太阳能辅助地源热泵联合供暖系统模拟研究

金 满,徐洪涛,张剑飞,饶江伟

（1.上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093；2.西安交通大学 能源与动力工程学院，西安 710049）

随着我国对化石能源的大量开采和利用，能源消耗引起的环境污染问题得到了人们越来越多的关注。其中，建筑能耗约占国内能源消耗总量的三分之一[1]。因此，将可再生能源应用于建筑领域逐渐成为节能研究的重点[2]。目前，在建筑领域中利用清洁可再生能源供热的方式主要为太阳能集热和地源热泵。太阳能资源丰富、便于采集，但作为单一热源使用具有寿命短、间歇性和波动性较大、易受季节和天气因素影响等问题。地源热泵通过土壤中地埋管换热器的吸放热进行制冷或供暖，具有节能环保、维护费用低、寿命长等优点，但地源热泵长期运行易导致地埋管周围土壤冷热失衡、系统换热效率降低等问题。因此，太阳能和地源热泵的联合应用技术既能够充分发挥两者各自的优势，又能弥补各自系统的不足，进而成为学者们研究的热点[3-5]。

在试验研究方面，陆游[6]对太阳能−地源热泵系统的运行模式进行了试验研究，研究表明，若该系统在供暖初期承担整个节能楼的热负荷，既不会降低机组的性能系数，还能够有效避免系统经过长期运行存在的热失衡现象。崔云翔等[4]对上海地区不同的太阳能−地源热泵联合运行模式进行了试验研究，研究表明，在并联运行模式下，蒸发器出口流体进入蓄热水箱和地埋管的比例相同时，系统的运行模式为上海地区运行的最佳模式。刘逸等[7]利用经济评价方法，通过与地源热泵、燃油锅炉、燃气锅炉和电锅炉的对比，得出太阳能−地源热泵不仅运行费用较低，且一次能源利用率最高。

在系统仿真方面，瞬时系统模拟程序TRNSYS[8]由于其模块化的分析方式，被广泛应用于建筑能耗模拟研究中。Kjellsson等[9]利用TRNSYS软件对太阳能集热器与地源热泵系统的不同组合形式进行了模拟研究，发现该联合系统在夏季利用太阳能提供生活热水、在冬季给土壤进行补热是最佳的组合形式。Rad等[10]采用TRNSYS软件对加拿大某建筑物的太阳能−地源热泵联合供暖系统进行了可行性分析，结果表明，该联合系统能够在利用太阳能的同时，将多余的热量储存到土壤中，使地埋管换热器的长度大幅度减少。郝红等[11]利用TRNSYS软件对太阳能−地源热泵与热网互补供暖系统进行仿真模拟，结果表明，该互补供暖系统同地源热泵与热网互补供暖系统相比，平均性能系数由3.167增加到4.650。Calise等[12]利用TRNSYS软件对太阳能辅助热泵系统进行了模拟研究，结果表明，该系统的热效率和电效率分别达到40%和10%以上。

为了验证TRNSYS软件模拟结果的可靠性，诸多学者将模拟与试验结果进行对比验证。邹晓锐等[13]以长沙地区某高校学生宿舍的复式热水系统为研究对象，利用TRNSYS软件对不同组合下的系统性能进行了模拟研究，并对热泵机组及地埋管的模拟值与实测值进行了对比分析，结果表明，太阳能跨季地下蓄热技术能够使热泵机组长期稳定运行，且模拟值与实测值的变化趋势相同，两者相对误差较小。季永明等[14]对大连某公共建筑的太阳能辅助地源热泵系统进行设计，采用TRNSYS软件对系统长期运行工况进行模拟，结果表明，系统实际供热量模拟结果与建筑负荷变化趋势一致，平均误差为−4%，且冬季热泵机组的性能系数显著提高。王恩宇等[15]以天津地区某高校实验楼的太阳能−地源热泵供热系统为研究对象，利用TRNSYS软件对该系统的运行策略进行模拟研究，结果表明，基于该实际工程，系统的最优运行策略为集热器出口与水箱出口温差大于15℃时启动集热，小于2℃时停止集热。

综上所述，大部分学者对太阳能−地源热泵系统的组合形式、性能提升等方面进行了研究，而针对北方寒冷地区结合不同温控策略的太阳能光伏光热系统辅助地源热泵进行联合供暖的研究较少。因此，本文基于北京市某民用节能建筑，结合不同的温控策略设计了太阳能光伏光热辅助地源热泵（PV/T-GSHP）联合供暖系统，利用瞬时系统模拟程序TRNSYS进行模拟计算，分析该联合供暖系统的节能潜力及长期运行后的土壤温度变化，为实际工程应用提供参考。

1 研究对象

将设计的PV/T-GSHP系统拟应用于北京市某民用节能建筑，该建筑主体为钢筋混凝土结构，共有4层，采暖面积约350 m2，采暖时间为2018−11−15—2019−03−15。

