太阳能-地源热泵式沼气工程加温系统TRNSYS模拟

石惠娴 徐得天 朱洪光 张亚雷 孟祥真 郭长城

(1.同济大学新农村发展研究院， 上海 200092; 2.同济大学国家设施农业工程技术研究中心， 上海 200092)

太阳能-地源热泵式沼气工程加温系统TRNSYS模拟

石惠娴1徐得天1朱洪光2张亚雷2孟祥真2郭长城2

(1.同济大学新农村发展研究院， 上海 200092; 2.同济大学国家设施农业工程技术研究中心， 上海 200092)

利用TRNSYS软件对太阳能-地源热泵式沼气工程加温系统进行仿真模拟，得出该系统某一典型天和全年能量利用效果：在冬季最冷的典型一天，总供热包括热泵耗电量、水泵耗电量、地埋管和集热器总集热量共225.52 MJ/d；总耗热包括沼气池维护结构散热和加温料液负荷共208.57 MJ/d。除去无供热效果的水泵耗电部分，能量输入和沼气池热负荷基本趋于平衡；系统全年共消耗热量46 657.32 MJ，可再生能源(太阳能和地热能)提供74%；其中，太阳能热利用贡献63%，地热能贡献37%，表明该加温系统可高效利用可再生能源。系统全年向地下蓄热总量为7 630.99 MJ，吸热总量为12 954.81 MJ，蓄热量虽不能完全满足供热量的需求，但可以在一定程度上缓解土壤的冷热失衡。

沼气工程； 加温系统； 太阳能-地源热泵式； 能耗； TRNSYS模拟

引言

太阳能-地源热泵式供能系统广泛应用于建筑[1-6]、温室[7-9]及沼气工程[10-12]等领域，但通过工程试验测试手段评估这些实际供能工程能量利用效果耗时耗力耗财，因此很多研究者借助数值方法和TRNSYS软件进行仿真模拟研究[13-14]。

图1 太阳能-地源热泵式沼气池加温系统Fig.1 Heating system of integrated solar and ground source heat pump for biogas digester

TRNSYS(Transient system simulation program)为系统模拟程序，主要利用Simulation Studio、TRNEdit和TRNSed、TRNBuild、TRNOPT等模块，搭建模拟平台。用户可以根据自己需要修改或增减模块，建立连接形成适应不同系统的计算程序，为非TRNSYS用户提供方便，也可输入建筑模型进行最优化模拟计算，可以直接生成Excel文件输出参数，方便编辑和后期处理；还可与EnergyPlus、Matlab、Fluent等软件建立链接[15-16]。

在参考TRNSYS软件自身热水器模块、单温度场分析模块、太阳辐射分析模块和输出模块及暖通空调系统的太阳能集热程序、暖通空调程序、地源热泵程序、蓄能程序等基础上，许多研究者通过TRNSYS模拟进行了系统研究[17-19]。韩延民等[20]建立了太阳能集热器非稳态数学模型，以工程实例为研究对象, 借助TRNSYS软件, 分析不同集热器类型、集热面积、水箱容积、水箱流量对太阳能集热系统性能的影响，集热器和水箱的优化匹配设计有利于提高集热系统的能量转换效率, 水箱的变流量系统设计可以比定流量系统提高集热效率20%～30%。YAU[21]为降低某建筑物的通风系统能耗，利用TRNSYS软件进行全年能耗动态模拟并优化空调系统方案，预测了运行费用。HOBBI等[22]利用TRNSYS程序建立了采用平板集热器实现间接循环热水供能一单户家庭系统模型，对所有设计参数进行了优化，包括集热面积、集热器质量流率、储热管体积和高度、热交换器效率、吸收式平板集热器材料和厚度、集热器效率等，结果显示利用太阳能设计的集热系统可以在夏季和冬季分别提供83%和30%的热水需求，并确定一种采用非选择性吸收涂层的集热器可以每年提供54%的热水需求。

以上的研究多集中于建筑领域，对于太阳能-地源热泵式供能系统应用于沼气工程的领域还没有系统的TRNSYS模拟研究，因此本文在前期试验研究基础上，对太阳能-地源热泵式沼气工程加温系统，利用TRNSYS平台进行仿真模拟，以获取系统典型日、月和全年的能量利用效果。

