独立双埋管太阳能辅助土壤源热泵系统模型建立与影响因素分析

王 芸 端木琳 李祥立 仝 仓

(大连理工大学建筑工程学部 大连 116024)

Model and Parametric Analysis of Solar-assisted Ground-source Heat Pump System with Dual Independently Buried Tubes

Wang Yun Duanmu Lin Li Xiangli Tong Cang

(Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, 116024, China)

AbstractA solar-assisted ground-source heat pump system is an excellent way of supplying clean energy in extremely cold regions. In this system, the solar energy collection and storage system has different connection and operation modes from the ground-source heat pump system. The running time of the solar system directly affects the thermal recovery characteristics of the soil. In this study, a solar-assisted ground-source heat pump system with a year-round heat storage was established based on the TRNSYS platform. A simulation calculation method for a soil heat accumulator with double independently buried pipes was proposed. The simulation results were compared to the field test data. Based on the actual project of a public building in Dalian, the operating parameters, which greatly influence the total operating energy consumption and the soil temperature change rate of the system, were obtained using an orthogonal experimental design and TRNSYS simulation. Their influence laws were subsequently analyzed. The results showed that the total operating energy consumption of the system positively correlated with the water supply temperature of the heat pump in winter, load-side water flow rate, and soil-side water flow rate. It negatively correlated with the water supply temperature of the heat pump in summer. When the cumulative heating and cooling capacity ratio was 1.31, the total operating energy consumption of the system negatively correlated with the start-up temperature of the heat storage. When the ratio was 2.32, it positively correlated with the start-up temperature of heat storage and when the ratio was 1.77, the start-up temperature of heat storage was 35 ℃, and the energy consumption of the system was the lowest. The change rate in the soil temperature negatively correlated with the start-up temperature of heat storage. The operating time and parameters of the solar system were adjusted according to the heating and cooling ratios of the system.

Keywordssolar energy; ground-source heat pump; TRNSYS; model establishment; influence factors

我国地域辽阔，有丰富的太阳能与地热能资源，将太阳能与地热能结合可以弥补太阳能与地热能单独使用时存在的缺陷。太阳能与土壤源热泵系统结合应用于实际工程时存在多种连接方式和运行模式：土壤源热泵单独供热/供冷、太阳能蓄热水箱与地埋管串联/并联供热、太阳能集热器直接供热、太阳能蓄热水箱直接供热、太阳能蓄热水箱联合热泵供热、太阳能向土壤蓄热等。研究人员通过实验或模拟对系统不同运行模式进行了多方面研究。

危日光等[1-2]研究表明太阳能与土壤源热泵结合可以提高热泵机组性能和系统性能。A.Girard等[3]分别模拟了19个城市的传统土壤源热泵系统和太阳能辅助土壤源热泵系统，结果表明，前者耗电量均大于后者，两个系统回收期均在寿命范围内，均具有经济性，且在太阳辐射强的地区，集热器对热泵性能影响更大。S. H. Razavi等[4]通过TRNSYS模拟了5种太阳能辅助地源热泵系统组合情况，对比表明，能耗均低于地源热泵系统，最高降低了8.7%。郑志涛等[5]设计了蓄热型太阳能地源热泵系统，结果表明，该系统经济效益明显，蓄热水箱和地埋管换热器间歇运行有利于地下土壤温度的恢复。李素芬等[6]建立了太阳能辅助地源热泵系统数学模型，研究了不同动态负荷下系统的供暖特性。郝红等[7]通过TRNSYS平台建立了太阳能-土壤源热泵与热网互补供暖系统仿真模型，结果表明，相比于土壤源热泵与热网互补供暖系统，太阳能-土壤源热泵与热网互补供暖系统提高了蒸发器进出口水温、系统性能系数，增加了热网运行时间。E.Kjellsson等[8-9]利用TRNSYS软件模拟了太阳能系统在太阳能辅助地源热泵系统中不同运行模式的运行特性，确定了太阳能系统最佳运行模式。

