太阳能跨季节蓄热增强土壤源热泵供暖系统建模与仿真研究

山 强， 杨绪飞， 吴小华， 孙东亮， 于长永，3， 刘格含

（1.北京工业大学 环境与生命学部， 北京 100124； 2.北京石油化工学院 机械工程学院， 深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室， 北京 102617； 3.杭州制氧机集团股份有限公司， 浙江 杭州 310000）

0 引言

近年来， 我国北方地区大力推进清洁供暖工作，其中，使用土壤源热泵供暖具有良好的环境与经济效益[1]，[2]。但土壤源热泵在寒冷地区农业温室供暖时只供暖不制冷，存在土壤热失衡问题[3]，[4]。采用太阳能跨季节蓄热对土壤源热泵井群区域土壤进行补热增温， 能够有效解决土壤热失衡的问题，同时利用太阳能直供辅助土壤源热泵供暖，可以充分提升太阳能的利用率[5]。

国内外学者针对太阳能-土壤源热泵系统已开展了大量研究工作， 主要采用仿真模拟和示范型工程试验的方法， 对太阳能与土壤源热泵系统的不同耦合方式与运行策略、 系统部件参数对系统性能的影响等方面进行了研究[6]～[8]。 Wang[9]将太阳能耦合土壤源热泵系统用于办公楼的供暖和制冷， 结果表明， 该系统可以解决土壤热失衡的问题。 于长永[10]在中国河北省廊坊市开展了太阳能跨季节蓄热增强土壤源热泵农业温室供暖实验研究， 验证了 “土壤源热泵供暖+太阳能跨季节蓄热” 系统在我国华北地区农业温室供暖的可行性和有效性。 但由于太阳能跨季节蓄热实验的时间跨度长， 公开报道的文献中尚无5 a 甚至10 a 以上的长周期运行实验数据和性能分析。 针对农业温室供暖需求， 缺少如何匹配设计太阳能跨季节蓄热系统的基本设计准则， 以解决土壤源热泵土壤热失衡问题[11]～[13]。

针对上述问题， 本文构建了面向农业温室供暖的SSTES-GSHP 供暖系统TRNSYS 仿真模型，预测了供暖系统长周期运行时地埋管井群区域土壤温度和系统COP 变化趋势， 分析了SSTESGSHP 供暖系统用于农业温室长期供暖的能效特性， 提出了基于温室面积和热泵能效的太阳能跨季节蓄热系统集热器面积匹配设计准则， 可为我国北方地区农业领域清洁供暖提供技术参考和理论支撑。

1 供暖系统简介与模型构建

1.1 供暖系统简介

SSTES-GSHP 供暖系统实验平台于河北省廊坊市次安区 （39.5 °N，116.7 °E） 搭建。 SSTESGSHP 供暖系统如图1 所示。 该系统由负载末端、土壤源热泵供暖子系统、 太阳能集热子系统和土壤取热-蓄热子系统4 个部分组成。 其中，负载末端为Venlo 型玻璃温室，面积112 m2。 土壤源热泵额定制热功率为10.66 kW；热泵负载侧水泵P1与热泵地源侧水泵P2的最大流量均为12 m3/h，额定功率1.35 kW； 太阳能集热器采用热管式真空玻璃管集热器，有效集热面积为40 m2，蓄热水箱容积为5.32 m3； 太阳能集热侧水泵P3对应最大流量5 m3/h，额定功率0.55 kW；直供水泵P4最大流量10.8 m3/h，额定功率0.9 kW。地埋管井群由7个120 m 的DN32×3 双U 型地埋管换热器并联组成，井间距为4 m；土壤蓄热水泵P5最大流量为10.8 m3/h，额定功率0.9 kW。