1 系统原理

太阳能-地源热泵式沼气工程加温系统如图1所示。图1中V1～V12为电磁阀，B1～B4为水泵，T1～T8为温度传感器。

图1中，太阳能-地源热泵式沼气工程加温系统主要由太阳能集热系统、热泵式沼气池加温系统、太阳能地下换热系统组成。太阳能集热系统包括太阳能全玻璃真空管集热器、蓄热水箱和太阳能循环泵B3；热泵式沼气池加温系统包括沼气池、池内盘管换热器、热泵主机、U型地埋管换热器(蓄热水箱)、热泵负载侧水泵B2和热泵源侧水泵B1；太阳能地下蓄热系统包括循环泵B4、U型地埋管换热器和中转蓄热水箱。

在实际运行中，太阳能-地源热泵式沼气工程加温系统有4种运行模式：①太阳能直供模式：当沼气池内温度低于32℃，且中转蓄热水箱中水温高于50℃，系统按照太阳能直供模式运行；沼气池内温度高于37℃或中转蓄热水箱水温低于45℃，模式停止。该运行模式的能量流动环路为：太阳能集热器—蓄热水箱—水泵B4—沼气池内盘管换热器—蓄热水箱—水泵B3—太阳能集热器。②太阳能热泵加温模式(太阳能为低位热源)：当沼气池内温度低于32℃，且中转蓄热水箱中水温低于30℃而高于地埋管换热器回水温度时，系统按照太阳能热泵供暖模式运行；当沼气池内温度高于37℃，停止加热。该运行模式的能量流动环路为：太阳能集热器—蓄热水箱—水泵B1—热泵机组蒸发器—蓄热水箱；热泵机组冷凝器—沼气池内盘管换热器—水泵B2—热泵机组冷凝器。③地源热泵单独加温模式：当沼气池内温度低于32℃，中转蓄热水箱中水温低于地埋管换热器出口温度时，系统按照地源热泵供暖模式运行；当沼气池内温度高于37℃，停止加热。该运行模式的能量流动环路为：地埋管—水泵B1—热泵机组蒸发器—地埋管；热泵机组冷凝器—沼气池内盘管换热器—水泵B2—热泵机组冷凝器。④太阳能地下蓄热模式：沼气池内温度高于35℃，中转蓄热水箱中水温高于70℃时，系统按照太阳能地下蓄热模式运行；当中转蓄热水箱中的水温降低至50℃时，停止该模式的运行。该运行模式的能量流动环路为：太阳能集热器—蓄热水箱—水泵B4—地埋管—蓄热水箱—太阳能集热器。

2 模型构建

在图1基础上构建太阳能-地源热泵式沼气工程加温系统TRNSYS模拟模型。针对太阳能-地源热泵式沼气池加温系统特点，TRNSYS软件仿真模拟该系统应包括气象参数、真空管太阳能集热器、热泵机组、蓄热水箱、沼气池、地埋管、水泵、运行控制器、运算结果打印等，它们在TRNSYS中对应的模块如表1所示。