Liu Long等[10]通过实验研究了太阳能系统过渡季或夏季蓄热的可行性，蓄热量占太阳能总辐射量的50.2%。芦子健等[11]提出了蓄热式太阳能土壤源耦合系统，系统采用两组地埋管，可进行蓄热期两组地埋管蓄热、供冷期一组地埋管蓄热和另一组地埋管供冷、供热季两组地埋管并联供热以及供热季太阳能耦合两组地埋管串联供热4种运行模式。通过TRNSYS建立系统仿真模型，模型中使用两个地埋管模块进行模拟研究，证明了系统在严寒地区的适用性。葛凤华等[12]利用TRNSYS建立太阳能土壤源热泵系统仿真模型，地埋管系统分为两组，冬季所有地埋管供热；夏季，一组地埋管供冷，另一组补热；过渡季所有地埋管补热。通过模拟将两组地埋管井数与负荷相互匹配，使得两组地埋管温度场恢复到同一水平。Wang Xiao等[13]通过实验研究了太阳能季节性蓄热式太阳能辅助地源热泵系统运行特性。冬季太阳能和所有地埋管交替耦合热泵供热；过渡季所有地埋管蓄热；夏季一组地埋管蓄热，另一组地埋管供冷；该系统热泵从地埋管的取热量占季节性蓄热量的75.5%，太阳能直接供热量占总供热量49.7%，提高了系统性能系数。

P. Eslami-nejad等[14]提出可预测带有两个独立环路的双U形埋管钻孔稳态传热的分析模型，其中一环路应用于热泵冬季供热模式，另一环路与太阳能集热器直接相连，考虑两环路的流体和埋管热阻及其热相互作用，预测了两环路沿钻孔深度的流体温度分布，评估了单孔两环路入口温度(各自恒定)与流量(可变)对各环路传热影响，并将其应用于单孔住宅系统中，结果表明，太阳能补热虽未显著降低热泵年运行功耗，但减少了系统钻孔长度，可降低成本。F. M. Rad等[15-17]研究也表明系统中加入太阳能集热器可以减少地埋管长度和安装成本。随着累计热负荷与累计冷负荷比值的增大，减少的地埋管换热器长度与太阳能集热器面积比值减小，后者比值越大，太阳能辅助地源热泵系统可行性越高。

目前的研究和工程应用中，太阳能辅助土壤源热泵系统中土壤源热泵环路与太阳能蓄热环路通常共用一组地埋管，土壤源热泵系统冬季供热，夏季供冷，过渡季停止运行，太阳能系统向该组地埋管蓄热。而当太阳能系统需要全年蓄热运行时，系统设置两组地埋管。冬季土壤源热泵系统使用两组地埋管同时供热；夏季土壤源热泵系统使用其中一组地埋管供冷，太阳能系统使用另一组地埋管进行蓄热；过渡季太阳能系统同时向两组地埋管蓄热[11-13]。从土壤热平衡的角度出发，太阳能集热系统最根本的目的是向土壤蓄热，为此，季永明等[18]提出了独立双埋管太阳能辅助土壤源热泵系统，该系统的太阳能蓄热系统与土壤源热泵系统相互独立，并各自对应一组地埋管系统。冬季土壤源热泵系统使用热泵地埋管供热，夏季土壤源热泵系统使用热泵地埋管供冷，太阳能系统使用蓄热地埋管全年运行。

研究人员针对不同形式不同功能的太阳能耦合土壤源热泵系统中的系统设备参数和控制运行参数进行了实验或模拟，分析了参数对不同目标的影响，并对参数进行优选同时给出建议范围。邹晓锐等[19]以费用年值为目标对集热器面积、水箱容积及机组启停设定温度进行了优化匹配。S. Rayegan等[20]使用多目标遗传算法确定系统可行的优化设计参数，结果表明，可根据热舒适性及太阳能利用率来确定最佳再生温度、地埋管钻孔数量、集热器面积。徐飞等[21-23]模拟分析了系统参数(蓄热流量、水箱体积、集热器面积、地埋管换热器结构等)和控制参数(集热泵启动设定温度、蓄热时间、蓄热温度等)对土壤蓄集热特性的影响。王孟等[24-26]研究了机组设定温度、水泵频率、太阳能集热器面积与地埋管长度、发生器与冷凝器温度等对系统性能的影响。

