内蒙古地区太阳能-地源热泵系统运行特性研究

金 光，张宏葛，郭少朋,2，郝 楠

(1.内蒙古科技大学 能源与环境学院，内蒙古 包头 014010；2. 天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300072)

随着我国经济的可持续发展，绿色能源要求逐步增高.地源热泵(GSHP)是一种高效的新能源，在我国京津冀地区已投入使用.因内蒙古地区气温变化明显，地源热泵系统的性能并未得到显著优化，因此并未投入使用.我国西北地区约占全国面积30%，年日照时数可达2 500 h，年辐射总量约达5 800 MJ/m2[1]，太阳能资源极其丰富.因此，在严寒地区对太阳能-地源热泵系统(SGSHP)的性能进行优化研究具有重要意义.

Emmi. G.等人[2]利用TRNSYS软件针对GSHP系统加入太阳能辅助系统进行了六个寒冷地区的模拟研究，分析了钻孔长度对热泵能效的影响，并确定了合适的控制策略来管理太阳能集热器和埋管换热器.Razavi S H等人[3]针对伊朗一座住宅建筑利用TRNSYS软件模拟了五种不同的太阳能辅助GSHP系统的组合，结果表明，考虑到生活热水的情况时，单一地源热泵不能提供生活热水所需的热量.在低平均气温地区，适合集热器辅助GSHP系统以增强地埋管流体温度的模式.E Parham等人[4]又对SGSHPS系统进行了实验研究，通过交替使用太阳能辅助热泵和单一地源热泵模式，证明在该地区由SGHPS加热是可行的.我国的杨卫波等人通过对SGSHP在不同双热源耦合模式下的热性能进行实验与模拟研究，测试了太阳能集热器效率和地埋管进出口温度分别对系统COP的影响，并以青岛地区作为模拟实验地点，对SGSHP的交替运行进行了数值模拟研究，实验结果表明，节能效果显著并且运行性能更好[5-6].李新国[7]等人对天津地区的太阳能、蓄热与地源热泵组合系统进行模拟研究，对太阳能向地下的跨季节储热量进行了分析.季永明[8]等人对大连地区定时蓄热与随时蓄热两种模式下的系统热利用率进行分析，确定了两种模式下最佳集热器面积参数.

国内外大部分学者利用TRNSYS对当地地区SGSHP系统进行了研究，由于系统无普遍适用性，不同地区的性能参数分配比例以及运行方式不同，针对太阳能-地源热泵系统在不同气候地区适应性的研究目前显得尤为重要.但在我国严寒地区并未形成复合系统的设计方法，实际工程中系统的性能及运行策略仍需进一步验证.因此，以包头市为例，对太阳能-地源热泵系统的补热模式和辅助模式进行研究，并基于仿真模型对太阳能集热器的参数进行优化设置，得到最佳的系统运行模式，为实际工程予以参考.

1 模型建立

1.1 建筑模型

建筑物以包头市民用住宅为选取模型，面积为6 451.94 m2.包头市位于北纬40°38′，东经109°59′，海拔为1 067 m，日照辐射小时数可达2 200 h[8].包头市全年太阳辐射量如图1所示.因包头市属于严寒地区，夏季供冷时间短，因此不考虑供冷需求，冬季供暖时间为10月15日到次年4月15日[9].通过DeST建立模型，得到建筑物全年热负荷.其中，全年最大热负荷为179.51 kW，总负荷为216.23 kW，指标为38.99 W/m2.负荷模拟结果如图2所示.

图1 包头市太阳能辐射量图Fig.1 Solar radiation in Baotou

图2 负荷模拟结果Fig.2 Result of load simulation

1.2 参数选取

1.2.1 热泵机组的选型

该模型的热泵机组采用的是满液式水源热泵螺杆机组.制热名义工况为：地埋管的进水温度为15 ℃，热水的进水温度为40 ℃；制热工况的最高热水温度为55 ℃.

1.2.2 地埋管参数

地埋管是地源热泵系统的重要组成部分，其设计是总体系统设计的核心内容.故此部分的数据计算对后期的参数设置至关重要.具体计算公式如下：

(1)确定地埋管吸热量[10]

(1)

式中，Q为冬季地埋管从土壤中的吸热量，kW；

Q1为设计总热负荷，kW；COP为设计工况下热泵机组的制热性能参数.

