为10月1日至次年5月1日，共212天。利用DeST-c能耗软件对建筑进行全年逐时冷、热负荷的计算，见图2。

图2 建筑全年逐时总热负荷与冷负荷

由模拟结果可知，该展览馆的全年最大热负荷为175.56 kW，全年最大冷负荷为163.41 kW，全年累积热负荷为 324995.33 kW·h，全年累积冷负荷为76635.18 kW·h，采暖季热负荷指标为4.89 W/m2，空调季冷负荷指标为3.63 W/m2。说明了该建筑全年累计热负荷远大于全年累计冷负荷，冷、热负荷不平衡率可达76.42%。

3 耦合系统模块设计

基于太阳能-地源热泵耦合系统，对该系统三大主要模块进行设计，包括：地源热泵系统设计、太阳能集热系统设计、蓄热水箱设计。

3.1 地源热泵系统设计

地埋管换热器可以实现地源热泵系统与深层土壤之间的热交换，其埋管间距的选择，管径的确定，管材的选择以及循环介质的选择是否合理，设计的是否正确，都决定着系统是否可以正常使用，是否有较高换热效率。

表3 地埋管参数设定

地埋管选取垂直埋管形式，单U管，管间距取5.5 m，埋深为100 m，管材选用韧性好、强度高的PE管。因本研究对象所在地区常年下雪室外环境温度较低，为防止结冻本工程选用浓度为25%的乙二醇溶液作为地埋管换热器的循环介质，具体设置见表3。

3.2 太阳能集热系统设计

太阳能——地源热泵系统吸热量等于地埋管冬季向土壤吸取的热量，放热量为系统夏季制冷时向土壤放的热量与过渡季太阳能集热器向土壤蓄的热量，根据以上分析，得出太阳能集热器面积为：

由此可以推断出太阳能集热器面积为：

式中：Qh为建筑采暖总热负荷，kWh；qs,c为采暖季单位面积集热板表面的集热量，kWh/m2；COP为热泵的供暖系数；EER为热泵的制冷系数；Qc为建筑采暖总冷负荷，kWh；qs,f为过渡季单位面积集热板表面的集热量，kWh/m2。

表4为阿尔山地区太阳能月总辐射强度值，以及用DeST模拟得出的建筑全年逐时冷热负荷数据，求得采暖季单位面积集热板表面的集热量qs,c和过渡季单位面积集热板表面的集热量qs,f，最终得出应用于本展览馆的太阳能——地源热泵系统中的太阳能集热器面积为289.72 m2，因此最终确定太阳能集热器面积为300 m2。

表4 阿尔山地区太阳能月总辐射强度

3.3 蓄热水箱设计

根据《太阳能集中热水系统选用与安装》中的规定，集热系统的贮热水箱的有效容积用下式计算：

式中：A为太阳能集热器面积，m2；B1为单位采光面积平均日产热水量，对于直接加热系统B1=40～100 L/(m2·d)，对于间接加热系统 B1=30～70 L/(m2·d)。

因该系统为间接加热，B1=30～70 L/(m2·d)，经计算得出水箱容积为13.5～31.5 m3。根据上述计算及现场情况和设计条件确定，本系统选择20 m3的蓄热水箱。

4 耦合系统仿真模拟分析

以TRNSYS软件为平台，选取适合系统的模块，分别搭建传统地源热泵供暖系统仿真模型和太阳能—地源热泵耦合供暖系统仿真模型，见图3与图4。

图3 传统地源热泵供暖系统仿真模型

图4 太阳能—地源热泵耦合供暖系统仿真模型

4.1 传统地源热泵系统模拟结果分析

图5～7给出了传统地源热泵运行10年时地埋管周围土壤温度变化趋势、地埋管吸热量、热泵COP的变化趋势。

由图5可知，土壤初始温度为9.8℃，系统连续运行10年，最低温度降低至-8.33℃，降低了18.13℃。由此可知，在地源热泵单独供热这种情况下，土壤恶化极度严重且速度极快，会导致系统不能正常运行。由图6可知，地埋管最大吸热量为2500 kW，最大释热量为2000 kW，但大部分时间地埋管吸热量小于0，属于吸热状态。由此可见在传统地源热泵系统中地埋管吸热量远大于释热量。由图7可知，在系统运行期间热泵制冷效率有小幅度上升，从5.5上升到6.8，热泵制热效率有小幅度下降，运行10年下降0.08，平均COP为4.12。产生这种情况的原因是传统地源热泵系统供热系统长期运行使得地埋管周围土壤温度降低，从而使得制冷效率升高，制热效率降低。

图5 土壤蓄热体周围温度

图6 地埋管吸热量

图7 热泵机组COP

4.2 太阳能—地源热泵耦合系统模拟结果分析

图8～11给出了太阳能—地源热泵耦合系统运行10年时地埋管周围土壤温度变化趋势、地埋管吸热量、太阳能集热器有效集热量、热泵COP的变化趋势。

由图8可知，土壤初始温度为9.8℃，系统连续运行10年，最低温度升高至10.98℃，升高了1.18℃。由此可知，在太阳能—地源热泵系统中，太阳能可以很好的解决土壤取热与放热不平衡的问题。由图9可知，地埋管吸热量最大为1800 kW，且大部分时间地埋管吸热量大于0，属于释热状态。说明了加入太阳能集热器可明显减少地埋管从地下土壤中吸取的热量。由图10可知，太阳能有效得热量在一年中最高可达1800 kW，集热量每年变化规律相近，没有太大变化。由图11可知，热泵制热效率有小幅度上升，运行10年上升0.05，平均COP为4.34，制冷效率有小幅度降低，但幅度很小，说明太阳能—地源热泵耦合系统可高效稳定的运行。

图8 土壤蓄热体周围温度

图9 地埋管吸热量

图10 太阳能集热器有效集热量

图11 热泵机组COP

4 结论

1）传统地源热泵系统连续运行10年，地埋管周围土壤温度降低了18.13℃，热泵机组平均COP为4.12。说明传统地源热泵系统中单靠土壤自身恢复温度程度有限，常年运行下去会使地埋管周围土壤恶化，降低系统效率。

2）太阳能—地源热泵耦合系统连续运行10年，地埋管周围土壤温度升高了1.18℃，比传统地源热泵系统地埋管周围土壤温度高19.31℃。热泵机组平均COP为4.34，比传统地源热泵系统机组COP提高了0.22。说明加入太阳能作为辅助热源可以很大程度提高地埋管周围土壤温度，提高系统效率。