图1 SSTES-GSHP 供暖系统示意图Fig.1 Schematic diagram of SSTES-GSHP

本文SSTES-GSHP 供暖系统基本运行原理如图2 所示。

图2 SSTES-GSHP 供暖系统控制策略Fig.2 Control strategy of SSTES-GSHP

太阳能集热子系统全年处于自动运行状态，通过如图2（a）所示的温差控制策略，控制太阳能集热侧水泵P3启停，及时将所收集的太阳能转移至蓄热水箱中，V1～V8为阀门。 其中，T1为集热器出口温度，T2为蓄热水箱内温度， 即集热器进口温度。在非供暖季，蓄热水箱中的热能用于土壤跨季节蓄热；在供暖季，蓄热水箱中的热能直接用于农业温室供暖； 在非供暖季进行太阳能跨季节蓄热，通过如图2（b）所示的温差控制策略，控制土壤蓄热水泵P5启停，及时将蓄热水箱中的热量转移至地埋管井群区域土壤中，对土壤补热增温；在供暖季进行太阳能直供辅助土壤源热泵复合供暖，通过如图2（c）所示温差控制策略，实现两种供暖方式之间的自动切换，维持农业温室室温T0不低于设定温度（15 ℃）。 其中，土壤源热泵机组运行采用负荷侧回水温度控制压缩机启停， 使得热泵制热功率实时跟随温室热负荷。 由于太阳能直供仅有水泵耗电，相比土壤源热泵供暖更省电，可有效提高供暖系统能效。

此外，在进行纯土壤源热泵供暖对照实验时，全年关闭太阳能集热循环， 供暖系统只在供暖季节运行土壤源热泵供暖。

1.2 供暖系统仿真模型构建

为了对比研究SSTES-GSHP 供暖系统的性能， 分别构建了纯土壤源热泵供暖系统仿真模型和SSTES-GSHP 供暖系统仿真模型。 仿真所用的河北廊坊地区的典型年气象数据由软件Meteonorm7 导出，所得该地区典型年逐日气温和日总辐照量随时间变化情况如图3 所示。 在此之前， 根据农业温室实际维护结构， 利用TRNSYS软件中的TRNBuild 搭建了农业温室热负荷模型。 其中，温室侧面面积为164 m2，四周围护结构为5 mm+6 mm+5 mm 中空双层玻璃，传热系数为4 W/（m2·℃），温室顶部面积为125.22 m2，采用5 mm 钢化玻璃，对应传热系数6.4 W/（m2·℃），窗墙比取0.9。

图3 廊坊市当地典型年气象参数Fig.3 Meteorological parameters of Langfang in a typical year

根据供暖系统各部件参数， 结合农业温室热负荷模型， 构建了纯土壤源热泵供暖系统仿真模型，如图4 所示。

图4 纯土壤源热泵供暖系统仿真模型Fig.4 Simulation model of the ground source heat pump heating system

玻璃温室热负荷由负荷读取部件载入模型当中， 热泵机组负荷侧通过循环水泵连接负载末端进行供暖，源侧选用竖直地埋管模型type557a 实现与土壤的换热， 通过对循环水泵的启停控制实现系统运行设置，最后在主体系统上接入计算器、积分器和显示打印仪完成运行结果的输出。

各模块参数设置按照实验系统的结构参数和运行参数设定。 土壤热物性由岩土热响应实验获得， 土壤平均温度为14.68 ℃， 综合导热系数1.582 W/（m·℃），容积比热容2 000 kJ/（m·℃），热扩散率0.986×10-6m2/s； 实验所得对应土壤温度TG随土壤深度h 变化关系式为TG=13.52+0.019h，对应土壤温度梯度为0.019 ℃/m。 热泵机组实时能耗则根据实验数据拟合式给定。根据实验，热泵机组实际运行能效COPHP的表达式为[17]

式中：PG，P为纯土壤热泵系统地源侧水泵耗电量和负载侧水泵耗电量之和，kW·h。

在纯土壤源热泵仿真模型的基础上， 构建了SSTES-GSHP 供暖系统仿真模型，如图5 所示。

图5 SSTES-GSHP 供暖系统仿真模型Fig.5 Simulation model of SSTES-GSHP

模型采用带有浸入式换热器的恒定容积立方体水箱Type531 模块， 模拟实验用蓄热水箱的传热流动情况， 选用Type71 真空管集热器模块，模拟实验用内插热管式真空管太阳能集热器运行情况，气象数据仍采用软件Meteonorm7 导出的河北廊坊地区典型年气象数据，控制策略根据实验平台进行设置。 该系统模型可以实现太阳能跨季节土壤蓄热和太阳能直供辅助土壤源热泵复合供暖的运行模式，与实验系统运行情况保持一致。