根据表1中仿真模块，建立太阳能-地源热泵沼气池加温系统TRNSYS仿真模型，如图2所示。

太阳能-地源热泵沼气池加温系统TRNSYS仿真模型模块标准部件参数设置如下：气象数据读取器和处理器(Type109-TMY2)部件，用于读取天气参数并进行处理，以计算任意表面太阳辐射能。输入参数有地面反射系数、表面倾斜角和表面方位角。真空管太阳能集热器(Type71)部件涉及串联集热器的数量、集热器面积(16 m2)、流体的比热容(4.19 kJ/(kg·K))和效率模式。输入参数有进口温度(循环泵输入)、进口流量(循环泵输入) 和环境温度(Type109输入环境温度)；输出参数有出口温度、出口流量和有效集热量。蓄热水箱(Type60)部件涉及用户指定的进口位置、水箱体积(2 m3)、水箱高度、进口1的高度、出口1的高度、进口2的高度、出口2的高度、流体的比热容、流体密度、水箱损失系数和流体的导热率。输入参数包括进口1的流量、进口1的温度、出口1的流量、出口2的流量、出口2的温度和环境温度；输出参数包括出口1的温度、进口2的流量和热量损失。循环泵(Type3b)部件输入参数有进口温度和进口质量流量，控制信号(Type14h提供)部件；输出参数有出口温度和出口流量。沼气池(Type60c)部件涉及用户指定的进口位置、池体体积(69 m3)、池体高度、进口1的高度、出口1的高度、流体的比热容、流体密度、池体损失系数、流体的导热率、换热器内径、换热器外径、换热器总表面面积、换热器长度、换热器壁面导热率、换热器材料导热率、换热器进口高度和换热器出口高度。热泵机组(Type668)部件输入参数有进口源水温度和流量、进口负载温度和负载流量；输出参数有出口源水温度和出口负载温度。地埋管(Type557b)部件涉及储存容积、钻井深度、钻井数量、钻井半径、串联的钻井数量、半径区域数量、垂直区域数量、储热器导热系数、储存器热容、每口井中埋管数量(在TRNSYS中为负数)、流体比热和流体密度。输入参数有进口流体温度、进口流量、储存器顶部温度和空气温度；输出参数有出口温度、出口流量和平均储热温度。运行控制器(Type14h)给出控制热泵运行信号。运算结果打印(Type25a)给出输出结果。

表1 太阳能-地源热泵沼气池加温系统 TRNSYS仿真模型模块Tab.1 Module of TRNSYS simulation model of integrated solar and ground source heat pump for biogas digester heating system

图2 太阳能-地源热泵式沼气工程加温系统TRNSYS模型Fig.2 TRNSYS model of integrated solar and ground source heat pump for biogas digester heating system1.计算器 2.太阳能集热器 3.太阳能循环泵 4.蓄热水箱 5.热泵机组 6.打印机 7.沼气池 8.负载侧水泵 9、11.偏流器 10.地埋管 12、14.温差控制器 13.源侧水泵

3 典型天TRNSYS模拟及试验验证

选取冬季最冷天(2015年12月23日)进行模拟，当天室外温度分布如图3所示。沼气池散热负荷模拟步长设为0.5 h，沼气池散热量如图4所示。09:30—16:30太阳能持续加热蓄热水箱，模拟步长设置为0.5 h，太阳能集热器进出口温度、太阳辐射强度与集热器集热效率、太阳能集热器理论集热量和实际集热量如图5～7所示。09:30—11:00运行地源热泵模式，模拟步长设为5 min，太阳能热泵供热量如图8所示。14:00—15:30运行太阳能热泵模式，模拟步长设为5 min，地埋管与土壤换热量、地源热泵供热量如图9、10所示。

图3 最冷天室外温度分布Fig.3 Outdoor temperature distribution in the coldest day

图4 沼气池散热量随时间变化曲线Fig.4 Time variation curve of heat dissipating capacity of biogas digester

图5 集热器进出口温度随时间变化曲线Fig.5 Time variation curves of inlet and outlet temperatures of heat collector

图3、4表明，沼气池散热量随时间变化与室外环境温度的变化一致，在00:00—06:00有一逐渐上升的过程，但是上升幅度不大，从1 747 W上升到1 756 W； 06:00—14:00逐渐下降，从1 756 W下降到1 300 W左右；14:00—00:00逐渐上升，从1 300 W左右上升到1 700 W左右。沼气池在一整天的散热量平均值为1 662.8 W，总散热量为132 MJ。

图6 太阳辐射强度与集热效率随时间变化曲线Fig.6 Time variation curves of solar radiation intensity and collector efficiency

图7 太阳能集热器理论和实际集热量随时间变化曲线Fig.7 Time variation curves of solar collectors’ theoretical and actual heat collection

图8 太阳能热泵供热量随时间变化曲线Fig.8Time variation curve of solar heat pump heating capacity

图5表明，集热器进出口水温在09:30—15:30随时间变化逐渐变大，进口温度峰值达到22℃，出口温度峰值25℃，这与太阳辐射强度峰值出现的时间12:00不一致的原因是：蓄热水箱的热惰性带来延迟，后来随时间变化两者逐渐变小，这是由太阳辐射强度的全天变化造成的，在集热器停止集热后，进出口水逐渐散热，水温逐渐下降。