(2)确定地埋管长度

地埋管换热器的长度与地质、地温及进入热泵机组的水温等参数有关.本研究前期未进行土壤热响应实验，故每延米换热量确定为45W/m[10].地埋管换热器的长度的计算公式如下：

L=1 000nQ/q

(2)

式中，L为冬季工况下所需埋管长度，m；q为单位埋深吸热量，W/m；n为地埋管长度修正系数，单U为2，双U为4.

(3)确定钻孔数量及井间距

(3)

式中，N为钻孔数量；H为钻孔深度，m.

根据参考设计规范[11]，运用半经验公式法，基于傅里叶导热定律，Kelvin线热源理论为基础得到井间距，具体公式如下：

(4)

表1 仿真中主要部件参数

2 系统模式

2.1 太阳能-地源热泵系统补热模式

此模式在夏季6月为地埋管蓄热，采用集热器与地埋管串联的模式.因内蒙古地区气候变化明显，夏季太阳能总辐射量辐射高达6 490 MJ/m2，选择在6月份进行蓄热.冬季单独利用地埋管系统为用户供暖，夏季利用太阳能系统向土壤中补热，补热时间为6月份每日9～17时.系统图如图3所示.

图3 SGSHP系统补热模式Fig.3 SGSHP system heating mode

2.2 太阳能-地源热泵系统辅助模式

此模式在供暖期间进行蓄热，系统采用地埋管与集热器并联的模式.两者的出口流体进入热泵机组前，在分混水泵中进行混合，再通过用户侧进行循环.太阳能系统辅助时间为供暖期每日10～16时，系统图如图4所示.

3 模拟结果与分析

3.1 不同集热器面积下土壤温度的变化特性

通过对土壤温度变化的情况进行分析，比较补热与辅助两种模式.系统的模拟结果分别如图5、6所示.以集热器面积作为变换量，分析土壤的热失衡情况.因建筑物为6 451.94 m2，考虑到集热器之距离，集热器最大面积取为250 m2，取集热器面积分别为100、150、200、250 m2，对该建筑物进行5年时间的模拟，分析土壤温度的变化趋势.

补热模式下，土壤温度随时间的变化情况如图5所示.从图中可以看出，在集热器面积不同的情况下，每年1～5月土壤温度呈下降趋势，6～12月土壤温度回升，但波动幅度较大，并且整体呈现下降的趋势.集热器面积为100、250 m2时，土壤进行补热后的回升温度分别为0.33、0.67 ℃，在一个完整的供暖期后，土壤平均温降为0.81、0.84 ℃，由于在补热模式下建筑物所需热量均由土壤提供，故土壤温降基本相同.

图4 SGSHP系统辅助模式Fig.4 SGSHP system assist mode

图5 补热模式下不同集热器面积的土壤温度Fig.5 Soil temperature of different collector areasin in the heat supplement mode

在辅助模式下，土壤温度随时间的变化情况如图6所示.从图中可以看出与补热模式土壤的温度变化趋势大体一致，土壤温度随运行时间整体呈下降趋势，辅助模式较补热模式土壤温度变化更为平缓.当集热器面积为100、200、250 m2时，在一个完整的供暖期后，土壤温降的平均值分别为0.59、0.30、0.25 ℃.集热器面积为100 m2时土壤温降变化最大，集热器面积为250 m2时土壤温降趋于稳定，集热器面积为200 m2与集热器面积为250 m2相比，土壤温降相差不明显.

图6 辅助模式下不同集热器面积的土壤温度Fig.6 Soil temperature of different collector areas in auxiliary mode

3.2 不同模式下集热器倾角参数的确定

集热器倾角是影响热量的关键因素之一[12]，因此通过确定集热器最佳倾角，分析补热模式与辅助模式下土壤温度的变化情况 .太阳能集热器倾角分别为0～55°时，集热器单位面积得热量随月份的变化如图7所示.从图中可以看出，在5～7月，集热器角度越小，得热量越大.其中，当倾角为0 °、30 °、40 °时，得热量呈正态分布，分别为0.72、0.71、0.67 GJ/m2.在供暖期间内，集热器倾角为50°、55°时，得热量最大，其平均值分别 约为0.57、0.56 GJ/m2.因此，在补热模式下，集热器倾角取0 °；辅助模式下，集热器倾角取50 °.