由实验平台厂家测试报告确定太阳能集热器集热效率η 的计算式为

2 仿真结果验证与分析

2.1 仿真模型验证

2.1.1 农业温室热负荷模型验证

将温室室内温度设定为不低于15 ℃，计算出系统典型年动态热负荷。 模拟所得逐时最大热负荷为27.1 kW，相当于241.96 W/m2，供暖时段温室平均热负荷为178.57 W/m2，计算得全年总热负荷31 588.9 kW·h， 与系统运行实际供热量32 655.6 kW·h 相对误差为3.26%。 图6 为系统在2019 年11 月15 日-2020 年3 月15 日供暖季，农业温室热负荷模型所得的系统逐日热负荷和累计热负荷与实验值的对比情况。 从图6（a）可以发现，模拟所得逐日热负荷与实验值趋势一致，但由于逐日热负荷随机性较大，导致模拟值与实验值并未完全对应。 为此图6（b）对比了两者的累计热负荷，可以看出，模拟累计热负荷与实验值基本一致，表明采用农业温室热负荷模型所得系统典型年动态热负荷作为系统负载末端的热负荷开展仿真计算是准确可靠的。

图6 温室供暖季逐日热负荷和累计热负荷模拟值与实验值对比Fig.6 Comparison of simulated and experimental values of daily heat load and cumulative heat load in greenhouse heating season

2.1.2 纯土壤源热泵供暖系统仿真模型验证

基于第一个供暖季供暖系统运行实测数据，对纯土壤源热泵供暖系统仿真模型进行对比验证，模拟所得系统供热量、土壤取热量和总耗电量与实验值对比如图7 所示。

图7 纯土壤源热泵供暖系统供热量、取热量、耗电量模拟值和实验值对比Fig.7 Comparison of simulation results and experimental results of the ground source heat pump heating system

由图7 可知, 仿真模型模拟所得系统累计取热量为13 789.9 kW·h，实验值为13 419.3 kW·h，两者最大误差相差不超过2.7%，所得累计供热量和总耗电量模拟值与实验值基本一致， 说明此仿真模型可以准确模拟出纯土壤源热泵供暖的运行情况。

为了验证纯土壤源热泵供暖系统仿真模型对井群区域土壤温度预测的准确性， 将纯土壤源热泵供暖系统仿真结果与井群区域土壤平均温度实验值进行对比。图8 为供暖季期间，模拟所得土壤温度与土壤平均温度实验值随时间的变化情况。

图8 纯土壤源热泵供暖系统供暖土壤温度模拟值与实验值对比Fig.8 Comparison of simulated and experimental values of temperature after heating with the ground source heat pump heating system

由图8 可以看出， 在土壤初始平均温度相同的情况下， 模拟所得供暖过程中土壤温度变化与实测值良好吻合。

纯土壤源热泵供暖系统运行至2020 年3 月15 日时，对应模拟土壤温度与实验值对比见表1。

表1 纯土壤源热泵供暖系统供暖前后土壤温度变化Table 1 Soil temperature changes before and after heating with the ground source heat pump heating system

由表1 可知，不考虑土壤温度梯度时，模拟所得土壤温度与实测值相差为0.04 ℃，相对误差为4.5%；考虑土壤温度梯度（实验值为0.019 ℃/m）的情况下， 模拟所得供暖结束后土壤温度与实测值相差0.03 ℃，相对误差为3.4%，两者都具有良好的准确性， 说明该仿真模型可以用于系统井群区域土壤温度变化的分析与预测。 考虑到土壤温度梯度所得模拟土壤温度更接近于实验值， 且符合土壤实际温度分布情况， 因此在此后的土壤温度预测时均以考虑土壤温度梯度展开模拟计算。

2.1.3SSTES-GSHP 供暖系统仿真模型验证

气象条件对系统太阳能跨季节蓄热效果有着至关重要的影响， 因此需要保证仿真气象条件尽可能接近实验条件。 在2020 年8-10 月，系统进行太阳能跨季节蓄热的阶段， 对应仿真气象参数与实验条件对比见表2。 由表2 可知，仿真模型所采用的典型年气象参数中的月平均温度和日均辐照量与实验条件基本一致。

