太阳能辅助地下水源热泵系统在严寒地区的运行特性分析

2022-11-05张晓明孙秋瑾邵明宇关浩然

沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2022年5期

张晓明，王强，孙秋瑾，邵明宇，关浩然

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳 110168)

我国严寒地区的大型公共建筑，长期以来一直以燃煤作为主要能源，运行能耗大、污染物排放多[1-3]。目前，全球的经济都在向低碳方向转型[4-7]。地下水源热泵作为一种使用可再生能源的应用技术，只需消耗少量电能即可获得较高的热量，能够取得良好的节能效果[8-12]。太阳能是最为清洁的能源之一，不会产生有害物质排放，不会造成环境污染，而且太阳能系统运行费用极低，是非常有利用价值的新能源技术[13]。然而太阳能具有不稳定性，需要其他能源补充。将太阳能与地下水源热泵联合使用可以弥补二者的缺点[14-15]。目前新能源技术在严寒地区大型公共建筑中的实际应用较少。笔者通过实验和模拟两种方式，分析太阳能辅助地下水源热泵系统在严寒地区大型公共建筑中的实际应用。

1 系统原理

以沈阳市某大型公共建筑为例。该建筑面积约45 000 m2，使用功能包括餐饮、酒店，办公等。图1为系统原理图，该系统包括太阳能集热系统和地下水源热泵系统，由两台地下水源热泵机组承担建筑全年负荷；由另一台地下水源热泵和太阳能系统联合承担建筑生活热水。当太阳能辐射强度达到可供给生活热水时，太阳能系统开启，太阳能强度不足时，自动切换为地下水源热泵供热。

图1 太阳能辅助地下水源热泵系统原理图Fig.1 Schematic diagram of solar assisted GWHP system

所使用的槽式太阳能集热器参数如表1所示，其结构为真空型玻璃管结构，管内以导热油作为循环工质,通过聚焦和吸收等过程，完成太阳能到热能的转化，以便于满足不同的负载需求。导热油油温最高可达250 ℃，具有良好的集热效果。

表1 槽式太阳能集热器参数Table 1 Solar collector parameters

热泵机组参数如表2所示，地下水源热泵机组选用3台，其中两台的主要作用是负责建筑冷热负荷，并作为生活热水的备用能源。第3台的主要作用是在太阳能系统无启的时间提供生活热水，作为生活热水的补充能源。在此系统中太阳能集热器与地下水源热泵互补使用，克服了太阳能系统在夜晚无法开启的弊端。

表2 地下水源热泵机组参数Table 2 Parameters of GWHP unit

2 实验内容

测试时间从2020年5月1日开始，到2021年5月1日结束。测试所使用的仪器如表3所示。通过对管道内流体的温度和流量的测量，可以计算出太阳能系统产热量、地下水源热泵系统产热量等数据，使用万用表对耗电量进行测量，进而可计算出热泵机组逐时COP。

表3 实验仪器Table 3 Experimental instrument

(1)

式中:Qp为热泵机组制热量，kW·h；m为质量流量，kg/h；cw为流体比热，kJ/(kg·℃)；th、tc分别为机组进出口温度，℃。

(2)

(3)

式中:COPh为热泵机组制热性能系数；EERh为热泵机组制冷性能系数；Wp为压缩机耗功率，kW；Qpr为机组在冬季的制热量，kW；Qpl为机组在夏季的制冷量，kW。

3 仿真模型

3.1 DeST计算模型

笔者使用DeST软件建立了建筑模型(见图2)。建筑的供暖季从11月1日开始，到次年3月31日结束。空调季从5月17日开始，到9月15日结束。计算建筑全年逐时负荷，将DeST计算结果导入Trnsys仿真模型，用于进一步计算。

图2 DeST计算模型Fig.2 DeST calculation model

3.2 Trnsys计算模型

使用Trnsys软件建立太阳能辅助地下水源热泵系统仿真模型，系统模型如图3所示。模型包括两个输出末端，分别为生活热水端和建筑负荷端。太阳能集热器选用槽式集热器type536，热泵机组选用type225，冷热控制选用type14h。通过控制器控制机组启停和阀门切换。使用气象参数控制模块，输入不同典型城市的气象参数。同时建立了单独地下水源热泵系统的仿真模型，作为对比方案。在此模型中，建筑全年冷热负荷和生活热水都由热泵机组负责，地下水源热泵系统模型如图4所示。

