严寒地区太阳能辅助土壤源热泵系统运行策略优化

刘 逸，陈培强，秦 羽，孙 颖，徐 莹，亓冬鑫

（哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028）

0 引言

随着经济的发展，人们对于建筑热舒适的需求越来越高品质化［1-2］，用于建筑供能的一次能源消耗量巨大，因此开发利用可再生能源实现全球能源转型成为目前各国相关学者们的热点研究课题［3］。部分学者［4-6］提出采用土壤源热泵技术为建筑供暖，但该技术在严寒地区的适用性受建筑负荷分布特性的影响较大，系统长期运行会引起土温失衡问题，使得该系统供能性能降低［7］。

近年来，VERMA 等［8］针对印度地区的气象条件提出了白天（9：00～17：00）利用太阳能通过埋管换热器对土壤蓄热，夜间（19：00～次日3：00）利用埋管换热器从土壤中取热对建筑供暖，该方法有效提升了SGSHPS 的COP。随后，FINE 等［9］通过实际案例证明了太阳能的加入可抑制土壤热失衡问题并且可以储存热量以备冬季使用［10］。XIA 等［11］利用简化的自适应模型和遗传算法对SGSHPS 在不同工况和控制设置下的供能性能进行了预测。EVGUENIY 等［12］分析了6 种应用于SGSHPS 神经网络控制逻辑，结果发现基于ann 的策略可以减少一次能源消耗（约36%）、运营成本（约81%）以及二氧化碳当量排放（约36%）。GITI 等［13］对太阳能辅助土壤源热泵系统供能经济性进行分析，得出在最优条件下该系统投资回收期缩短为6 年，若在该系统中加入生活热水系统［14］可提升整体系统COP，而系统初投资仅增加一小部分。国内学者在天津、大连、西安、长春及夏热冬冷等地建立了该耦合系统的实际工程项目［15-25］，并通过实时监测系统运行状态，因地制宜的提出了项目所在区域的系统最佳运行方案。

综上所述，既往学者对太阳能辅助土壤源热泵系统建模及土壤蓄热模式重要性的研究较为充分，但因该系统过于庞大、运行机理较复杂，且不同地区的气候条件、太阳能资源及土壤热物性参数不一致，因此各运行模式及其节能效果有所不同。为了使复合系统的设计与运行经济合理，必须根据各地区的具体情况来探讨其各种运行模式，从而可确定合适的运行方案。鉴于此，本文针对该方面进行探究，以位于严寒地区哈尔滨市某独栋办公建筑为研究对象，自行搭建实验台，利用TRNSYS 软件建立系统模型并以实验数据验证其准确性，提出多模式切换地埋管分区运行方案并与传统方案进行对比，分析不同运行方案的系统性能影响规律，得出相对最优运行策略。本文研究工作将为严寒地区该项节能技术的推广提供参考。

1 实验台及系统建模

1.1 建筑概况

本文以严寒地区代表性城市哈尔滨某一独栋两层办公楼的太阳能辅助土壤源热泵系统为研究对象，该建筑空调面积为462 m2，一层面积为225 m2，二层面积为237 m2。该建筑严格按照JGJ 26-2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》的设计标准进行建造，建筑南北朝向，其外围护结构参数如表1 所示，窗墙比为东西0.3、南0.45、北0.25。

表1 各围护结构综合导热系数Tab.1 Comprehensive thermal conductivity of each enclosure structure

1.2 建筑负荷计算

依据实际建筑利用TRNSYS 瞬态模拟软件中Trnbuild 进行建筑建模，建筑围护结构参数参照表1 选取，冬季室内温度设定为20 ℃，夏季为26 ℃，相对湿度为55%，人员密度按人/10 m2，新风量为每人30 m3/h，冷风渗透取0.5 次/h，在simulition studio 中搭建模型框架，如图1 所示。并以此模型计算出建筑所需全年最大热负荷为34 kW，将其与规范JGJ26-2010 要求的单位面积热负荷指标进行对比，误差为1.96%。

