基于TRNSYS的太阳能-土壤源热泵联合供暖系统特性分析

张 俊，刘 杰，陈安娟，陈晶晶

(青岛理工大学 工业流体节能与污染控制教育部重点实验室，青岛 266525)

随着国家在雾霾治理、冬季供暖方面煤改电项目的推进[1-2]，以太阳能、空气源和土壤源热泵为代表的清洁能源供暖成为未来区域性分布式供暖的主要发展方向。其中太阳能-土壤源热泵耦合供暖系统发挥了两种技术的优势，缩减了系统的运行成本和投资回收周期，实现了能源品位匹配互补，高效节能[3]。国内外学者对太阳能-土壤源热泵系统的优化设计、控制策略、运行模式和性能等做了多方面的研究。其中，CHEN Xi等[4-5]学者利用数值模拟方法获得了地埋管长度或蓄热水箱体积与集热器面积的最优比率；杨卫波等[6-10]学者对系统的不同运行模式进行了研究，认为地埋管和太阳能集热器串联模式下运行的性能较佳；WANG Enyu等[11-14]学者对系统的不同控制策略进行了研究，表明太阳能向地下蓄热有利于提高系统性能等；BAKIRCI Kadir等[15-16]学者通过实验方法研究系统在住宅中的运行性能，获得的热泵平均供暖性能系数在3.0以上。近年来对于太阳能-土壤源热泵联合供暖系统的研究，能够兼顾最大化利用太阳能、缓解土壤热平衡问题、提高热泵供暖性能系数三方面的研究较少。因此，本文以兰州地区供暖为例，采用TRNSYS软件构建了太阳能-土壤源热泵联合供暖系统模型，以集热水箱水温为研究变量，对系统的特性进行探讨分析。

1 系统设计

太阳能-土壤源热泵联合供暖系统如图1所示。该系统由太阳能集热器、集热水箱、热泵机组、地埋管换热器以及建筑末端5部分构成，其中太阳能集热器通过水箱盘管换热器把集热量传递到集热水箱，热泵机组通过源测循环水吸收土壤和集热水箱中的热量，经过逆卡诺循环产生的高品位热能再传递给负荷侧循环水，为建筑末端供暖。

该系统共有4种运行模式：

1) 太阳能-土壤源热泵联合供暖模式，当集热水箱平均水温和地埋管来流水温之差大于10 ℃，且建筑室内平均温度低于18 ℃，该模式运行；当集热水箱平均水温和地埋管来流水温之差小于10 ℃，或建筑室内平均温度高于18 ℃，该模式停止。此时环路控制方式为开启阀门a，b，c，f，h，关闭阀门d，e，g。

2) 集热水箱单独供暖模式，当集热水箱平均水温和地埋管来流水温之差小于10 ℃，同时集热水箱平均水温高于T℃，且建筑室内平均温度低于18 ℃，该模式运行；当集热水箱平均水温低于T℃，或运行模式1的运行条件满足，或建筑室内平均温度高于18 ℃，该模式停止。此时环路控制方式为开启阀门a，b，d，f，h，关闭阀门c，e，g。

3) 土壤源热泵单独供暖模式，当集热水箱平均水温和地埋管来流水温之差小于10 ℃，同时集热水箱平均水温低于T℃，且建筑室内平均温度低于18 ℃，系统运行；当运行模式1或运行模式2的运行条件满足，或建筑室内平均温度高于18 ℃，系统停止。此时环路控制方式为开启阀门b，c，e，h，关闭阀门d，f，g。

4)为了避免全年土壤热不平衡，系统性能衰减，系统设计在太阳能非采暖期具有补热模式，即当集热器出口水温和集热器进口水温之差大于10 ℃，系统运行；当集热器出口水温和集热器进口水温之差小于10 ℃，系统暂停。针对不同地区，补热系统运行的起止时间略有不同，一般以供冷季为主，部分严寒地区，冬季取热量较多，补热季将包含制冷季和过渡季，终止时间主要取决于土壤温度场的各项指标：土壤温度应不小于上个供暖期开始前的土壤初始温度，总的补热量应不小于取热量和补热过程中的热损失。此时环路控制方式为开启阀门a，c，f，g，关闭阀门b，d，e，h。