表2 太阳能跨季节蓄热阶段实验与仿真气象条件对比Table 2 Comparison of experimental and simulated weather conditions during seasonal solar thermal energy storage phase

将非供暖季太阳能跨季节蓄热、 供暖季太阳能直供辅助土壤源热泵复合供暖的模式运行下的实验数据，与SSTES-GSHP 供暖系统仿真模型模拟结果进行对比验证， 所得系统运行全年的累计模拟值与实验值对比见表3。

表3 SSTES-GSHP 供暖系统运行全年各累计量模拟值与实验值对比Table 3 Comparison of simulated and experimental results of SSTES-GSHP operation for one year kW·h

由表3 可以看出， 仿真模型所得各项模拟值与实验值偏差相对较小，普遍在±2.5%以内。 由于各年太阳能辐照具有不确定性， 太阳能直供热量相对误差最大为-4.54%。 对比结果表明，本文所建立的SSTES-GSHP 供暖系统仿真模型具有较高的准确性。

在2020 年6 月18 日-11 月5 日， 系统进行太阳能跨季节蓄热的阶段， 土壤蓄热量及温度随时间变化情况如图9 所示。

图9 太阳能跨季节蓄热土壤蓄热量和温度模拟值与实验值对比Fig.9 Comparison of simulated and experimental values of heat storage and temperature after seasonal solar thermal energy storage

从图9（a）可以看出，6-9 月土壤蓄热量模拟值与实验值随时间变化曲线基本重合，9 月10日-11 月5 日模拟值略高于实验值， 这是由于在此期间实验日均辐照量较小所导致， 至11 月5日，蓄热结束模拟所得土壤蓄热量为10 237 kW·h，实验值为10 173 kW·h 相对误差为0.62%。

通过太阳能跨季节蓄热， 井群区域土壤的蓄热量不断增大，可使土壤温度提升至供暖前水平。从图9（b）可以看出，从6 月18 日蓄热开始到11月5 日蓄热结束， 土壤温度模拟值与实验值均呈不断上升趋势， 由起始温度13.35 ℃均上升至14.35 ℃。在2020 年6-9 月，土壤温度模拟值略高于实验值，但相差小于0.05 ℃，这是由于在该时段仿真日均辐照量略低于实验条件下的日均辐照量；9 月1-14 日土壤温度实验值几乎保持不变，这是由于这两周为阴雨天气使得土壤温度无明显变化；9 月8 日-10 月5 日，土壤温度模拟值高出了实验值， 这是由于此阶段前期土壤温度实验值并未增长， 同时模拟土壤蓄热量高于实验值所导致；10 月6 日-11 月5 日土壤温度模拟值与实验值基本一致，相差不超过0.02 ℃。 可以发现，模拟所得土壤温度变化情况与实际良好吻合， 说明SSTES-GSHP 供暖系统仿真模型可用于系统土壤温度变化情况的预测。

2.2 系统运行特性分析

2.2.1 系统长期运行土壤温度预测

基于上述模型， 展开对纯土壤源热泵供暖系统和SSTES-GSHP 供暖系统的长期运行特性研究， 主要探究两系统长年供暖条件下的井群区域土壤平均温度变化规律。 两系统运行10 a 的井群区域土壤温度随时间变化情况如图10 所示。

图10 供暖系统运行10 a 土壤平均温度对比Fig.10 Comparison of average soil temperature for 10 years of heating system operation

由图10 可以看出，纯土壤源热泵供暖系统对应的土壤温度呈波浪形逐年下降趋势，第10 个供暖季土壤温度较初始土壤温度下降了3.75 ℃，降幅明显，这是因为该系统没有补热措施。 SSTESGSHP 供暖系统在第10 个供暖季土壤温度较初始土壤温度下降了1.25 ℃，高于纯土壤源热泵供暖系统2.50 ℃。 纯土壤源热泵供暖系统经过自然恢复后其温度仍低于初始土壤温度2.69 ℃，而在经过太阳能跨季节蓄热后的SSTES-GSHP 供暖系统土壤温度可提升至略高于初始土壤温度水平， 说明采用太阳能跨季节蓄热可以有效解决纯土壤源热泵用于农业温室供暖所存在的土壤热失衡问题。