图6表明，太阳辐射强度在12:00左右到达峰值，为650 W/m2，全天平均值为422.5 W/m2，集热器集热效率在09:30—15:00都维持在68%左右，15:00—16:30有一个急速下降的过程，模拟结果与实际吻合。在整个集热过程中，集热器集热效率的平均值为64.03%。

图7表明，集热器理论集热量和实际集热量都随着时间先变大后变小，理论集热量峰值5 800 W，实际集热量峰值5 200 W，两者峰值出现时间不一致的原因是集热器理论集热量的变化完全是由太阳辐射强度决定的，实际集热量则是由集热器进出口温差决定的。在整个集热过程中集热器理论集热量平均值为3 725.75 W，集热器实际集热量平均值为3 291.96 W，集热器实际总集热量为82.96 MJ/d。

图8表明，太阳能热泵为沼气池供热量有一个逐渐下降的过程，但是下降的幅度不大，这是由于蓄热水箱中的水温略降，影响了热泵的运行，导致热泵机组的制热效果有所下降，在14:00—15:30启动太阳能热泵供热过程中，热泵供热量的平均值为20.66 kW，总供热量为111.58 MJ。

图9表明，地埋管集热量随时间基本没有变化，这是由于在较短时间内，土壤温度保持恒定，地埋管换热稳定。在09:30—11:00启动地源热泵为沼气池供热的过程中，地埋管换热量平均值为13.32 kW，总供热量为71.93 MJ。

图9 地埋管与土壤换热量随时间变化曲线Fig.9 Time variation curve of heat exchange between underground pipe and soil

图10表明，地源热泵供热量随时间变化不明显，在18.3～18.7 kW之间，说明地埋管换热稳定，热泵机组运行稳定。在09:30—11:00启动地源热泵为沼气池供热的过程中，热泵供热量的平均值为18.53 kW，总供热量为100.06 MJ。

图10 地源热泵供热量随时间变化曲线Fig.10 Time variation curve of ground source heat pump heating capacity

经计算得出：当天热泵耗电量57.24 MJ/d，水泵耗电量13.39 MJ/d，地埋管集热量71.928 MJ/d，集热器集热量82.96 MJ/d，总供热量225.52 MJ/d；沼气池维护结构散热132 MJ/d，加温料液负荷76.57 MJ/d，总耗热量208.57 MJ/d。除去基本没有供热效果的水泵耗电部分，能量输入和沼气池热负荷基本趋于平衡。得出典型日太阳能-地源热泵沼气池加温系统能量贡献比例为集热器集热量36.87%、地埋管换热量31.96%、系统耗电量31.17%。其中太阳能保证率为36.87%；同时可以看出系统耗电量只占了31.17%，其余68.83%全部由可再生能源提供，可再生能源与耗电量的比例为7∶3，说明系统具有良好的节能效果。

4 每月TRNSYS模拟

上海地区4—9月份是太阳能较丰富的月份，太阳能不仅可以保证沼气池的需求，多余的能量通过地埋管储存在地下。通过模拟结果计算出下列各个类型的能量数值，如表2、图11～14所示。

表2表明，沼气池总负荷从1—12月份有先变小后变大的趋势，最大值在1月份，为6 360.47 MJ，最小值出现在7月份，为1 817.28 MJ；太阳能集热量从1—12月份有先变大后变小的趋势，最大值出现在5月份，为3 630.14 MJ，实际上，4—9月份的集热量都维持在3 000 MJ以上，最小值出现在1月份，为1 575.82 MJ；地埋管供热量从1—12月份是先变小后变大的趋势，最大值在1月份，为3 110.84 MJ，最小值出现在7月份，为178.63 MJ；系统耗电量从1—12月份是先变小后变大的趋势，最大值在1月份，为1 673.81 MJ，最小值出现在7月份，为478.23 MJ。