2 系统模型构建

利用TRNSYS软件构建太阳能-土壤源热泵联合供暖系统动态仿真模型，如图2所示。该模型主要包括太阳能集热器、地埋管、热泵机组、集热水箱、建筑、水泵、控制器、分水器和集水器等，它们在TRNSYS中对应的模块如表1所示。由该仿真模型模拟得到的不同温度T下的供暖期集热量及太阳能保证率如图3所示。

表1 太阳能-土壤源热泵联合供暖系统TRNSYS仿真模型模块

3 系统模拟分析

3.1 基准建筑与负荷计算

本文选取位于兰州市的一栋住宅楼作为基准建筑，该住宅楼建筑面积8000 m2，层高2.8 m，一梯两户，每户两室一厅一厨一卫。根据《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2015)选定建筑外墙热导率为0.492 W/(m2·K)，外窗热导率为4.7 W/(m2·K)，窗墙比为0.2，设定采暖期为11月1日—次年3月31日，共151 d，3624 h，供暖温度为18 ℃。采用DeST-h建筑环境模拟软件得到房间对各热扰的响应系数，进而可得全年采暖期的动态负荷(图4)，采暖期累计热负荷为584 167 kW·h。

3.2 系统的参数设置

太阳能集热器系统采用温差控制，实时监测集热器出口和集热器进口的水温差，当温差大于10 ℃时，开启水泵使集热量存储到水箱；当温差小于10 ℃时，则关闭水泵。本文选用真空管集热器，且偏重于冬季利用，集热器倾角取50°，集热水箱容积取0.05 m3/m2，水泵流量取0.05 m3/(h·m2)[17]，循环介质为25%的乙二醇溶液。本文设定太阳能保证率为32%[10]，利用TRNSYS进行模拟，取集热器面积为870 m2，介质流量为47 583 kg/h，集热水箱容积为95 m3。

土壤源热泵系统地埋管的参数设置见表2。热泵额定COP取4.5，热泵源测流量按5 ℃温差确定，流量为30 784 kg/h，建筑末端采用低温地板辐射供暖，热泵负荷侧流量按6 ℃温差确定，流量为31 530 kg/h。

表2 地埋管的设定参数

3.3 供暖期太阳能集热量与保证率

太阳能集热器集热量除了受光照条件、集热水箱容积和控制方式等因素影响外，集热水箱温度也是不容忽视的影响因素之一。本文通过设定不同的温度T，对系统采暖期太阳能集热量与保证率进行了模拟计算，结果如图3所示：随着温度T的增加，太阳能集热量趋势先迅速下降随后逐渐变缓，分析认为这是由于当温度T小于9 ℃时，系统多处于运行模式1运行状态，随着温度T增加，系统更多地处于运行模式2运行状态；本文算得太阳能集热量为543.17 GJ，与温度T=13 ℃时集热量相近，均说明了减小温度T对集热量有明显的提升作用。太阳能作为供暖热源，太阳能集热量决定了太阳能保证率。由图3可知，太阳能保证率的变化趋势与集热量变化趋势一致，当温度T=5 ℃时大约是温度T=13 ℃时的1.6倍，表明了减小温度T可显著提高系统太阳能保证率。同时发现，当温度T=5 ℃时，集热水箱损失热量很小，几乎可以实现对集热器集热量的完全利用，且满足《地源热泵系统工程技术规范》(GB 50366—2009)对热泵机组源测的最低进水温度4 ℃的要求。综合来看，温度T的减小可实现对太阳能的充分利用，且温度T越小，作用越明显。