图3 太阳能辅助地下水源热泵系统模型Fig.3 Solar assisted GWHP system model

图4 地下水源热泵系统模型Fig.4 GWHP system model

4 结果与分析

4.1 实验结果

太阳能全年开启时间实验测试结果如图5所示，夏季的开启时间明显高于冬季。系统全年开启时间为47 683 min，供水温度50 ℃，可制备生活热水约0.082 m3/min,全年可制备生活热水总量为3 910 m3。在冬至日开启时间为43 min，在夏至日开启时间为623 min。

图5 太阳能系统开启时间Fig.5 Solar system startup time

系统中热泵机组1和2的功能均为负担建筑冷热负荷，在负荷改变时，两台机组同时变化开启率，因此以机组1为代表。图6为热泵机组耗电量测试结果。夏季太阳能辐射强度高，太阳能系统开启时间长，机组耗电量相对较低；冬季太阳能系统开启时间短，因此热泵机组耗电量相对较高。基于测试结果，进行了机组全年COP/EER计算(见图7)。热泵机组1供暖季平均COP约4.23，制冷季平均EER约4.68；热泵机组3全年平均制热COP约4.08。地下水的温度并不是恒定不变的，而是受到周围环境的影响和地下水源热泵取热与补热的影响。一年中地下水温最高约18 ℃，出现在制冷季结束前后，地下水温最低约12 ℃，出现在供暖季结束前后。

图6 热泵机组耗电量Fig.6 Heat pump unit power consumption

图7 热泵机组全年COP/EERFig.7 Annual COP/EER of heat pump units

4.2 模拟结果

使用DeST软件模拟计算建筑全年负荷，图8为建筑全年逐时冷热负荷和全年所需生活热水负荷。生活热水负荷的大小与供水量和自来水温度有关，供水量平均每天需要约15 m3，而自来水温度在夏季最高约18 ℃，在冬季最低约12 ℃。这种温度的差异造成生活热水负荷是一条变化的曲线。由于建筑供暖的需求，地下水源热泵从地下取热，由于建筑供冷的需求，地下水源热泵向地下补热。全年总热负荷大于冷负荷，比例约1.1/1。加上生活热水的负荷，这种比例被放大到约1.3/1。当有太阳能系统加入之后，这种不平衡被缩减到约1.15/1。这有利于改善地下水温度的堆积情况。

图8 建筑全年逐时负荷Fig.8 Annual hourly load of the building

沈阳地区的全年太阳能辐射强度统计如图9所示。经过计算，当太阳能辐射强度达到450 W/m2以上时，太阳能系统自动开启。图10是对热泵机组1和3的全年COP模拟结果，热泵机组1承担建筑冷热负荷，在过渡季不开启，热泵机组3作为生活热水的补充热源，需要全年开启。模拟的结果与实验结果基本保持一致。

图9 太阳能辐射强度Fig.9 Solar radiation intensity

图10 热泵机组全年逐时COP模拟结果Fig.10 Annual hourly COP simulation results of heat pump units

4.3 误差分析

为检验所建立的Trnsys模型的准确性，笔者进行误差分析。

(4)

式中：δ为实际相对误差；Δ为绝对误差；L为真值。

造成误差的重要原因之一是测量精度。使用万用表测量耗电量时造成的误差，产生的原因包括档位不同所带来的表头灵敏度差异，机械调零时带来的误差等；热电偶温度计由于线路距离过长产生的温度偏差等。分别选取太阳能系统开启时间和热泵机组3的COP作为对比数据。图11为相对误差分析结果，太阳能开启时间的全年最大对误差约5.1%。热泵机组3的COP全年最大相对误差约7.1%。

图11 相对误差分析Fig.11 Relative error analysi

4.4 对比分析

将太阳能辅助地下水源热泵的联合运行系统与单独地下水源热泵系统进行初投资和运行能耗对比。基于Trnsys仿真模型，模拟了两种模式的全年耗电量。初投资及运行费用统计如表4所示。只有地下水源热泵机组单独运行的系统，机组耗电量比两系统联合运行系统增加约25%。在初投资对比方面，联合运行系统增加了约81万元的初投资，但每年可以节省运行费用24.5万元，投资回收期约3.3年。太阳能系统的加入，虽然增加了部分初投资，但是在运行费用上大大降低。太阳能系统的能耗全部来自于循环水泵，能耗远低于其他系统。