表2 每月TRNSYS模拟数据Tab.2 Monthly TRNSYS simulation data

图11 月太阳能保证率Fig.11 Monthly solar energy supply assurance rate

图12 太阳能与地热能月供热量Fig.12 Solar and geothermal energy monthly heating capacity

图13 月地下蓄热量Fig.13 Amount of heat stored underground each month

图14 半年内月太阳能保证率各级频数Fig.14 Rate of various frequencies of solar guarantee within six months

图11表明，4—10月份太阳能保证率都维持在一个较高的水平，都接近或超过60%。除了6、7、8月份，提供给系统有效利用的太阳能数值都相当可观，尤其是2—4月份、10—12月份，接近或超过2 000 MJ。图12表明，地埋管的供热量受季节的影响非常明显，冬季从地下取热远超过了夏季。图13表明， 3—10月份有了多余的太阳能储存在地下，最大值出现在7月份，为1 927.56 MJ，而1、2、11、12月份没有向地下蓄热。

此外，还计算得到月太阳能保证率各级频数，如图14所示。月太阳能保证率在区间50%～60%的月份数为1个月，在区间40%～50%的月份数为2个月，在区间60%～70%的月份数为6个月；月太阳能保证率低于40%的有3个月。以上结果都比较符合上海地区气象变化特点。

5 全年TRNSYS模拟

首先，根据上海地区全年气象参数绘制出全年室外干球温度分布及全年日平均太阳辐射量，如图15、16所示。在发酵温度(35±1)℃、水力停留时间20 d的条件下，4个太阳能集热器模块(集热面积16 m2)运行，系统全年运行模式模拟结果如图17、18所示。

图15 全年室外干球温度Fig.15 Annual outdoor dry bulb temperature

图16 全年日平均太阳辐射量Fig.16 Annual average daily solar radiation

图17 加温系统能量输入Fig.17 Heating system energy input

图18 太阳能理论集热量与地下蓄热量Fig.18 Theoretical solar heat collection and underground heat storage amounts

图17为全年输入到加温系统的太阳能、耗电量以及地埋管供热量模拟结果；图18为太阳能理论集热量与地下蓄热量。11月份至次年12月份，地下蓄热量为零，一方面是由于太阳能集热量远小于沼气池总负荷，另一方面是由于地源热泵模式的长期运行，地下蓄热场主要处于向系统供能状态；系统耗电量变化关系和沼气池加温负荷变化规律相同，6—7月份最小为16.6 MJ/d，1月份最大约54 MJ/d。

模拟统计得出全年输入到系统各类能量：沼气池总负荷46 657.32 MJ，太阳能集热量32 087.65 MJ，其中21 958.66 MJ用于输入加温系统，即太阳能热利用占68.43%，7 630.99 MJ储存蓄热在地下，占23.78%。其余2 498.00 MJ在利用过程中损失到环境，占太阳能总量的7.78%。地埋管供热量为12 954.81 MJ，系统耗电量12 278.24 MJ，系统耗电量占整个加温系统消耗能量的26.02%，其余74%全部由太阳能和地热能(可再生能源)提供，地热能占27.45%，太阳能占46.53%。说明系统具有良好的节能效果，并且能够高效利用可再生能源。

6 结论

(1)在2015年12月23日，热泵耗电量57.24 MJ/d，水泵耗电量13.39 MJ/d，地埋管集热量71.928 MJ/d，集热器集热量82.96 MJ/d，总供热量225.52 MJ/d；沼气池维护结构散热132 MJ/d，加温料液负荷76.57 MJ/d，总耗热量208.57 MJ/d。能量贡献比例为：集热器集热量36.87%，地埋管换热量31.96%，系统耗电量31.17%，可再生能源与耗电量的比例为7:3。能量输入和沼气池热负荷基本趋于平衡，系统节能性及可再生能源利用性良好。

(2)按月模拟，月太阳能保证率在区间40%～50%的月份有2个月，在区间50%～60%的月份有1个月，在区间60%～70%的月份有6个月；月太阳能保证率低于40%的有3个月。结果符合上海地区气象变化特点。

(3)系统全年共消耗46 657.32 MJ热量，可再生能源(太阳能和地热能)提供74%。其中，太阳能热利用贡献63%，地热能贡献37%，说明该加温系统能够较好地使用可再生能源。系统全年向地下蓄热7 630.99 MJ，吸热量为12 954.81 MJ，蓄热量虽不能完全满足供热量的需求，但能在一定程度上缓解土壤的冷热失衡。