独立双埋管太阳能辅助土壤源热泵系统与常规系统不同之处在于两组地埋管分为常规井和蓄热井，蓄热井中设置两个U形地埋管，分别与土壤源热泵系统和太阳能系统连接。与文献[11-13]不同的是，本文系统的两组地埋管共用同一个土壤区域，在供冷季或供热季，地埋管联合热泵向系统供冷或供热的同时太阳能系统对应的地埋管仍然可以向同一土壤区域蓄热。蓄热井在整个地埋管区域的中心，数量上少于常规井，这样可以保证蓄存的热量不易散失；太阳能蓄热用的U形管与热泵用的U形管在一个钻孔内，二者仅交换热量，因此该埋管方式还可以边蓄边用。虽然两组地埋管系统运行互不影响，但经过长时间运行，来自太阳能并蓄存在土壤中的热量，会对蓄热井周围的土壤温度有较大影响。S. Chapuis等[27]通过修改TRNSYS中Type557对应的地埋管传热模型 (duct ground heat storage model，DST)的局部传热计算代码来模拟均包含两个独立环路的钻孔群，修改后钻孔半径处新边界条件有两个传热量，忽略钻孔中两个U形管间热短路效应及其中一个U形管由于稳态热流产生的地温变化，通过对案例模拟表明，该钻孔形式可以降低蓄热体热损失，太阳能集热器平均效率达58%。与文献[27]不同的是，本文系统中热泵地埋管与蓄热地埋管数量并不相同且太阳能集热器并未直接与蓄热地埋管相连，但若采用两个互不相关的地埋管模块进行仿真模拟，则与实际系统运行情况并不相符。而目前有关该独立双埋管太阳能辅助土壤源热泵系统模型建立的研究较少，全面性研究系统运行参数也较少。本文基于TRNSYS软件通过合理简化地埋管连接和地埋管内部热平衡计算建立了适用于该系统的模型，并针对大连某公共建筑实际工程对此系统进行了正交试验设计与模拟，得到对系统运行能耗与土壤温度变化率有重要影响的运行参数并分析影响规律。

1 模型建立

1.1 热泵模型

本文模型采用文献[28]开发的热泵机组模块，该模块使用半经验模型拟合出热泵容量和能耗的表达式来对热泵机组进行建模，根据热泵样本参数可拟合出表达式中各系数大小。不同运行工况下满负荷运行容量系数和耗功量系数与蒸发器水流量、冷凝器水流量、蒸发器出口水温、冷凝器进口水温有关，部分负荷耗功量系数与部分负荷率有关。以制冷为例，各代数表达式[28]为：

CAPrcool=a1+b1rme+b2rme2+c1rmc+c2rmc2+

d1rTeo+d2rTeo2+e1rTci+e2rTci2+f1rTeorTci

(1)

Pr1cool=a2+b3rme+b4rme2+c3rmc+c4rmc2+d3rTeo+

d4rTeo2+e3rTci+e4rTci2+f2rTeorTci

(2)

Pr2cool=a3+b5PLR+c5PLR2

(3)

PLR=Q/CAPmax

(4)

式中：CAPrcool为热泵制冷满负荷修正系数；Pr1cool为热泵制冷满负荷修正系数；Pr2cool为热泵制冷部分负荷修正系数；rme、rmc、rTeo、rTci分别为蒸发器流量、冷凝器流量、蒸发器出口温度、冷凝器进口温度与额定设计工况的比值；PLR为部分负荷率；CAPmax为满负荷制冷容量，kW；Q为当前负荷，kW；a1～a3、b1～b5、c1～c5、d1～d4、e1～e4、f1～f2为表达式拟合系数。