根据相关标准[16]并结合该民用建筑实际需求，确定供暖季室内设计温度为18℃。建筑围护结构主要参数如表1和表2所示。

表1 窗墙面积比Tab.1 Area ratio of window to wall

表2 围护结构传热系数Tab.2 Heat transfer coefficient of the enclosure structure

利用TRNBuild平台建立该民用建筑热负荷模型，利用热流平衡法计算2880 h建筑逐时热负荷，结果如图1所示。由图1可知，该建筑热负荷最大值为15.9 kW，最大单位热负荷指标为45.4 W/m2。

图1 节能建筑供暖季逐时热负荷Fig.1 Hourly heat load of the energy-saving building in heating season

2 系统设计及模拟

2.1 系统原理

PV/T-GSHP系统主要由太阳能光伏光热系统和地源热泵系统组成。其中，太阳能PV/T系统主要由PV/T集热器、分层水箱和循环水泵等组成，而地源热泵系统主要由地埋管、地源热泵、循环水泵和热用户（民用节能建筑）等组成。太阳能PV/T系统与地源热泵系统之间的热量交换通过板式换热器进行。PV/T-GSHP系统原理如图2所示。在太阳能集热循环中，分层水箱热侧出口的循环介质通过PV/T集热器，将吸收到的太阳能热量传递到分层水箱中。PV/T集热器产生的电能则储存到蓄电池中，作为系统的备用电源。在板式换热器中，分层水箱冷侧出口温度较高的循环介质将在板式换热器中加热地源热泵源侧循环介质；在地源热泵循环中，热泵源侧出口循环介质经地埋管换热器和板式换热器加热，使得地源热泵负荷侧出口的循环介质温度提高，经热用户释放热量，再回流至地源热泵。

图2 PV/T-GSHP联合供暖系统原理图Fig.2 Schematic diagram of the combined PV/T-GSHP heating system

2.2 系统部件的选择

2.2.1 PV/T集热系统的设计

a.平板型集热器的面积计算[17]。

式中：Ac,s为集热器总面积；f为太阳能保证率；QJ为建筑物热负荷；Ja为集热器采光面上的年平均日太阳能辐射量；ƞcd为集热器平均集热效率；ƞL为管路和储热设备的热损失率；Ds为当地采暖期天数；ƞs为季节蓄热系统效率。

经计算得到集热器总面积为40 m2，本系统为了在冬季获得良好的供暖效果，确定最终集热器总面积为48 m2。

b.分层水箱的容积计算[17]。

式中：V为分层水箱的容积；B为单位采光面积的分层水箱容积系数。

经计算得到水箱有效容积为1.92～14.4 m3，根据地理位置和设计参数等条件，确定分层水箱容积为3.6 m3。

2.2.2 地源热泵系统的设计

研究对象为北京市某民用节能建筑，根据地面面积、经济成本等因素确定地埋管换热器埋管方式为串联单U型垂直地埋管。

a.地埋管换热器的长度计算[18]。

式中：COP为系统的性能系数；Lh为供热工况下地埋管换热器总长度；qh为地源热泵的额定制热量；Rf为循环介质与垂直地埋管换热器内壁的对流换热热阻；Rtr为垂直地埋管换热器管壁热阻；Rb为回填材料导热热阻；Re为地层热阻；Rap为短暂的连续脉冲负荷所形成的附加热阻；Fh为供热运行份额；T∞为垂直地埋管换热器附近土壤的初始温度；Tmin为垂直地埋管换热器中循环介质的平均温度。

b.板式换热器的换热面积计算[18]。

式中：Ahe为板式换热器换热面积；Crs为分层水箱到换热器的热损失系数；Qc,max为太阳能集热器最大集热量；Cε为换热器结垢影响系数；Khe为换热器传热系数；△Th为传热温差。

经计算得到板式换热器的换热面积为4.78 m2。

TRNSYS软件中地埋管换热器模块的输入端参数包括：气象条件、土壤物性参数及管材的导热系数等，经过相关部件的选型计算，具体参数如表3所示。

为了保证PV/T-GSHP系统在供暖季的长期运行效果，在TRNSYS平台上搭建了系统仿真模型（图3）进行逐时动态模拟。

2.3 系统的温控策略

为了发挥PV/T-GSHP系统的节能潜力，提高太阳能利用率，结合当地气象参数和系统设备性能指标，制定了相应的温控策略，对PV/T-GSHP系统进行联合控制。

太阳能集热循环运行控制逻辑如下：当集热器出口介质平均温度T1与进口平均温度T4的温差高于8℃时，水泵P1开始工作；当此温差小于2℃时，水泵P1停止工作[19]。

地源热泵制热循环运行控制逻辑如下：当节能建筑功能区温度达到设计温度18℃时，水泵P3，P4停止工作；若不满足设计温度，则水泵P3，P4同时开启。

整个系统的温控策略模式流程如图4所示，运行控制模式如表4所示。

表4 PV/T-GSHP系统运行模式Tab.4 Operation mode of the PV/T-GSHP system

3 结果分析

3.1 分层水箱进出口温差

图5为系统在Mode 3模式下运行的分层水箱热侧进出口和冷侧进出口温差变化曲线。从图5可知，热侧进出口温差的变化趋势与冷侧进出口温差的变化趋势基本保持一致，表明集热器吸收的热量通过分层水箱能够将热量及时传递到板式换热器中。从图5可知，分层水箱热侧和冷侧平均温差分别为7.6℃和4.5℃。这是由于在太阳能集热循环中，循环介质通过PV/T集热器吸收的热量在分层水箱进行放热，致使分层水箱热侧进出口温差大。同时，由于系统在板式换热器中的循环介质先通过地埋管预热，使热泵源侧循环介质温度提高，与分层水箱冷侧的循环介质温差减小，换热能力下降，导致分层水箱冷侧进出口温差减小。