1 董呈娟，王侃宏，李保玉. 太阳能辅助地源热泵供热运行特性研究[J]. 煤气与热力, 2006,26(9): 39-42. DONG Chengjuan, WANG Kanhong, LI Baoyu. Study on operation characteristics of solar assisted ground source heat pump for heat-supply[J]. Gas & Heat, 2006,26(9): 39-42.(in Chinese)

2 毕月虹，陈林根. 太阳能-土壤热源热泵的性能研究[J]. 太阳能学报, 2000,21(2): 214-219. BI Yuehong, CHEN Lingen. Study on solar-ground source heat pump[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2000,21(2): 214-219.(in Chinese)

3 宫克勤，刘逸，刘丹，等. 太阳能地源热泵式空调系统研究[J]. 太阳能学报,2007,28(4): 416-420. GONG Keqin, LIU Yi, LIU Dan, et al. The study on the air-condition system of solar energy and geothermal-source heat pump[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2007,28(4): 416-420.(in Chinese)

4 吴晓寒. 地源热泵与太阳能集热器联合供暖系统研究及仿真分析[D]. 长春：吉林大学, 2008.

5 杨卫波. 太阳能-地源热泵系统的理论与实验研究[D]. 南京：东南大学, 2007.

6 杨卫波，倪美琴，施明恒，等. 太阳能-地源热泵系统运行特性的试验研究[J]. 流体机械， 2009, 37(12): 52-57. YANG Weibo, NI Meiqin, SHI Mingheng, et al. Experimental study on operation characteristic of solar-ground source heat pump system[J]. Fluid Machinery, 2009, 37(12): 52-57.(in Chinese)

7 LUCIA U, SIMONETTI M, CHIESA G, et al. Ground-source pump system for heating and cooling: review and thermodynamic approach[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2017, 70: 867-874.

8 AWANI S, KOOLI S, CHARGUI R, et al. Numerical and experimental study of a closed loop for ground heat exchanger coupled with heat pump system and a solar collector for heating a glass greenhouse in North of Tunisia[J]. International Journal of Refrigeration, 2017, 76: 328-341.

9 OZGENER O, HEPBASLI A. Performance analysis of a solar-assisted ground-source heat pump system for greenhouse heating: an experimental study[J]. Building and Environment， 2005, 40(8): 1040-1050.

10 郭长城，石惠娴，朱洪光，等. 太阳能-地源热泵联合供能系统研究现状[J]. 农业工程学报, 2011,27(增刊2): 356-362. GUO Changcheng, SHI Huixian, ZHU Hongguang, et al. Review of solar-assisted ground source heat pump system[J]. Transactions of the CSAE, 2011，27(Supp.2): 356-362.(in Chinese)

11 石惠娴，王卓，朱洪光，等. 太阳能-空气源热泵耦合式沼气池加温系统设计[J]. 建筑节能, 2010(10): 28-31. SHI Huixian, WANG Zhuo, ZHU Hongguang, et al. Design on heating systems combined with air-source heat pump and solar energy of the rural biogas digester[J]. Construction Conserves Energy, 2010(10): 28-31.(in Chinese)

12 裴晓梅，张迪，石惠娴，等. 太阳能-地源热泵沼气池加热系统集热面积优化[J]. 农业机械学报, 2011,42(1): 122-128. PEI Xiaomei, ZHANG Di, SHI Huixian, et al. Collector area optimization of integrated solar and ground source heat pump system for heating biogas digester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011,42(1): 122-128.(in Chinese)

13 YANG W B, SHI M H, DONG H. Numerical simulation of the performance of a solar-earth source heat pump system[J]. Applied Thermal Engineering, 2006, 26(17-18): 2367-2376.

14 KJELLSSON E, HELLSTR M G R, PERERS B. Optimization of systems with the combination of ground-source heat pump and solar collectors in dwellings[J]. Energy, 2010, 35(6): 2667-2673.