1.2 系统构成

图1所示为独立双埋管太阳能辅助土壤源热泵系统原理，系统包括土壤源热泵系统和太阳能系统两个子系统。土壤源热泵系统用于冬季供热，夏季供冷，通过冬夏转换阀门实现运行工况的转换；太阳能系统原则上全年可以蓄热运行。两个子系统各自对应于一组地埋管换热系统，蓄热地埋管在常规地埋管区域的中间。图2所示为系统地埋管的布置连接，其中a、b、c环路代表土壤源热泵系统对应的地埋管系统，d环路代表太阳能系统对应的地埋管系统。蓄热埋管与部分常规埋管共用同一地源井，地源井7与9均为太阳能系统的蓄热井，蓄热井中分别设置两个单U形换热器，其中一个与土壤侧埋管支路供回水管连接，另一个与蓄热环路供回水管连接(共计4个U形管)；其余地源井均为土壤源热泵系统的换热井(冬季取热，夏季放热)，井中均设置一个双U形换热器。两地埋管系统共用同一区域，蓄热地源井在此区域中分散布置，运行互不影响。

T1热泵用户供水温度；T2热泵用户回水温度；T3热泵土壤供水温度；T4热泵土壤回水温度；T5集热器进口温度；T6集热器出口温度；T7土壤蓄热进口温度；T8土壤蓄热出口温度。图1 独立双埋管太阳能辅助土壤源热泵系统原理Fig. 1 Principle of solar assisted ground-source heat pump system with independent double buried pipe

图2 系统地埋管布置连接Fig. 2 Layout and connection of the buried pipe

1.3 地埋管区域模型

针对上述双埋管太阳能辅助土壤源热泵系统建立地埋管区域模型时，由于土壤源热泵与太阳能系统同时运行时，两个地埋管系统在蓄热井处存在局部互相热影响，而且蓄热地埋管位于热泵地埋管中心，两子系统共同作用于埋管所在土壤区域，会出现同时向土壤取热和蓄热的情况。随着运行时间的增加，影响越大，使用两个地埋管模块来分别模拟两个地埋管系统无法模拟出该影响，因此考虑到长期运行太阳能系统对整体土壤的热影响，在TRNSYS软件中使用一个地埋管模块Type557进行模型的建立。使用一个地埋管模块进行模型建立时，对地埋管侧连接进行简化。由于土壤源热泵系统和太阳能系统共用一个土壤区域，如图3所示，将土壤源热泵系统土壤侧输出流体和太阳能侧水箱蓄热输出流体混合后作为地埋管模块的输入，简化后该地埋管运行分3种工况。

图3 地埋管连接简化Fig. 3 Simplified connection of buried pipes

工况1：当土壤源热泵系统不运行，太阳能系统运行时，地埋管模块输出流体即为太阳能侧水箱蓄热输入流体，地埋管模块输出流体的流量和温度分别为太阳能侧水箱蓄热输入流体的流量和温度。

工况2：当土壤源热泵系统运行而太阳能系统不运行时，地埋管模块输出流体即为土壤源热泵土壤侧输入流体，地埋管模块输出流体的流量和温度分别为土壤源热泵土壤侧输入流体的流量和温度。

工况3：当土壤源热泵系统和太阳能系统同时运行时，土壤源热泵系统土壤侧输出流体和太阳能侧水箱蓄热输出流体混合后的总流量为地埋管模块输入流体的流量，混合后的温度为地埋管模块输入流体的温度。

由于地埋管模块输出流体温度为土壤源热泵系统土壤侧输入流体温度，地埋管输出流体温度并不等于太阳能侧水箱蓄热进口温度，因此需要对太阳能侧水箱蓄热进口温度进行计算。通过地埋管模块内部热平衡，本文推导出太阳能侧水箱输入流体温度公式(5)～(7)，并将公式编制成计算模块放入TRNSYS的“Type Txuout”模块(见图4)。

(6)

Qrb=4.18Mrb(Trbin-Trbout)

(7)

