太阳能辅助地埋管地源热泵系统的研究现状及展望

刘逸，秦羽，宁浩然，徐莹，刘冰冰，陈培强

（1.哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨，150028；2.江苏四季沐歌有限公司，江苏连云港，222000）

引 言

近年来，环境污染、全球变暖和能源短缺等问题促使世界各国对可再生能源的利用越来越重视。在我国，建筑能耗占全国总能耗的比重较大，因此，可再生能源的开发和利用也被提升到了国家战略地位［1］。进而以土壤为冷热源的地埋管地源热泵技术得到了快速的发展，但因其在严寒地区为建筑供暖会引起严重的土壤热失衡问题［2］，进而相关学者提出利用太阳能辅助地埋管地源热泵系统为建筑供能，以期改善采用单一土壤热源供能的弊端。在相关学者的共同努力下，该技术逐渐成熟，其应用已涉及到融化路面积雪［3］以及西瓜的反季节种植［4］等领域。经查阅，J.Chu等人［5］针对加拿大住宅利用该耦合系统供暖的最佳设计方案进行了综述，发现不同学者采用不一致的判优指标，致使比较不同系统供暖的最佳设计方案难度加大；Z.Wang等人［6］针对该耦合系统对建筑所需生活热水加热方面进行了综述；M.Mohanraj等人［7］针对该耦合系统中制冷剂的选取以及系统的环境效益进行了综述；S.Poppi等人［8］针对该耦合系统的经济性进行了综述并提出减少初投资为未来研究方向之一。

既往研究主要是对该耦合系统的某一方面进行了分析讨论，而针对该耦合系统的综合性分析较少，这使得现有综述相对片面化。鉴于此，本文对该耦合系统的国内外相关研究进行了概括总结，分析了系统中主要部件及运行方案的相关优化研究，并结合实际工程讨论其经济适用性，提出了目前研究的不足之处。本文研究工作将为该耦合系统优化设计及未来研究工作提供新思路。

1 耦合系统中部件配置优化研究

1.1 集热器优化研究

目前，国内外学者对本文所讨论的复合式热泵系统中太阳能集热器的优化研究主要集中在真空管式太阳能集热器，但也有学者对平板式、槽式太阳能集热器做了一定程度的研究。

Wang等人［9］将太阳能辅助地埋管地源热泵系统应用到一栋住宅建筑中并对系统供能过程中的主要参数进行整理分析，提出了水箱容积与集热器面积的最佳配比。此外，也有学者提出应根据钻孔深度选择集热器面积［10］。季永明等人［11］对工程经验法、太阳能保证率法［12］及土壤热平衡法［13］这几种方法的优缺点分别进行了讨论并提出了优化后的平衡法，其数学解析式见式（1）。随后，在其他工况不变的条件下，利用TRNSYS瞬态模拟软件对利用该方法设计的太阳能集热器面积能否维持系统模拟以年为周期运行后的土壤热平衡。结果表明：改进后的热平衡法较原方法下设计的太阳能集热器具有更好的蓄热性能。

式中，Qh— 建筑所需热负荷，W；qscw—供暖季集热器单位面积集热量，kWh/m2；COP—机组制热性能系数；Qc— 建筑所需冷负荷，W；EER—机组制冷性能系数；qsct过渡季集热器单位面积集热量，kWh/m2；α—太阳能蓄热比；Qd—年土壤表面净得热量。

Vega等人［14］利用数值模拟软件对智利的五层住宅类建筑进行热计算，随后模拟了使用真空管式、平板式集热器的耦合系统供能效果，结果表明：真空管式集热器的供热COP为4.88，平板型集热器的供热性能系数为4.64；真空管式集热器较平板式集热器更适合应用在太阳能辅助地埋管地源热泵系统中，这一结论同样得到了相关学者的认可［14］。李瑞等人［16］通过对北京地区的住宅案例以土壤年平均温度偏移率大小为设计太阳能集热器面积方法的判优依据，结合图1的集热器面积计算流程图，利用模拟软件反复调整集热器面积的10 %从而确定最优集热器面积。