15 YUSOFF M, CLOSE D J. Transient and steady-state considerations of solar air heaters1[M]∥Brandvold G E. Sun: mankind’s future source of energy. Oxford: Pergamon, 1978: 905-906.

16 SAFA A A, FUNG A S, KUMAR R. Heating and cooling performance characterisation of ground source heat pump system by testing and trnsys simulation[J]. Renewable Energy, 2015, 83: 565-575.

17 管巧丽. 太阳能—蓄热与地源热泵供热水系统的Trnsys模拟与研究[D]. 天津：天津大学, 2009.

18 AL-SAADI S N, ZHAI Z J. A new validated trnsys module for simulating latent heat storage walls[J]. Energy and Buildings, 2015, 109: 274-290.

19 SHRIVASTAVA R L, VINOD K, UNTAWALE S P. Modeling and simulation of solar water heater: a trnsys perspective[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 67: 126-143.

20 韩延民，代彦军，王如竹. 基于TRNSYS的太阳能集热系统能量转化分析与优化[J]. 工程热物理学报,2006,27(增刊1):57-60. HAN Yanmin, DAI Yanjun, WANG Ruzhu. Optimum analysis energy conversion for solar collector system[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2006，27(Supp.1): 57-60.(in Chinese)

21 YAU Y H. The use of a double heat pipe heat exchanger system for reducing energy consumption of treating ventilation air in an operating theatre—a full year energy consumption model simulation[J]. Energy and Buildings， 2008, 40(5): 917-925.

22 HOBBI A, SIDDIQUI K. Optimal design of a forced circulation solar water heating system for a residential unit in cold climate usingtrnsys [J]. Solar Energy, 2009, 83(5): 700-714.

TRNSYS Simulation of Integrated Solar and Ground Source Heat Pump for Biogas Digester Heating System

SHI Huixian1XU Detian1ZHU Hongguang2ZHANG Yalei2MENG Xiangzhen2GUO Changcheng2

(1.InstituteofNewRuralDevelopment,TongjiUniversity,Shanghai200092,China2.NationalEngineeringResearchCenterofProtectedAgriculture,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

The energy structure of energy supply project always adopts traditional and renewable energy together for the past years. However, for the future development, renewable energy will gradually increase the proportion, or even completely replace the traditional energy. The actual energy supply engineering energy utilization effect is worthy of attention. There are two schemes to discuss: engineering test and software simulation. Engineering test will be time-consuming, while software simulation can save a great deal of costs, as well as carry out the design and verification of various control schemes. Therefore, the integrated solar-ground source heat pump for biogas digester heating system simulation was studied. The typical day and year energy utilization effects of the heating system were obtained by using TRNSYS platform with Type109-TMY2 (reader and meteorological data processor), Type71 (vacuum tube solar collector), Type60 (storage tank), Type3b (circulating pump), Type60c (methane), Type668 (heat pump), Type557b (buried pipe), Type14h (operation controller), Type25a (print results) modules. Results showed that in the typically coldest winter day, the total heat supplying capacity was 225.52 MJ/d, which included heat pump power consumption (57.24 MJ/d), water pump power consumption (13.39 MJ/d), buried tube (71.93 MJ/d) and solar collector (82.96 MJ/d). The total heat dissipation capacity was 208.57 MJ/d, which contained biogas pool maintenance structure heat (132 MJ/d) and liquid heating load (76.57 MJ/d). The annual total heat consumption of the system was 46 657.32 MJ, the renewable energy included solar contribution (63%) and geothermal contribution (37%), which accounted for 74%. It showed that renewable energy sources were efficiently utilized in the heating system. Furthermore, the system can store 7 630.99 MJ/a of heat to the ground but the heat absorption capacity was 12 954.81 MJ/a. Although the heat storage capacity cannot meet the demand of heat supply, it can alleviate the cold and hot imbalance of soil to some extent.

biogas project; heating system; integrated solar and ground source heat pump; energy consumption; TRNSYS simulation

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.033

2017-05-31

2017-06-13

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA103006-02)

石惠娴(1969—)，女，副教授，博士，主要从事农业设施领域可再生能源应用研究，E-mail: huixian_shi@tongji.edu.cn

S216.4； TK124

A

1000-1298(2017)08-0288-08