基于TRNSYS模拟的太阳能与地源热泵复合供暖系统的运行评价

吕 涛，鲁月红，张 样，刘雪梅，季海霞

(安徽工业大学建筑工程学院，安徽 马鞍山 243032)

随着人口的不断增长以及经济的快速发展，全球能源需求不断增加。从行业构成来看，建筑用能占一次能源消耗的20%～40%，某些发达国家甚至高达45%。建筑节能是研究未来解决全球能源困境、实现CO2减排目标的重要途径[1]。合肥地处中国华东地区，地温能等新型能源资源赋存量大。开发利用可再生能源技术如采用地源热泵技术、太阳能光伏热技术等逐渐成熟，开发前景广阔[2-3]。为更好地响应国家节能减排号召[4]，如何高效利用可再生能源成为学者们研究的热点[5-7]。太阳能供暖作为一种利用可再生能源技术，可充分利用太阳能资源，但其作为供暖唯一热源存在易受天气因素、昼夜间歇性影响的不足。将太阳能与地源热泵系统结合是一种克服太阳能作为唯一供暖热源不足的有效方法，还可改善地源热泵单独运行对浅层土壤的温度扰动[9]。

TRNSYS 作为一种瞬态仿真软件被广泛用于建筑系统模拟中，Zhou 等[10]基于TRNSYS 软件建立水冷机组+冷却塔系统及地源热泵系统，比较分析两种系统运行的能效，结果表明，地源热泵系统的能效比高于水冷机组+冷却塔系统，地源热泵机组具有较好的节能优势；Liu等[11]为缓解地源热泵系统长时间运行对土壤热平衡的扰动，采用TRNSYS 软件建立过渡季节太阳能与地源热泵储热模型，并将模拟结果与实测数据进行对比，结果表明，模拟结果与实验数据吻合较好，说明基于TRNSYS 软件对太阳能与地源热泵复合系统的进行仿真模拟是可行的。在太阳能与地源热泵复合式供暖系统方面，耿磊[12]对不同占地面积比(如0.11，0.20，0.33)的建筑设计对应的复合供暖系统，并从节能性与经济性两方面与常规能源系统进行对比，结果表明，太阳能与地源热泵复合供暖系统最具节能性与经济性的占地面积比；郭春梅等[13]针对广东地区某建筑构建复合供暖和单独热泵供暖系统，并在不同天气条件下进行供暖实验，结果表明，复合供暖系统在全阴天工况相较于单独热泵供暖优势显著；刘杰等[14]针对严寒地区某住宅构建太阳能与地源热泵复合供暖系统，并对其进行运行分析，结果表明，与太阳能系统联合有利于提升供暖系统的制热性能系数(coefficient of performance，COP)及热泵机组进水温度。

综上可看出，已有较多学者对地源热泵与太阳能耦合系统进行分析，但对太阳能集热器与地源热泵机组连接方式对其运行效果的研究较少。鉴于此，以合肥地区某综合建筑为研究对象，基于TRNSYS软件设计单地源热泵供暖系统、太阳能与地源热泵并串联供暖系统，分析连接方式对供暖效果的影响，以期为工程实际应用提供参考。

1 热负荷计算模型

1.1 研究对象

选取位于安徽省合肥地区一栋朝南的综合建筑为供暖对象，供暖面积为22 500 m2，人员密度为1人/m2，围护结构构造及热工参数如表1。

表1 建筑围护结构构造及热工参数Tab.1 Building envelope structure and thermal parameters

1.2 建筑热负荷

1.2.1 模型构造

结合GB 50189—2005[15]以及建筑内人员的实际使用需求，确定冬季室内供暖温度为18 ℃、供回水温度分别为45，35 ℃。供暖时间为当年11 月15 日至次年3 月15 日。使用TRNSYS 软件内的TRNBUILD 模块构造建筑热负荷模型，如图1。

图1 TRNSYS热负荷模拟模型Fig.1 TRNSYS heat load simulation model

1.2.2 模拟结果

运行热负荷模型得到合肥地区该建筑的逐时热负荷及室外温度，如图2。由图2 可知，该建筑逐时热负荷随室外逐时温度升高而降低，最大热负荷为1 328 kW。

图2 供暖季节逐时热负荷与室外温度Fig.2 Hourly heat load and outdoor temperature in heating season

2 太阳能与地源热泵复合供暖系统模型

2.1 复合供暖原理

太阳能与地源热泵复合供暖系统原理如图3。由图3 可见，太阳能与地源热泵复合供暖系统主要由太阳能集热器、地源热泵机组组成。太阳能集热器主要包括循环水泵、蓄热水箱和平板集热器；地源热泵机组主要由负荷侧、热泵机组、地埋管和水泵等组成。在太阳能集热器侧循环中，蓄热水箱侧出口的循环介质流经太阳能集热器，将吸收得到的太阳能热量传递至蓄热水箱内并加热地源热泵侧循环介质；在地源热泵侧循环内，热泵出口侧循环介质经由地脉管与蓄热水箱共同加热后，使流至地源热泵负荷侧的循环介质温度升高，再由用户侧放热后回到热泵侧。

图3 太阳能与地源热泵复合系统供暖原理Fig.3 Heating principle of composite system of solar energy and ground source heat pump

2.2 主要部件

2.2.1 太阳能集热器

太阳能系统的得热量Q指一天中由太阳能集热器提供的有用热量，可由式(1)计算。

式中：n为总计算时间间隔数；mi为第i个时间间隔的集热系统的平均流量；ρw为集热工质的密度；cpw为集热工质的比热容；θdi，θbi分别为第i个计算的时间间隔集热系统进出口温度；Δti为第i个计算的时间间隔。