式中：Txuout为太阳能系统蓄热出口温度，℃；Txuin为太阳能系统水箱出口温度，℃；Tout为过渡季土壤蓄热出口温度，℃;Qtyn为太阳能系统给土壤的蓄热量，kJ/h；Mxu为太阳能蓄热流量，kg/h；Sh、Sc、Ss分别为太阳能系统在冬季、夏季、过渡季是否运行的信号，是为1，否为0；Qrb为热泵运行时与土壤侧的换热量，kJ/h；Qfluid为热泵侧土壤进口与太阳能侧土壤进口混合流体与土壤的换热量，kJ/h；Mrb为热泵土壤侧流量，kg/h；Trbin、Trbout分别为热泵运行时土壤侧进出口温度，℃；

1.4 系统运行方式

根据系统流程基于地埋管区域模型建立TRNSYS仿真模型，如图4所示。热泵的运行与负荷密切相关，热泵运行数量由建筑负荷的大小决定。当负荷小于单台热泵额定容量的15%时，热泵不运行；当负荷大于单台热泵额定容量的15%并小于单台热泵额定容量的100%时，单台热泵运行；当负荷大于单台热泵额定容量的100%时，两台热泵运行。用户水泵、热泵土壤侧水泵各两台并联连接，可按照设定的控制策略运行。用户负荷由外部文件导入。模型中热泵的运行由模块Type14和方程来控制。

太阳能系统分为太阳能集热循环和太阳能蓄热循环。集热循环由太阳能集热器出口温度与水箱温度控制，当温差大于7 ℃时，集热水泵运行，温差小于3 ℃时集热水泵停止运行；蓄热循环由水箱温度控制，当水箱温度大于35 ℃时，蓄热水泵运行，水箱温度小于27 ℃时集热水泵停止运行。模型中水泵的运行由模块Type14和模块Type2b来控制。系统运行结束后使用模块Type65输出运行数据。

2 模型实验验证

2.1 系统各设备参数

本文以大连某公共建筑为研究对象，建筑面积12 638 m2，空调面积12 011 m2。采用独立双埋管太阳能辅助土壤源热泵系统来满足建筑冬季供热和夏季制冷需求。

系统采用两台螺杆式地源热泵机组，型号为CRTWD 160H；用户侧和热泵土壤侧水泵均两用一备；垂直地埋管钻井224口，其中8口为蓄热井，全部并联运行，土壤初始温度为14.4 ℃；太阳能集热器为真空管集热器，位于屋面；设有蓄热水箱，内置波纹管换热器，蓄热水箱与集热器侧水环路间接进行热量交换，与蓄热埋管环路直接相通；集热水泵和蓄热水泵均一用一备。设备参数如表1所示。

表1 设备参数Tab. 1 The parameters of equipments

2.2 模型验证

实际系统于2020年供暖季运行，因此根据2020年11月15日至2021年3月1日实际运行数据对模型进行实验验证。将建筑负荷、室外温度、土壤地埋管侧流量作为输入参数输入模型进行相同时间段供热运行模拟，在土壤源热泵系统运行的同时，太阳能系统也在运行。各参数模拟值与实验值对比如图5～图7所示，运行结果如表2所示，误差均在15%以内，验证了模型的准确性。

图5 热泵土壤供/回水温度模拟值与实验值对比Fig. 5 Comparison between simulated and experimental values of ground supply and return water temperature of heat pump

图6 集热器进口温度模拟值与实验值对比Fig. 6 Comparison between simulated and experimental values of collector inlet temperature

图7 集热器出口温度模拟值与实验值对比Fig. 7 Comparison between simulated and experimental values of collector outlet temperature

对于该模型，需要验证根据系统简化连接与地埋管模块热平衡计算的土壤蓄热出口温度的准确性。本系统采用光纤光栅温度传感器对蓄热井管井井壁温度进行测量，管井井壁温度与土壤蓄热出口温度对比如表3所示，平均偏差(mean bias error，MBE)在15%以内，均方根误差变化系数(coefficient of variation of the root-mean-square error，CV(RMSE))在20%以内，均在合理范围内，证明了计算的土壤蓄热出口温度的准确性。