图1 集热器面积计算流程图

高文龙［17］等人通过数值模拟的手段得出可以满足土壤热平衡的最小集热器面积，随后分析了为满足土壤热平衡下的六种集热器面积的15a运行费用之和以及耦合系统初投资，并将两者作为供能的总投资进行对比，从而得出相对最为合适集热器面积。最后以同样的方法拟合出土壤导热系数与相对最佳集热器面积之间的关系以及单位建筑面积与集热器面积的函数关系。综上所述，大部分学者对于太阳能集热器面积优化问题均考虑其外在因素，而究其自身因素对集热器效率的影响研究较少。但也有少部分学者提出集热器自身温度过高也会在一定程度上影响其集热效率，进而本文所讨论的耦合系统中太阳能集热器面积优化问题仍需解决。

1.2 地埋管换热器优化研究

地埋管作为太阳能辅助地埋管地源热泵系统的主要换热装置，加强其换热研究的重要性不言而喻。与其相关的研究大体可分为换热器外在因素、内在因素两个部分，国内对于换热器强化换热的研究已经取得了一定的成果。

1.2.1 基于换热器外在因素的强化换热研究

目前，对于地埋管换热器的外在换热影响因素主要包括（目前，影响地埋管换热器外在换热的主要因素有）：钻孔内回填材料的选取、换热器内部流体参数的确定以及地下水渗流的影响［18］。学者们对地埋管强化换热研究的手段主要为实验、数值模拟［19］以及两者的结合。汤盼城等人［20］在对地埋管换热器的实测中发现，钻孔内实际的导热热阻与理想的热阻在数值上有一定的差距，这将导致供能系统建成前的设计计算存在一定的误差，影响换热器的取放热情况进而影响系统整体性能。陈红兵等人［21］利用方程离散和编程求解得出：地下水渗流速度越大，换热器换热效果越好；埋管内流体流速增加未必会提升换热器的换热性能。李璐等人［22］以砾砂作为回填材料对有无渗流工况下的换热器周围温度场变化情况进行研究。研究结果表明：在无渗流工况下，随着热负荷的增加，温度场达到稳定的时间越长；咋有渗流工况下，温度场达到稳定的时间比无渗流时用时减少。刘逸等人［23］对有无渗流工况下的地下温度场进行了模拟，并得出如图2的温度场云图，从图中可以直观看出地下温度的变化情况。王楠等人［24］利用FLUENT流体仿真软件对土壤分层对换热器换热性能的影响，土壤分层模型图如图3所示。研究结果表明：导热系数大的土壤位于整体结构的上半部分时，对换热器换热性能起到积极的作用；土壤各层间壁面温度稳定时间不同；利用土壤分层模型确定地埋管间距，对土壤层次分明的地区显得尤为重要。

图2 有无渗流工况下土壤温度场云图

图3 土壤分层模型

朱丽等人［25］分析了流体入口温度为30 ℃、40 ℃、50 ℃时的换热器换热性能以及流体流速为0.1 m/s、0.3 m/s、0.5 m/s时的埋管侧温度分布特性。研究结果表明：入口温度为40 ℃、50 ℃时，换热器换热效果最佳；流速为0.3 m/s、0.5 m/s时，埋管侧温升幅度较小。也有学者提出0.4～0.6 m/s为换热器内部流体最佳流速，在这一范围内的流体流速在一定程度上减少了水泵出力进而降低了系统能耗，节约运行成本［26］。在导热系数大的土壤区域内，换热器内流体流速及温度对换热性能的影响更为显著［27］。杨卫波等人［28］分析了相变回填材料对换热器换热性能的影响。采用相变材料回填后，钻孔侧土壤平均温度波动明显降低，有效缓解了土壤热失衡问题。但混合型相变材料的配比对换热器换热性能的影响同样不可忽视，实际工程中需参考目标建筑的冷热负荷进行设计［29］。此外，王畅等人［30］分析了相变材料的相变温度对地埋管换热性能影响，和普通材料相比，工程中若采用相变温度为18 ℃的相变材料进行回填，换热器换热性能将大幅度提升。