图1 建筑计算模型Fig.1 Building calculation model

1.3 系统概况

太阳能辅助土壤源热泵系统的原理如图2所示，根据1.2 节计算出的建筑全年最大热负荷选取制热量为35 kW 的热泵机组，循环制冷剂为R22。通过实地岩土热响应实验测得实验地点土壤初始温度为8.6 ℃，导热系数为1.8 W/（m2·K），单位埋深换热量为30 W/m，地埋管换热器按GB 50366-2009《地源热泵系统工程技术规范》进行设计，分区布置（阴影区域内地面管负责系统供冷，下文简称埋管区域一；阴影区域外地埋管负责系统供冷间歇运行时土壤蓄热，下文简称埋管区域一二），如图3 所示。共布置12 口钻井，每口钻井垂直敷设单U 型地埋管100 m。太阳能集热器面积按GB 50495-2009 太阳能供热采暖应用技术手册计算的43 m2，蓄热水箱容积2.4 m3，生活热水水箱为0.3 m3。

图2 系统原理Fig.2 Schematic diagram of the system

图3 地埋管群分区布置Fig.3 Zoning layout of buried pipe group

1.4 系统建模

依据上述结果，利用TRNSYS 软件搭建系统仿真模型，通过分析系统原理可知该系统建模所需模块主要由地埋管换热器（Type557a）、太阳能集热器（Type71）、热泵机组（Type668）、循环水泵（Type114）等构成，各主要构成部件的数学模型参照文献［26］。

1.5 数据采集及处理

实验台搭建完成后，分多次前往实验地点进行数据采集，将该系统性能参数汇总并按相应公式进行计算［27］，最后将本文研究所需数据归纳制表，以备分析。

2 系统运行策略介绍

本文针对严寒地区典型城市哈尔滨某一独栋462 m2办公楼的全年供能节能方案进行研究，热源侧采用太阳能及土壤源热泵系统，负荷侧采用风机盘管加新风系统。

在8：00～18：00 之间，生活热水水箱不满足需求时，2 种方案均采用开启辅助加热器加热生活热水水箱的方式供应生活热水。土壤源热泵系统开启时间为7：00～18：00，新风系统8：00 开启18：00 关闭。

在设计系统运行策略时，对系统运行模式按季节进行划分并将全年分为冬季（10-15～4-15）夏季（6-15～8-15）过渡季（4-15～6-15，8-15～10-15）3 个季度，各模式启停以具体温度进行控制，若涉及到的参数处在温控区间内，则保持原有运行模式。温控参数包括：地埋管换热器出口温度Tc、蓄热水箱温度Tt、室内温度Ti、生活热水水箱温度Ts结合耦合系统工作原理、全年太阳日照强度及室外温度变化情况设计出2 种系统运行方案，具体系统运行方案如下。

2.1 常规运行方案

太阳能辅助土壤源热泵系统的常规运行方案（方案1）由5 种模式构成，具体运行模式分别为：土壤源热泵系统供暖、太阳能蓄热水箱加热生活热水、太阳能蓄热水箱加热生活热水并进行蓄热、土壤源热泵供冷、辅助加热器加热生活热水。具体运行模式控制策略见表3。

表3 常规运行方案Tab.3 Conventional operation scheme

2.2 多模式切换运行方案

多模式切换运行方案（方案2）是在方案1的基础上，冬季加入太阳能辅助供暖，夏季供冷间歇运行时加入太阳能蓄热模式。具体运行方案见表4。

表4 多模式切换运行方案Tab.4 Multi-mode switching operation scheme

3 系统模型验证

数值建模不可避免有模型简化及模块选取环节，因此建模完成后需以实测数据进行验证，从而确保模型准确性。图3 示出了典型日逐时室内平均温度、地埋管换热器进出口温差以及全年逐月土壤平均温度的试验值与模拟值的对比。分析图中曲线可以得出，用以验证模型准确性的3 项相对最大误差分别为：4.57%，2.33%，1.5%，误差均在允许范围内。产生误差的原因为：（1）TRNSYS 瞬态模拟软件中室外环境温度为历年平均值，并非实验当天温度；（2）选取的地埋管换热器模块未考虑土壤分层、地下热湿迁移引起的热量传递；（3）未考虑换热管间热干扰。