2.2.2 太阳能直供对系统能效的影响

本文分别模拟了在第二个供暖季运行首日（2020 年11 月15 日） 系统在不同运行模式的能效， 系统采用纯土壤源热泵供暖、“太阳能跨季节蓄热+土壤源热泵供暖”、“太阳能跨季节蓄热+太阳能直供+土壤源热泵”复合供暖3 种运行模式，如图11 所示。由图11 可以看出，系统采用纯土壤源热泵供暖的耗电量最大为106.67 kW·h，“太阳能跨季节蓄热+土壤源热泵” 供暖模式对应耗电量次之，“太阳能跨季节蓄热+太阳能直供+土壤源热泵”复合供暖模式最低为85.35 kW·h。 由于纯土壤源热泵供暖会导致井群区域土壤温度下降至初始土壤温度以下， 而加入太阳能跨季节蓄热后对应土壤温度高于初始土壤温度， 因此后者热泵机组COPHP略高， 总耗电量较纯土壤源热泵降低了6.12 kW·h。 加入太阳能直供后系统耗电量较纯土壤源热泵供暖下降了19.98%，这是因为太阳能直供在供暖初期暂时代替了土壤源热泵，而太阳能直供对应耗电量远小于土壤源热泵系统供暖耗电量，由此导致了“太阳能跨季节蓄热+太阳能直接供暖+土壤源热泵” 复合供暖模式下的系统耗电量显著减小。

图11 不同运行模式供暖首日耗电量对比Fig.11 Comparison of power consumption on the first day of heating by different operating modes

由图11 可知，在供暖首日，加入“太阳能跨季节蓄热+太阳能直接供暖+土壤源热泵”复合供暖模式的SSTES-GSHP 供暖系统耗电量最小，对应系统能效最高。 本文统计了在整个供暖季内该系统单日系统COPS随太阳能直供占比的变化情况如图12 所示。

图12 系统COPS 随太阳能直供占比变化Fig.12 System COPS changes with the proportion of solar direct supply

由图12 可以看出，系统COPS随着太阳能直供占比的增大而增大，当太阳能直供占比为0 时，即系统采用纯土壤源热泵供暖， 此时系统COPS等于纯土壤源热泵供暖系统COPG约为2.7；当太阳能直供占比为51%时，系统COPS提升至4.08；整个供暖季太阳能直供占比集中在11%左右，对应系统COPS约为2.97， 较纯土壤源热泵供暖系统提升约10%。 说明加入太阳能直供可以显著提升系统的综合能效。

2.2.3 系统长期运行能效分析

土壤温度和太阳能直供对供暖系统能效都具有显著影响， 而土壤温度是随系统长期运行逐渐变化的， 为此有必要开展对长期运行下供暖系统的能效分析与预测。图13 为纯土壤源热泵供暖系统和SSTES-GSHP 供暖系统运行10 a 的逐年累计耗电量和对应年份COP 值随时间的变化情况。

图13 供暖系统运行10 a 逐年耗电量、COP 变化对比Fig.13 Comparison of annual electricity consumption and COP changes of heating system for 10 years

由图13（a）可知，随着系统长期运行，纯土壤源热泵供暖系统的耗电量逐年增加，第1～10 年，系统耗电量增幅为1 035.7 kW·h， 这主要是由于随着供暖的进行，土壤温度不断下降，使得热泵机组COPHP呈下降趋势，导致系统耗电量有所增加。而SSTES-GSHP 供暖系统耗电量基本维持在10 900 kW·h 左右，这是由于太阳能跨季节蓄热使得其土壤温度可保持在较高水平， 同时其耗电量明显低于纯土壤源热泵供暖系统， 这是由于太阳能直供部分时段代替了土壤源热泵供暖从而减少了系统能耗。