3.4 土壤供热量与温度

采暖期土壤供热量过多会导致土壤温度下降迅速，甚至会使土壤冻结导致系统无法运行。太阳能-土壤源热泵联合供暖系统中可以利用太阳能对土壤进行跨季节补热，用来保证土壤的热平衡率在80%～120%范围内[18]。当太阳能集热器的供热量逐渐消耗时，土壤供热量将逐渐增多，土壤的温度取决于土壤供热量；由图5可知，采暖期土壤供热量越大，最终土壤平均温度越低，并且其变化趋势与土壤供热量变化趋势刚好相反。本文设定6月25日—8月31日期间，系统启动运行模式4为土壤补热，通过设定不同的温度T，对系统3年后最终土壤平均温度进行了模拟，结果如图6所示。由图6可知，在温度T约为5.5 ℃时土壤平均温度可恢复到其初始温度，且随着温度T的增加，热平衡率呈下降趋势，表明为实现最佳的土壤取热平衡需要增加更多非采暖期补热量，将增加模式4的运行时长和能耗。综合来看，温度T的减小能更大程度地对土壤热量进行保护，不仅减少了采暖期土壤取热量，而且减少了非采暖期用于土壤补热的运行能耗，且温度T越小作用越明显。

3.5 热泵机组COP与耗电量

热泵机组的COP反映了热泵的运行性能，其主要受蒸发器进水温度、冷凝器进水温度和机组耗功等因素的影响。本文通过设定不同的温度T，对热泵机组的COP进行了模拟计算，结果如图7所示。由图7可知，热泵机组的COP呈现中间低两端高的趋势，为了分析其原因，将3种运行模式下的COP也进行了模拟计算，对应图中右坐标。运行模式2下的COP随着温度T的降低而减少，而运行模式1和运行模式3下的COP却随着温度T的降低而增加，呈现相反的趋势。这是由于在运行模式2下，太阳能集热量利用得越充分，土壤中将会有更多的热量被短暂保存，当再次从中取热时便更利于取热，并且当设定温度T越高时，这种作用越小，表现为运行模式1和运行模式3下的COP下降趋势由快到慢，且运行模式1下的COP表现得更明显。由于系统中热泵机组的COP受蒸发器进水温度的影响较大，将3种运行模式下的机组蒸发器进水温度也进行了模拟计算，验证了前面的分析，结果如图8所示。热泵机组的耗电量占系统耗电量比例最大，决定了系统的运行能耗。通过设定不同的温度T，对热泵机组的耗电量进行了模拟计算，结果如图9所示。由图9可知，热泵机组在整个采暖期及3种运行模式下耗电量的变化趋势与其相应COP的变化趋势刚好相反，机组的耗电量呈现中间高两端低的趋势。综合来看，温度T在5～17 ℃范围内，热泵机组的COP呈现出中间低两端高的趋势，热泵机组的耗电量则呈现出中间高两端低的趋势。

3.6 太阳能集热器面积

本文设定温度T=5 ℃，对不同太阳能集热器面积下的系统运行性能进行了模拟计算，结果如图10所示。由图10可知，随着太阳能集热器面积的增加，集热器供热量近似线性增长，而土壤供热量在集热器面积800 m2时出现趋势转折点，在该点之前下降较慢，在该点之后下降较快，热泵机组耗电量也呈现出与土壤供热量相似的变化趋势；当集热器面积大于800 m2时，热泵机组COP增长较快，且集热器面积大于950 m2时COP增长有减缓趋势，表明当集热器面积较小时，系统运行性能较差，但是集热器面积也不宜过大，以800～950 m2较为适宜。综合来看，为了获得较优的系统运行性能，系统中太阳能集热器面积不宜过小，并且在实际工程应用中若安装场地和经济条件允许宜取较大值。

4 结论

1) 温度T的减小显著增加了太阳能集热量的利用和太阳能保证率，且温度T越小作用越明显，当温度T=5 ℃时，可近乎完全利用集热器集热量。

2) 温度T的减小能更大程度地保护土壤热量，减少了采暖期土壤取热量和非采暖期用于土壤补热的运行能耗，而且温度T越小作用越明显。

3) 温度T在5～17 ℃范围内，热泵机组的COP呈现出中间低两端高的趋势，热泵机组的耗电量呈现出相反的趋势，且温度T较小时，热泵机组的COP和耗电量均较优。

4) 采用本文的太阳能-土壤源热泵联合供暖系统，建议设定温度T为5～7 ℃，选取适宜的集热器面积，不但可以充分利用太阳能集热量，较大程度地避免土壤热平衡问题，还能获得较优的热泵COP，有效减少系统运行能耗，保证系统运行良好，有望获得显著的节能效果。