综上所述，相关学者对于换热器换热性能的外在因素已经做了较为充分的研究，但理论与实际项目的结合较少，这有待后续学者进一步探讨。

1.2.2 基于换热器自身因素的强化换热研究

近年来，有关地埋管换热器强化换热的自身因素影响研究主要包括：换热器自身结构及地埋管材质的影响。然而对于单、双U型的垂直埋管换热器、管道材质以及换热器布置形式（顺排、插排）相关的研究概况已经有了较详尽的概述［31］，为此本文在这一部分仅对相关研究的最新进展进行综述。危日光等人［32］基于CFD技术讨论了垂直双U型地埋管换热器的传热热阻变化特性，发现管内及钻孔外热阻基本不受管间距及钻孔半径的影响，钻孔内热阻会随着管间距的增大而减小，这一趋势呈线性分布。杨卫波等人［33］对水平螺旋式埋管换热器进行分析，发现地下水位在4.2 m以上时，埋管侧热量流失快。水平埋管敷设在地下1～2 m 处时，受大气温度影响较大，通过研究发现在桂林地区采用这一敷设方式的合理埋深为2.5 m，埋管间距为2 m［34］。张爽等人［35］对四种不同桩基长径比进行分析，发现桩基长径比对桩基型换热器换热性能影响较大，长径比越大，换热器换热量越大，进而导致由温差产生的桩身轴力、顶部位移以及侧摩阻力增大。杜甜甜等人［36］对套管式中深层地埋管换热器的额定取热量进行了分析，结果发现浅层处的土壤导热系数越小、深层土壤的导热系数越大，换热器换热性能越好。进而在设计过程中应选择合适的地理位置埋设换热器，以期得到更好的换热性能。套管内的循环流体在允许的范围内应取最大值，外管径取小内管径取大，这有利于换热性能的提升。Hamid Nareia等人［37］为了找出可以替代高密度聚乙烯复合材料的埋管进行了一系列可靠性实验，发现了将10 wt%的低温原位可膨胀石墨添加到到高密度聚乙烯管中成为一种新的复合材料，可以减少68 %的埋管长度，但因缺乏静水压力测试，新引入的复合材料仍需进一步研究。

1.3 集热器与地埋管换热器最佳配比研究

太阳能辅助地埋管地源热泵系统中包含两大热量转换装置，即太阳能集热器、地埋管换热器。这两大部件之间的合理搭配必然直接影响该耦合系统的供能性能，杨泉等人［38］选取寒冷地区作为实验地点对该耦合系统中两大部件的配比关系进行了研究并得出两者之间的线性拟合曲线，如图4所示。进一步得出：寒冷地区采用该耦合系统联合供暖时，太阳能集热器面积提升1 m2，地埋管长度可节约4.09 m，这对于地质条件差，钻井造价大的地区具有一定的参考价值。刘杰等人［39］针对严寒地区代表性城市哈尔滨分析了集热器面积与换热器长度关系，并以此得出严寒地区两者之间的推荐值，对应的数学解析式为：

图4 集热器面积与地埋管换热器的拟合曲线

式中，α—非供暖季与供暖季太阳能辐射量之比；β—非供暖与供暖时长之比；γ—该地区负荷率；φ—地埋管换热器单位延米换热量，W/m；e—土壤修正系数（具体数值于地点有关，东北黑土取1）。