由图13（b）可以发现，纯土壤源热泵供暖系统COPG逐年下降， 第1～10 年下降约8.1%，而SSTES-GSHP 供暖系统COPS始终维持在2.97 左右。 由图13（b）还可以看出，SSTES-GSHP 供暖系统在运行初期， 其COPS就高于纯土壤源热泵供暖系统，这是由于加入太阳能直供的结果。运行至第10 年，SSTES-GSHP 供暖系统COPS已高出纯土壤源热泵供暖系统18.8%， 说明采用太阳能跨季节蓄热和太阳能直供可以有效保证系统长期供暖过程中的稳定高效运行。

2.3 太阳能跨季节蓄热系统集热面积匹配设计准则

对于SSTES-GSHP 供暖系统而言，保证系统土壤热平衡的关键在于设计合适面积的太阳能集热器阵列。 由于不同的温室面积和温室单位面积热负荷对应系统热负荷显然不同， 因此满足土壤热平衡的太阳能集热器面积也不同。 农业温室与太阳能集热器面积配比关系如图14 所示。

图14 农业温室与太阳能集热器面积配比关系Fig.14 The area ratio relationship between agricultural greenhouse and solar collector

由图14（a）可知，随着温室面积的增大，温室单位面积平均热负荷逐渐下降，并趋于定值。 对于本文所研究的Venlo 型玻璃温室， 当温室面积大于1 000 m2后， 单位面积平均热负荷趋近于79.095 W/m2。

根据能量平衡可知，农业温室热负荷与土壤源热泵系统COPG决定了供暖系统从土壤取热量，进而决定了维持土壤热平衡的所需的太阳能集热器面积。 在农业温室面积大于1 000 m2，单位面积平均热负荷约为79.095 W/m2的条件下，维持系统土壤热平衡的单位面积温室所需太阳能集热器面积（A/S）随热泵系统COPG变化的情况如图14 （b） 所示。 可以看出， 随土壤源热泵系统COPG的升高，单位面积温室所需太阳能集热器面积（A/S）呈线性递增趋势。这是因为在热负荷不变的情况下，热泵系统COPG越大，系统向土壤的取热量就越大，为了维持土壤的热平衡就需要更大的太阳能集热器面积来收集太阳能。 基于仿真模型模拟数据，可得到太阳能集热器面积与温室面积、 土壤源热泵系统COPG之间的关联式为A/S=0.158+0.021COPG。 该关联式直接适用于廊坊及周边地区玻璃温室供暖系统太阳能集热器面积选取的设计准则。 需要说明的是， 对于其他类型的温室， 需根据温室围护结构计算全年平均热负荷进行修正。

3 结论

本文利用TRNSYS 软件建立了面向农业温室的SSTES-GSHP 供暖系统仿真模型，并采用实验数据验证了仿真模型的准确性。 基于该仿真模型对系统在长期运行条件下的井群区域土壤温度和系统COP 变化情况进行了分析和预测，并探究了该系统用于京津冀地区农业温室的太阳能集热器配比关系，得到如下结论。

①利用SSTES-GSHP 供暖系统TRNSYS 仿真模型计算各项能量数据的误差大部分在±2.5%以内， 仿真计算所得土壤平均温度与实测值最大相差不超过0.09 ℃，说明所构建的仿真模型适用于该供暖系统运行特性的分析与预测。

②SSTES-GSHP 供暖系统长周期运行仿真结果表明，供暖系统运行至第10 年，井群区域土壤温度在蓄热结束后仍可保持在初始地温14.68 ℃以上， 说明采用太阳能跨季节土壤蓄热的方式可以有效解决纯土壤源热泵供暖存在的土壤热失衡问题。同时，太阳能跨季节蓄热增强土壤源热泵系统COPS较纯土壤源热泵供暖系统高18.8%，表明SSTES-GSHP 供暖系统， 可实现系统长期稳定高效运行。

③提出了基于温室面积和热泵能效的太阳能跨季节蓄热系统集热器面积匹配设计准则， 即在温室单位面积平均热负荷约为79 W/m2的情况下， 维持土壤热平衡的单位面积温室所需太阳能集热器面积（A/S）与土壤源热泵系统COPG关联式为A/S=0.158+0.021COPG。该关联式可作为用于京津冀地区农业温室的SSTES-GSHP 供暖系统设计准则， 为我国北方农业领域清洁供暖提供技术参考和理论支撑。