图3 试验值与模拟值比较Fig.3 The comparison of experimental and simulated values

4 结果与讨论

4.1 供暖季室内外温变分析

图4 示出了供暖期最冷月2 种方案控制下的建筑室内外平均温度逐时变化。分析图中曲线可以得出，严寒地区冬季最冷月室外温度可达零下28 ℃，而冬季建筑内热环境温度以19 ℃为标准衡量，二者温差为46 ℃；由此可以看出，严寒地区冬季建筑所需热负荷较大且室内温度受室外环境影响较大。系统在方案1 运行策略控制下的最冷月中大部分时间可满足建筑负荷需求，但从图3（a）中看出，仍有几天未达到建筑热舒适性标准，室外温度最恶劣时，室内温度在13 ℃波动。这是由于冬季方案1 的运行模式中建筑所需热负荷完全由地埋管换热器从土壤中汲取，而严寒地区浅层地温受环境影响较大，地温偏低，换热器与土壤间的换热大部分以导热形式进行，因此换热效率偏低。系统在方案2 运行策略控制下的最冷月整月时间均满足了建筑负荷需求，从图3（b）中可以看出，即使在最恶劣的气候环境下，室内温度仍能保持在20 ℃左右，系统供能性能较好。

图4 2 种方案控制下的室内外温度逐时变化图Fig.4 Hourly variation diagram of indoor and outdoor temperatures under the control of two schemes

4.2 热泵机组供能性能分析

图5 示出了2 种方案控制下的热泵机组全年逐月能耗及COP 逐月变化。从图中可以看出，2 种方案控制下的热泵机组能耗全年变化趋势相同，冬季机组能耗较大的月份出现在1，2 及12 月，而机组COP 却呈现出不同走势，在方案1 控制下的热泵机组COP 随着供暖时间的推移（10-15～4-15）先下降后上升，热泵机组全年总能耗为5 514 kW·h，冬夏季平均COP 为3.26，5.2。在方案2 控制下的热泵机组COP 随着供暖时间的推移先升高后下降，热泵机组全年总能耗为4 947 kW·h，冬夏季平均COP 为3.73，5.78。在供暖初末期两种方案控制下的热额泵机组COP 相差不大，在供暖中期时两种方案控制下的COP 相差较大且方案2 优于方案1，对比分析可知，冬季提升14.42%，夏季提升11.15%。这是由于在4.1节中已经证实方案2 可完全承担建筑所需热负荷，而方案1 在最不利条件下并不能完全承担建筑所需热负荷，这间接说明方案2 的热泵机组制热量更大；另一方面，因热泵机组采用的是卡诺循环原理，即热泵机组通过消耗一定电能，利用地埋管换热器从低温热源处（土壤）吸取热量传递到高温热源（机组负荷侧）进一步加热，不难看出低温热源处温度越高对机组供能越有利。方案2 运行策略中较方案1 优化了全年太阳能向土壤蓄热模式，太阳能年蓄热量提升，从而土壤热失衡问题得到改善，因此，方案2 控制下的低温热源处温度较方案1 高，机组供能性能得到优化。

图5 2 种方案控制下的热泵机组全年逐月能耗及COPFig.5 Monthly energy consumption and COP of heat pump units under the control of two schemes throughout the year

4.3 地埋管换热器供能性能分析

图6 示出了2 种方案控制下的地埋管换热器全年取蓄热量逐月变化。分析图中曲线可以得出，换热器在方案1控制下的冬季取热量较方案2高，而全年蓄热量较方案2 少。方案2 中优化后的太阳能蓄热模式取得了很好的蓄热效果，即使是在冬季最不利工况下仍有少许蓄热。系统在方案1控制下的地埋管换热器总蓄热量为9 380 kW·h，总取热量为12 343 kW·h；方案2 控制下的总蓄热量为12 559 kW·h，总取热量为7 991 kW·h。方案2 较方案1 总蓄热量提升33.9%，总取热量降低35.3%。2 种方案控制下的换热器取热量峰值出现在1 月，蓄热量峰值出现在7 月。这是由于建筑所需最大冷负荷出现在7 月，最大热负荷出现在1 月，随着建筑负荷的需求加大，换热器与土壤间换热强度增强，但因方案2 中太阳能蓄热模式只要在温控范围内均会开启，而方案1 中冬夏季没有蓄热模式，土壤温度得不到有效提升，因此换热器在2 种方案下的全年取蓄热量呈现出较大的差异。