图5 分层水箱进出口温差Fig. 5 Inlet and outlet temperature differences of the stratrification water tank

3.2 光伏板发电量与温度

系统在Mode 3模式运行下的光伏板发电量和温度变化曲线如图6所示。由图6可知，在供暖季光伏板的平均温度为30.3℃，平均发电量为4.8 kW。在2019−01−09光伏板发电量最小为0.2 kW，主要原因是当日太阳辐射强度较低。而在2019−03−12，系统的光伏板温度最高，光伏板温度过高将导致光电转换效率降低，所以，当日的光伏板发电量下降。同时，与供暖初期和中期相比，供暖末期的光伏板发电量更大，原因在于虽然供暖季末期太阳辐射强度较大，光伏板整体平均温度较高但处于最佳工作温度范围之内[17]，光电转换效率仍然较高。

图6 光伏板发电量和温度Fig. 6 Output power and temperature of the PV panel

3.3 光电光热转换效率

系统在Mode 3模式下运行的光电光热转换效率如图7所示。由图7可知，PV/T系统的光电转换效率平均值为15.0%。在整个供暖季，PV/T-GSHP系统的分层水箱热侧出口循环介质温度较高，虽然与光伏板的温差小，冷却能力下降，但光伏板被冷却后的温度仍位于最佳工作温度范围之内[20]，所以，PV/T系统仍然具有相对较高的光电转换效率。PV/T系统的光热转换效率平均值为46.6%。在PV/T-GSHP系统中，流入板式换热器的热泵源侧循环介质温度较低，使得PV/T-GSHP系统热泵源侧循环介质与分层水箱冷侧循环介质温差变大，换热量增加，加大了分层水箱初始温度与换热后温度的温差，相应地提高了PV/T系统的光热转化效率。

图7 光电光热转换效率Fig. 7 Photoelectric and photothermal conversion efficiencies

3.4 系统性能评价

系统的性能系数COP为热泵制热量与热泵消耗电量的比值，是用来评价热泵系统性能的参数；系统的整体性能系数COPS为热泵制热量与热泵和水泵消耗总电量的比值，是用来评价热泵系统整体性能的参数。

图8和图9分别为系统在Mode 3和Mode 4模式下运行的COP和COPS对比图。从图8可知，在供暖季运行期间，GSHP系统的COP平均值仅为4.05，而PV/T-GSHP系统的COP则为4.33，与GSHP系统相比提升了6.9%。从图9可知，PV/TGSHP系统和GSHP系统的COPS平均值分别为3.86和3.5，两者相差10.3%。这表明PV/T-GSHP系统引入太阳能光伏光热联合作用，不仅实现了PV/T系统的热电输出，而且流入热泵源侧的循环介质具有更高的温度，从而大幅度地减少了热泵消耗的电能，使得PV/T-GSHP系统具有更优越的供热性能。

图8 PV/T-GSHP与GSHP系统的COP对比图Fig. 8 Comparison of COP between PV/T-GSHP and GSHP systems

图9 PV/T-GSHP与GSHP系统的COPS对比图Fig. 9 Comparison of COPS between PV/T-GSHP and GSHP systems

3.5 土壤温度变化

图10为PV/T-GSHP和GSHP这2个系统运行10 a地埋管周围土壤温度变化对比曲线，土壤初始温度为14.2℃。从模拟结果可知，地埋管周围土壤温度呈逐年下降趋势。经过10 a运行，PV/TGSHP系统土壤温度为13.1℃，整体降低8.0%，而GSHP系统土壤温度为11.0℃，降低幅度为22.3%。PV/T-GSHP系统的土壤下降速度远低于GSHP系统，其原因在于PV/T-GSHP系统中太阳能的输入使得热泵源侧的循环介质减小了与土壤的换热量。

图10 PV/T-GSHP与GSHP系统10 a内土壤温度对比Fig.10 Comparision between the soil temperature in 10 years by using PV/T-GSHP and GSHP systems

4 结 论

针对北京市某民用节能建筑设计了一套太阳能光伏光热辅助地源热泵（PV/T-GSHP）联合供暖系统。为了提高系统的整体供热性能，作者结合当地气象参数和设备性能指标对系统运行制定了温控策略，提高了太阳能的利用率。利用TRNSYS软件对PV/T-GSHP系统和GSHP系统在供暖季运行进行了模拟分析。整个供暖季，PV/T系统的光电和光热平均转换效率分别达到15.0%，46.6%，PV/T-GSHP系统的COP和COPS相比GSHP系统分别提升了6.9%和10.3%。PV/T-GSHP系统的土壤温度降幅远小于GSHP系统。