此外，一些学者［40，41，42］通过大量具有重复性实验的可靠性结果均表明太阳能集热器与地埋管换热器之间呈现出反比的关系。

2 耦合系统运行方案优化及经济性分析

2.1 运行方案

合理设计太阳能辅助土壤源系统的运行方案是应用该耦合系统的关键所在，系统在运行过程中各子系统之间的能量输运及转换很大程度上依赖于运行控制策略，这使得深入研究系统运行方案显得尤为重要。Verma等人［43］提出了该耦合系统在白天利用太阳能对土壤蓄热，夜间利用土壤本身的热量以及白天蓄存的热量进行供暖的运行模式，有效的提升了系统供暖COP。Wang等人［44］提出了土壤在晴天吸收并储存的热能在冬季作为热泵的输入源的运行模式。太阳能集热器在采暖模式下直接提供约49.7 %的热负荷。在一年的运行中，热泵从土壤中提取了大约75 %的储存热量，系统COP得到了很大的提高。Aleksandar等人［45］根据普罗夫迪夫地区典型的土壤和气象条件，着重针对土壤补热问题，提出五种适合该地区太阳能-地埋管地源热泵耦合系统的运行模式。蔺瑞山等人［46］提出三种运行模式，即太阳能集热模式、辅助供暖模式及单一土壤源热泵供暖模式。采用集热出口与水箱出口温差控制太阳能集热系统，水箱温度控制辅助供暖模式的启停，以室内温度控制系统供暖模式的启停。经过一个采暖季的运行后，采暖季室内平均温度达19.1 ℃，室温波动幅度较小，满足建筑热舒适性的要求。钟晓辉等人［47］在前人的基础上将运行模式按季度进行划分，添加了春秋季利用太阳能对土壤补热模式并在此运行模式下系统有效削弱了土壤热失衡问题。Yang等人［48］采用三种混合模式对地源热泵与太阳能辅助地埋管地源热泵系统的性能进行了比较。三种模式分别为：太阳能集热器与地埋管换热器串联：载热流体先流经地埋管换热器，再流经太阳能集热器；载热流体先通过太阳能集热器，再通过地埋管换热器。以及太阳能集热器与埋地线圈并联。研究结果表明，在蓄热和不蓄热情况下，地源热泵在混合模式下运行较传统地源热泵分别节约了约14.5 %和10.4 %的能量。

Giuseppe等人［49］针对寒冷地区六个城市的气候环境，采用数值模拟的方法将运行模式分为供暖模式及非供暖模式并确定出适合当地的最优运行控制策略。Evgueniy等人［50］提出一种人工神经网络（ANN）的控制方法，在其控制下的系统运行成本较常规开关控制节约81 %左右，但可能造成未满足室内环境舒适度的时间增加。李瑞等人［16］在季度划分运行模式的基础上提出主要部件的控制逻辑，控制逻辑流程图如图5所示，系统运行10a后，土壤平均温度偏移率仍保持在1 %左右。崔云翔等人［51］对蒸发器出口流体流入蓄热水箱和换热器的不同比例进行分析，得出比例为1:1时为系统并联运行的最佳流量比例，采用串联运行时，流体先经地埋管后经蓄热水箱的供能效果较好。Putrayudha等人［52］提出了一种模糊逻辑控制器（FLC）方法使该耦合系统的能量消耗最小化。结果表明，相对于传统的开关控制方法，FLC可降低18.3 %的年能耗。Kokogiannakis［53］等人提出了一种基于模型的太阳能辅助地埋管地源热泵系统结合光伏热收集器系统的理想控制方法。结果表明，使用该耦合系统的控制策略可有效减少能耗损失。Emmi等人［54，55］分析了太阳能集热器对6 个冷区太阳能辅助地埋管地源热泵系统效率的影响。并采用合适的控制策略对系统进行了10 年的仿真，结果表明系统的能效是不受季节变化影响的。

图5 控制策略流程图

2.2 经济性分析

该耦合系统的初投资较传统供能系统高，但其运行成本低，投资回收期较短［56］。Mohanra等人［57，58］从技术、经济和环境角度对该耦合系统进行了评价。认为该耦合系统是一种有利的采暖设备，但其初投资成本高是其在全球市场上竞争的主要障碍。Lazzarin［59］对该耦合系统和单一地源热泵系统的性能进行了比较。结果表明：与单一地源热泵系统相比，耦合系统的换热器长度更短，因此换热器投资成本更低。刘逸等人［60］对该耦合系统的运行成本进行了分析，发现耦合系统在供暖期的运行费用比锅炉低3.8 %，比单独采用土壤源热泵系统供暖运行费用低6.6 %，比燃油锅炉运行费用低122 %。