图7 集热器角度随时间变化的得热量Fig.7 Heat gain of the collector angle with time

3.3 最优集热器参数下土壤温度的变化特性

随着集热器的面积增大，两种模式下土壤温降平均值均减小.因此，在集热器参数优化的两种模式条件下，集热器面积取250 m2时，补热模式与辅助模式下土壤温度随时间的变化关系如图8所示.可以看出补热模式下，土壤年平均温降0.80 ℃；辅助模式下，土壤年平均温降为0.32 ℃.补热模式下土壤温度变化幅度显著，因此辅助模式较补热模式土壤温度变化更为稳定.

图8 集热器参数优化下不同模式土壤温度Fig.8 Different model soil temperature under the optimization of collector parameters

3.4 热泵制热量与系统耗电量分析

集热器面积为250 m2时，补热模式及辅助模式下全年逐月热泵机组制热量的对比如图9所示.从图中可以看出，满足建筑物所需供暖量时的全年逐月对比中，补热模式的制热量均高于辅助模式的制热量.补热模式下热泵的全年制热量为236.44 MW·h，辅助模式下全年制热量为158.36 MW·h.

图9 不同模式下热泵制热量对比Fig.9 Heat pump heat comparison in different modes

集热器面积为250 m2时，补热模式及辅助模式下全年总耗电量的对比如图10所示.其中，总耗电量包括热泵机组耗电量和各循环泵的耗电量.从图中可以看出，1、6、12月补热模式耗电量多于辅助模式耗电量，补热模式在1月份耗电量达到20 kW·h.2、3、4、10、11月辅助模式多于补热模式的耗电量.补热模式需在6月向地埋管补热，辅助模式下在供暖期间增加太阳能，因此,耗电量也增加，补热模式下全年总耗热量为86.46 MW·h，辅助模式下全年总耗热量为83.02 MW·h.辅助模式下年耗电量相比补热模式下年耗电量降低4.26 %.

图10 不同模式下全年耗电量对比Fig.10 Comparison of annual power consumption in different modes

通过对SGSHP系统进行5年时间模拟，得到补热模式与辅助模式下的平均COP值如图11所示.从图中可以看出，补热模式与辅助模式下的年平均COP值的变化均趋于稳定，说明土壤热失衡现象得到改善.补热模式下COP平均值为3.86，辅助模式下COP平均值为4.82，辅助模式下的COP值较补热模式下提高了24.9 %.

图11 不同系统模式下年平均COP值Fig.11 Annual averageCOP value in different system modes

4 结论

模拟了包头地区住宅建筑太阳能-地源热泵系统的两种模式，补热模式和辅助模式.分析了土壤温度的变化情况、不同模式下热泵机组的制热量和系统的耗电量，以及在我国严寒地区集热器的倾斜角度最优模式下的系统性能.结论如下：

(1)集热器参数优化的条件下，即选取集热器面积250 m2时，补热模式下集热器角度为0°，辅助模式下集热器角度为50°，补热模式下土壤年平均温降为0.80 ℃，辅助模式下土壤年平均温降为0.32 ℃.补热模式下土壤温降为辅助模式下土壤温降的1.5倍.补热模式虽然在夏季太阳能资源丰富，但相对辅助模式而言，土壤恢复能力更弱.

(2)随着集热器面积的增大，两种模式下土壤温度均减小.补热模式下土壤温度变化幅度明显，辅助模式下土壤温度变化相对平缓，辅助模式可有效的改善土壤热的堆积现象.与最优集热器面积相比，选择较小的集热器面积对于土壤温度的变化影响不大.

(3)辅助模式与补热模式下SGSHP系统的机组COP平均值分别为4.82、3.86，辅助模式下COP值较补热模式下COP值提高了24.9 %.辅助模式相比补热模式下热泵机组的年制热量降低了49.3 %，年耗电量降低4.26 %.在相同制热量的情况下，辅助模式与补热模式相比，可选择型号较小的热泵机组，从而减少电能的消耗和初投资.辅助模式在土壤热失衡与系统性能方面，均较补热模式下更为优化.