表2 实验值与模拟值对比Tab. 2 Comparison between experimental and simulated values

表3 管壁平均温度与土壤蓄热出口平均温度对比Tab. 3 Comparison of average temperature between pipe wall and soil heat storage outlet

3 影响因素

在系统各个设备确定的情况下，应该考虑如何在满足用户需求的同时，使系统的运行情况达到最优。

本文基于上述大连市某公共建筑研究系统运行参数对系统运行能耗与土壤温度变化率的影响。系统运行能耗为土壤源热泵系统和太阳能系统能耗之和，包括热泵机组及各个水泵运行能耗；土壤温度变化率为系统经过一个运行周期后土壤温度变化值与初始土壤温度的比值。土壤温度变化率越接近于零，土壤温度波动越小。

正交试验设计可以使用较少的试验次数，了解试验因素的重要性程度与交互作用，因此本文采用正交试验方法进行模拟研究。

3.1 影响因素的重要程度

本文以热泵夏季供水温度、热泵冬季供水温度、负荷侧水流量、土壤侧水流量、蓄热流量、蓄热启动温度、蓄热停止温差、集热流量、集热运行温差上限、集热运行温差下限、蓄集热运行时间段11个因素为研究对象进行影响因素分析，11个因素在系统中相互独立，互不相关。

正交试验设计中不仅要考虑各因素对试验目标的影响，还应考虑因素间交互作用对试验目标结果的影响。将因素按顺序进行编号，分别为A～K，如表4所示。通过交互作用判别[30]，对系统运行能耗有影响的两因素交互作用有：E×F、E×G、E×H、E×I、E×J、F×G、G×H、G×J、H×I、H×J、J×K；对土壤温度变化率有影响的两因素交互作用有：E×F、E×G、E×H、E×J、F×G、G×H、G×J、G×K。根据研究对象，以系统运行能耗与土壤温度变化率为目标在SPSS平台设计11个因素两水平正交表，共60个试验方案，试验总自由度为60，各影响源自由度均为1，该效应检验模型具有显著性。

表4 影响因素及水平Tab. 4 Factors and levels

通过方差分析，对系统运行能耗影响程度由大到小分别为：负荷侧水流量、热泵冬季供水温度、土壤侧水流量、热泵夏季供水温度、蓄热启动温度、蓄集热运行时间段、蓄热停止温度与集热流量交互作用、蓄热启动温度与蓄热停止温度交互作用、蓄热流量、蓄热流量与蓄热启动温度交互作用。以显著性为0.01为指标，其中重要的影响因素为前6项。对系统土壤温度变化率影响程度由大到小分别为：热泵冬季供水温度、蓄热启动温度、热泵夏季供水温度、蓄集热运行时间段、土壤侧水流量、集热温差上限、蓄热启动温度与蓄热停止温度交互作用、集热流量。以显著性为0.01为指标，其中重要的影响因素为前5项。

3.2 影响规律

为研究影响因素对研究目标的影响规律，对11因素5水平共50个模拟方案在3种不同系统累计供热供冷量比(以下简称为“供热供冷量比”)下进行正交模拟试验，运行周期为10年。供热供冷量比为运行周期内系统累计供热量与累计供冷量的比值。当建筑地理位置、围护结构性能、建筑使用情况等确定时，建筑负荷与室内温湿度设定有关，不同供热供冷量比的冬季室内设定温湿度不同，均满足规范要求[31]。

3.2.1 影响因素水平的选取

热泵供水温度冬季在40～60 ℃之间选取5个水平，夏季在5～13 ℃之间选取5个水平。热泵蒸发器和冷凝器两侧对最小流量有一定要求，地埋管双U形换热器内介质流速不小于0.4 m/s，最低流速不低于0.2 m/s[32]。按照实验测试中能达到最大流量与热泵要求最小流量间均匀取5个水平。集热流量与蓄热流量在最小流量和系统达到最大流量间均匀选取5个水平。