尽管该耦合系统应用在某些地区的节能性较传统供能系统有显著优势，但也面临着地域性推广应用的问题。金光等人［61］对该耦合系统的经济性进行分析，发现若折现率超过8%，系统将无法获得经济回报；若折现率为8 %时，投资回收期高达27a。相关学者［62］提出系统间歇运行模式较连续运行模式更能提升系统COP，但也有学者提出在渗流条件下，地埋管换热器连续换热较间歇换热的换热量少，但连续运行模式的运行时间是间歇运行模式的两倍，最后导致连续运行模式的总换热量较间歇模式更高［21］。从这一点来看，若想广泛应用这一新技术替代传统供暖系统仍然任重而道远。现将具有代表性意义的该耦合系统供能性能及经济性相关的研究汇总如表1所示。

从表1可以看出，太阳能辅助地埋管地源热泵系统的机组COP平均可达4.35，系统能效较高。系统投资回收期从6到27年不等，系统初投资受当地物价以及人力资源的影响较大，即使是针对同一地区的研究，投资回收期也会因时间的改变而改变。因此，太阳能辅助地埋管地源热泵技术的发展前景可观，值得深入研究。

表1 太阳能辅助地埋管地源热泵系统性能研究

3 结论及展望

本文全面系统的论述了太阳能辅助地埋管地源热泵系统近年来的研究现状，分析了该系统中太阳能集热器、地埋管换热器的优化研究以及系统运行方案的优化措施，并结合实际工程讨论了其经济适用性。

在以往的研究中，与太阳能辅助地埋管地源热泵系统优化有关的一般问题，似乎没有得到较为广泛的讨论，且在研究的过程中仍存在一些问题，如下：

（1）以土壤为热源时，土壤特有（具有）的热惰性致使土壤内部的导热受到抑制，依靠土壤自身回温解决土温失衡问题的效率较差；另严寒地区冬季室外温度较低，土壤与近地面低温空气进行对流换热，造成土壤热量流失较严重。因此，夜晚依靠土壤本身热量和白天用太阳能蓄热的热量进行供暖这一模式在严寒地区可行性有待进一步探究；

（2）在不同的运行模式下，系统各组件之间的能量流动过程较为复杂且没有详细的计算方法，实验过程中也可能存在误差。另外，在实际工程应用中，太阳能辅助地埋管地源热泵系统的运行年限较长且严寒地区供暖期长达4～6月之久，而现有文献中部分实验的研究时间较短，采暖模式的实验必须进行长周期的测试；

（3）目前，绝大部分研究只分析该系统在供暖中的应用，因此，为更好的研究该系统的适用性，需深入研究该系统在制冷及生活热水方面的应用；

（4）虽然该系统的能效不受季节变化的影响，但其机组在不同季节会呈现不同的性能优劣，因此，需要对该系统在供暖季和供冷季的机组性能变化作进一步研究；

（5）在研究过程中若以模拟情况下所得值进行分析，应综合考虑当地的土壤条件、日照强度等因素是否与研究对象一致，以避免造成不必要的损失。

该耦合系统在减少一次能源消耗方面起着至关重要的作用，对实现碳中和，建立清洁低碳、安全高效的现代能源体系具有重大的战略意义。综合目前对该耦合系统的研究现状，提出以下几点展望：

（1）针对此耦合系统的推行应从因地制宜的角度出发，深入开展研究工作，使得此耦合系统的适用区域更广泛；

（2）相关学者应在现有研究的基础上更深层次的优化该耦合系统的运行模式及控制策略，以期最大化的利用太阳能和地热能；

（3）由于系统过于庞大，通过数值模拟的方法进行相关研究可以节约一定程度的实验成本，但热力学分析过程较复杂，进而应开发有针对性的数值模拟软件并在建模过程中加强模型可靠性验证，使模拟结果更具有准确性；

（4）未来应进一步研究其他控制策略，以便更为详细地探讨混合系统的潜在优势和可能的缺点。