2.2.2 地埋管换热器

设计地埋管换热器的主要任务是为建筑物确定合理的地埋管长度及辅助加热装置的规模。地表浅层热能的换热过程是三维非稳态导热的传热，影响因素复杂，很难用简单的公式计算，实际设计过程中主要利用经验公式设计并校核，即利用建筑的最大冷热负荷估算地埋管参数。对于地埋管换热器的钻孔总长度一般用以下公式计算。

式中：LH为制热工况下的钻孔长度；LC为制冷工况下的钻孔长度；QH为热泵在设计进水温度下的额定制热量；PC为热泵在设计进水温度下的额定制冷量；PH为热泵在制热工况下的性能系数；PC为热泵在制冷工况下的性能系数；RH，RC分别为制热与制冷工况的总热阻；θ∞为地下未受干扰时的平均温度；θmax，θmin分别为地埋管换热器的最高和最低进水温度。

文中考虑的运行工况为冬季，按照式(2)计算地埋管设计长度，结合建筑实际设计参数及经济因素，确定地埋管的埋管方式为水平串联单U型埋管。

2.3 评价指标

系统运行期间主要的测量参数为水泵、机组等设备的实际功率，热泵机组在不同模式下运行的部分负荷率(partial load rate，PLR)、制热性能系数(COP)，热泵机组供水管道的温度与流量，太阳能集热系统的热水温度与流量。故选取供回水温度、COP、PLR、总能耗作为评价系统的运行指标，通过比较输出系统的供回水温度与前文所述的初始设置温度要求，评价供暖系统是否符合实际供暖要求。

2.4 模型建立

采用TRNSYS 软件构建单地源热泵供暖系统、太阳能与地源热泵复合供暖系统，根据太阳能与热泵机组连接方式不同，设计3 种供暖系统模型，即太阳能与地源热泵串联供暖模型(模型1)、太阳能与地源热泵并联供暖模型(模型2)、单地源热泵供暖模型(模型3)。模型系统设计参数如表2，系统原理如图4。

图4 供暖系统模型Fig.4 Model of heating system

表2 供暖系统的设计参数Tab.2 Design parameters of heating system

3 供暖系统运行结果评价

3.1 供回水温度

为简化计算，文中只选取全年室外最低气温所在日进行分析，图5 为3 种供暖系统模型的供回水温度。由图5 可看出，在全年气温最低日，3 种供暖系统的供水温度均达到设计温度(45 ℃)，回水温度在40 ℃左右。表明3种系统的设计温度均满足实际使用需求，可正常运行。

图5 各供暖系统供回水温度Fig.5 Temperature of the supply and return water of each heating system

3.2 制热性能系数

图6 为3 种供暖系统的月平均COP。由图6 可知：3 种系统的最高COP 均出现于1 月，模型1～3 分别为2.58，1.74，1.44；模型1～3 的年均COP 分别为1.07，0.78，0.72，与地源热泵供暖系统相比，增加太阳能的串联和并联系统年均COP 分别提升了48.61%，8.33%；全年运行过程中，模型1 即太阳能与地源热泵串联供暖模型的COP始终高于其他两种模型。

图6 各供暖系统月平均COPFig.6 Average monthly COP of each heating system

3.3 部分负荷率

图7 为3 种供暖系统的部分负荷率。由图7 可见，模型1的PLR 在0.45左右波动，全年运行均保持45%设计工况运行；模型2的PLR 在0.70左右波动，全年运行均保持70%的设计工况运行；模型3 的PLR波动较大且多次出现满负荷运行工况。由此表明：与传统地源热泵供暖系统相比，增加太阳能的串联复合供暖系统运行期间的PLR均值明显降低。

图7 各供暖系统运行的PLRFig.7 PLR operation of each heating system

3.4 运行能耗

3 种供暖系统运行的全年能耗如图8。由图8可看出：3 种供暖系统全年能耗由高到低为模型3(315 366.79 kWh)、模型2(78 025.77 kWh)、模型1(50 398.46 kWh)；模型1，2 相较于模型3(单独采用地源热泵系统)能耗分别降低了84.02%，75.26%。

图8 各供暖系统全年运行能耗Fig.8 Annual energy consumption of each heating system

综上分析表明：在地源热泵供暖系统中引入太阳能光热联合运行，可使流入热泵源侧的循环介质拥有更高的温度，大幅减少热泵运行所需消耗的电能，致使太阳能集热器的复合地源热泵供暖系统在满足供暖需求的同时具有更优的节能效益。

4 结 论

针对合肥地区某建筑，利用TRNSYS 软件设计3 种供暖系统模型(地源热泵系统、太阳能集热器与地源热泵机组串联与并联)，并以供暖温度、COP、PLR和运行能耗为评价指标分析3种系统的运行效果，得到以下主要结论：

1)在整个供暖时期内，3 种系统供暖温度均满足需求，与单地源热泵供暖系统相比，增加太阳能的串并联复合供暖系统的COP分别提升了48.61%，8.33%；

2)在整个供暖时期内，与单地源热泵供暖系统相比，增加太阳能的串并联复合供暖系统运行期间PLR明显降低；

3)在整个供暖时期内，与单地源热泵供暖系统相比，增加太阳能的串并联复合供暖系统能耗分别降低了84.02%，75.26%；

以上结果表明，相比于单地源热泵供暖系统，太阳能与地源热泵复合供暖系统在夏热冬冷地区的建筑中具有良好的节能优势，串联联接方式的复合供暖系统节能优势更显著。