集热启动温差上限和蓄热启动温度根据实际系统运行情况参考文献[33]选取；集热温差下限参考文献[34]选取。

对于该系统而言，系统全年分为4个时段，分别为冬季供热期、供热后过渡季、夏季供冷期、供冷后过渡季。蓄集热运行时间段考虑5个水平，分别为：①供冷后过渡季运行、②所有过渡季运行、③供冷后过渡季和冬季运行、④冬季和所有过渡季运行、⑤全年运行。各影响因素水平如表5所示。

表5 各影响因素水平Tab. 5 Level of each influencing factors

3.2.2 正交结果

图8所示为不同供热供冷量比系统运行能耗随各重要影响因素的变化。由图8可知，负荷侧水流量和热泵冬季供水温度对系统运行能耗影响较大，系统运行能耗随着热泵冬季供水温度的升高而增大，随着热泵夏季供水温度的升高而降低，这是由于热泵冬季供水温度增大，提高了热泵冷凝器侧的平均温度，热泵机组的功耗增加，系统运行能耗随之增加；热泵夏季供水温度降低，减小了热泵蒸发器侧的平均温度，热泵机组的功耗增加，系统运行能耗亦增加。系统运行能耗与负荷侧水流量、土壤侧水流量成正比。负荷侧水流量/土壤侧水流量越大，水泵功耗越高，系统能耗也随着增加。

图8 不同供热供冷量比系统运行能耗随各重要影响因素的变化Fig. 8 Variation of system operation energy consumption with various important influencing factors under different load ratios

在一定范围内减小蓄热启动温度，可以提高集热效率，增加集热量和蓄热量，增加了太阳能系统蓄集热运行时间，同时影响土壤温度场，间接影响到土壤源热泵系统运行能耗，从而影响系统运行能耗。

图9所示为不同供热供冷量比系统运行能耗随不同蓄热启动温度的变化。由图9可知，当供热供冷量比为1.31时，系统运行能耗随着蓄热启动温度的升高而降低；而当供热供冷量比为2.32时，系统运行能耗随着蓄热启动温度的升高而升高；当供热供冷量比为1.77时，蓄热启动温度为35 ℃时，系统运行能耗最低。通过分析模拟结果可知，在不同供热供冷量比下，太阳能系统能耗均随着蓄热启动温度的升高而降低，而土壤源热泵系统能耗均随蓄热启动温度的升高而升高。系统运行能耗影响为两者综合影响。所以不同的供热供冷量比对系统运行能耗的影响规律不同。

图9 不同供热供冷量比系统运行能耗随不同蓄热启动温度的变化Fig. 9 Variation of system operation energy consumption with different start-up temperature of heat storage under different load ratio

太阳能系统不同时间段运行对土壤源热泵系统有不同的影响，只在供冷季后过渡季运行，对后续系统供热有正向影响，只在供热后过渡季运行，对后续供冷有负面影响，在全年运行，对供热有正向影响，对供冷有负面影响。对于不同的供热供冷量比，系统周期运行结束后土壤温度变化不同，太阳能系统不同时间段运行对系统运行能耗影响也不同。

图10所示为不同供热供冷量比系统运行能耗随不同蓄集热运行时间段的变化，当供热供冷量比为1.31时，供冷后过渡季蓄集热为最优蓄集热运行时间段；当供热供冷量比为1.77时，供冷后过渡季和冬季蓄集热为最优蓄集热运行时间段；当供热供冷量比为2.32时，全年蓄集热为最优蓄集热运行时间段。

图10 不同供热供冷量比系统运行能耗随不同蓄集热运行时间段的变化Fig. 10 Variation of operating energy consumption of systems with different load ratios with different heat storage and collection operation periods

通过分析模拟结果可知，不同供热供冷量比下，太阳能系统能耗均随蓄集热运行时间段的增加而增加，土壤源热泵系统能耗均随蓄集热运行时间段的增加而减小，系统运行能耗影响为两者综合影响，可以看出随着供热供冷量比增大，太阳能最优运行时间逐渐增长。