图6 2 种方案控制下地埋管换热器全年逐月取蓄热变化Fig.6 Change diagram of monthly heat extraction and storage of buried tube heat exchanger under the control of two schemes throughout the year

4.4 土壤温变特性分析

图7 示出了2 种方案控制下的土壤平均温度全年逐时变化。分析图中曲线可以得出，系统在2 种方案控制下的土壤温变情况不同，系统在方案1 控制下运行10 年后土壤温度下降0.74 ℃，在方案2 控制下土壤温度升高0.39 ℃。这是由于严寒地区土壤初始温度偏低加之换热器连年取热造成土壤热失衡问题严重，仅仅只在过渡季采用太阳能蓄热是不足以维持土壤温度平衡的，换热器对土壤蓄存的热量一部分流失到远处低温土壤中，还有一部分流散到环境中，因此，用以稳定土壤热平衡的热量较少，尽管如此土壤温度也处于对供暖有利状态，综合上文第4.1～4.3 节分析可知，系统在方案2 控制下的供能性能较好。

图7 2 种方案控制下的土壤平均温度全年逐时变化Fig.7 Hourly variation of average soil temperature under the control of two schemes throughout the year

4.5 系统经济性分析

系统能耗项目主要包括：循环水泵、热泵机组、风机盘管、辅助加热器。本文研究对象坐落于严寒地区典型城市哈尔滨，该地区售电标准为0.51 元/（kW·h），上述系统能耗占比较大的4 大项目工作均以电驱动，故系统各月运行费用等于售电标准乘月总能耗量。图8 示出了2 种方案控制下的系统全年能耗及运行费用逐月变化。从图中可以看出，系统逐月能耗与4.2 节中机组能耗分布相同，系统能耗较大的月份出现在1，2 及12 月份，对比上文第4.2 节机组能耗可以看出，5，9 月份机组不运行，但系统能耗与夏季机组供冷时系统能耗基本相同。这是由于两种方控制下的系统运行模式在过渡季中均设置了太阳能蓄热模式，在温控范围内，蓄热环路的循环水泵始终开启，从而能耗加大。方案1 控制下系统总能耗为10 402 kWh，运行费用为5 305 元；方案2 控制下系统总能耗为9 191 kWh，运行费用为4 687 元。2 种方案运行费用相差618 元。

图8 两种方案控制下的系统能耗及运行费用逐月变化Fig.8 Monthly changes of system energy consumption and operating cost under the control of two schemes

5 结论

（1）严寒地区利用太阳能辅助土壤源热泵系统为建筑供能是十分可行的，合理利用太阳能及优化系统运行策略可有效缓解单独采用土壤源热泵系统供能引起的土壤热失衡问题。

（2）考虑在夏季供冷间歇运行时加入太阳能蓄热模式，可能会出现夏季能耗增加并且影响系统制冷效果，可采取埋管分区运行，利用一部分埋管蓄热，节能效果显著。

（3）在冬季建筑热负荷需求最大的月份，常规运行方案控制下的系统对建筑供能时，在某一日出现未满足建筑热负荷需求，室温在13 ℃波动，冬夏季机组COP 分别为3.26，5.2，换热器全年总取热量超过总蓄热量2 963 kW·h，系统连续运行10 年后的土壤温度出现下降趋势，经结合实验地点市场调研后计算的系统第一年运行费用为5 305 元。

（4）在冬季建筑热负荷需求最大的月份，多模式切换地埋管分区运行方案控制下的系统对建筑供能时，可满足建筑热负荷需求，室温在20 ℃波动，冬夏季机组COP 分别为3.73，5.78，换热器全年总蓄热量超过总取热量4 568 kW·h，系统连续运行10 年后的土壤温度出现上升趋势，经结合实验地点市场调研后计算的系统第一年运行费用为4 687 元。