图11所示为不同供热供冷量比系统土壤温度变化率随各重要影响因素的变化，由图11可知，对土壤温度变化率影响较大的因素为热泵供水温度、蓄热启动温度、蓄集热运行时间段。

图11 不同供热供冷量比系统土壤温度变化率随各重要影响因素的变化Fig. 11 Variation of soil temperature change rate with various important influencing factors under different load ratios

土壤温度变化率随着热泵冬季供水温度的增大而增大，随着热泵夏季供水温度的减小而增大。

当周期运行后土壤温度下降时，土壤温度变化率小于零；当周期运行后土壤温度上升时，土壤温度变化率大于零。热泵冬季供水温度的上升使热泵机组的性能减弱，功耗增大，当提供给用户的热量一定时，从土壤中取的热量减少，土壤温度变化率增大。热泵夏季供水温度的下降使得热泵机组的性能减小，功耗增大，当提供给用户的热量一定时，向土壤中放的热量增大，使土壤温度变化率增大。

当长期运行土壤温度下降时，减小蓄热启动温度有利于土壤平衡；当长期运行土壤温度上升时，增大蓄热启动温度有利于土壤平衡，因此蓄热启动温度的降低有利于提高土壤温度，若供热供冷量比越接近1，太阳能系统的作用越小，反而会使土壤温度上升。

当供热供冷量比为1.31时，针对土壤温度变化率，太阳能蓄热系统最优运行时间为供冷后过渡季蓄集热运行，而当供热供冷量比为2.32和1.77时，太阳能蓄热系统最优运行时间为全年蓄集热运行。太阳能系统的运行对土壤温度恢复有一定的作用。对于不同的供热供冷量比，太阳能系统应有不同的运行时间。

4 结论

1)太阳能系统地埋管与土壤源热泵系统地埋管运行相互独立，在蓄热井处存在局部热影响，对于该独立双埋管太阳能辅助土壤源热泵系统，通过简化埋管连接与土壤热平衡计算建立埋管区域模型，并以现场测试数据验证模型准确性，此模型可用于模拟太阳能系统对地埋管土壤区域长期热影响。

2)以大连市某公共建筑为例，通过正交试验设计和TRNSYS模拟对系统运行参数进行了全面研究，结果表明，对系统运行能耗具有重要影响的因素为负荷侧水流量、热泵冬季供水温度、土壤侧水流量、热泵夏季供水温度、蓄热启动温度、蓄集热运行时间段；对土壤温度变化率具有重要影响的因素为热泵冬季供水温度、蓄热启动温度、热泵夏季供水温度、蓄集热运行时间段、土壤侧水流量。

3)通过理论与模拟分析具有重要影响的运行参数对系统运行能耗和土壤温度变化率的影响。结果表明，系统运行能耗与冬季热泵供水温度、负荷侧与土壤侧水流量均呈正相关，与夏季热泵供水温度呈负相关；土壤温度变化率与冬季热泵供水温度呈正相关，与夏季热泵供水温度呈负相关。降低系统运行能耗最重要的是要在保证房间热舒适及用户需求的情况下，尽可能减小冬季热泵供水温度，增大夏季热泵供水温度，降低负荷侧水流量与土壤侧水流量；当周期运行土壤温度下降时，为减小土壤温度波动，应增加冬季热泵供水温度，降低夏季热泵供水温度。当累计供热供冷量比为1.31时，系统运行能耗与蓄热启动温度呈负相关；当累计供热供冷量比为2.32时，系统运行能耗与蓄热启动温度为正相关；而当累计供热供冷量比为1.77时，蓄热启动温度为35 ℃时系统运行能耗最低。土壤温度变化率与蓄热启动温度呈负相关。对于不同的累计供热供冷量比，太阳能系统应有不同的运行方式。太阳能蓄集热系统最优运行时间和蓄热启动温度均与系统累计供热供冷量比有关。