太阳能应用于土壤源热泵低温热源侧的实验研究

2023-12-22邵正日梁金广谢华清李国威李嘉魏

可再生能源 2023年12期

邵正日，刘龙，梁金广，谢华清，李国威，钱龙，李嘉魏

(1.营口理工学院辽宁省储能与能源利用技术重点实验室，辽宁营口 115014；2.营口理工学院机械与动力工程学院，辽宁营口 115014；3.青岛理工大学环境与市政工程学院，山东青岛 266520；4.东北大学冶金学院，辽宁沈阳 110819）

0 引言

近些年，我国大力发展可再生能源高效利用技术，以减少化石能源对环境的影响[1]。其中，土壤源热泵技术是一种典型的可再生能源利用技术[2]。该技术虽然具有节能、环保的优点，但土壤并不是理想的热源，若地埋管附近土壤的供热量得不到及时补充，当土壤源热泵系统持续运行时，必然会导致地埋管附近的土壤温度持续降低，进而影响热泵系统的工作性能[3]。尤其是在我国北方地区，冬季供暖的热负荷远高于夏季制冷的制冷量，运行若干年后，会造成土壤的冷堆积[4]。基于此，许多学者提出将太阳能作为补充热源，与土壤源复合使用，以弥补土壤源的不足，进而提高热泵系统的工作性能。

韩宗伟[5]提出了太阳能-土壤源相变蓄热供暖系统，该系统根据环境温度和自身工作状态可以实现9种运行模式，实验结果表明，供暖末期复合源热泵系统的性能系数(Coefficient of Performance，COP）较高，可达到6.13，供暖中期该系统的COP较低，约为2.94，但仍大于土壤源热泵系统间歇运行时的COP。刘杰[6]基于TRNSYS软件搭建了太阳能—土壤源热泵联合供暖系统，并通过数值模拟得到太阳能集热器集热面积与地埋管长度的最佳配比，分析结果表明，太阳能集热器与地埋管长度的最佳配比取决于太阳能资源、地质参数等因素，对于沈阳地区集热面积为1 m2的太阳能集热器，可以保证30～42 m地埋管换热器的热平衡。山强[7]基于TRNSYS软件对太阳能跨季节蓄热增强土壤源热泵供暖系统(Ground Source Heat Pump Heating System with Seasonal Solar Thermal Energy Storage Enhancement，SSTESGSHP）进行数值模拟与分析，分析结果表明，SSTES-GSHP运行10 a仍然可保证土壤源温度达到初始温度以上。

目前，学者们对复合源热泵系统的研究虽然较多，但对于太阳能应用于土壤源热泵系统低温热源端的实验研究不够深入。为了深入研究太阳能的加入对热泵系统各项性能的影响，本课题在辽宁省营口市搭建了太阳能—土壤源复合热泵系统，并根据实验结果深入分析了蒸发器进口温度对热泵系统各项性能的影响，并在此基础上研究了复合源热泵工况和太阳能热泵工况下热泵系统的工作性能，进而明确有利于太阳能梯级利用的运行方式。

1 两种能源互补优势及实验系统构建

1.1 互补优势分析

太阳能具有总量巨大、清洁环保的特点，但其还具有能流密度较低的分散性，以及极易受到气象因素影响的不稳定性，这些不足给太阳能的广泛应用增加了一定的难度，因此，在应用太阳能时，须要增加储能设备，并且需要其他能源作为补充和保障[8]。土壤源也具有总量巨大、清洁环保的特点，对于土壤源热泵系统主要利用的是浅层地热资源[9]。在土壤源热泵系统运行过程中，需要不断地从土壤中提取热量，由于土壤的导热性能会受到孔隙率、渗流速度、土壤内颗粒分布、土壤骨架导热系数以及回填材料导热系数等因素的影响，导致周围土壤不一定能及时将热量传递并完全补充地埋管附近土壤被提取的热量，使得当热泵系统持续运行时，地埋管附近的土壤温度会持续降低，于是蒸发器进口温度也随之降低，最终影响热泵系统的工作性能[10]。如果将太阳能应用到土壤源热泵系统中，通过太阳能的即时利用和土壤短期储热，有利于促进土壤温度的提升与恢复，进而提高热泵系统的工作性能，此外，利用太阳能的跨季蓄热，可进一步解决土壤源的冷堆积问题。

1.2 试验系统简介

图1为太阳能—土壤源复合热泵系统示意图。

图1 太阳能—土壤源热泵系统图Fig.1 Schematic diagram of solar ground source heat pump system

由图1可知，太阳能—土壤源复合热泵系统由太阳能集热子系统、地埋管换热器子系统、热泵机组子系统和供暖末端子系统组成。

其中，太阳能集热器采用真空管集热器，共24组，总集热面积为150 m2。集热水箱的容量为1 000 L。地埋管换热器为双U型地埋管，共24组(按4×6的方形矩阵布置），单管外径为32 mm、壁厚为3 mm，埋深为100 m。热泵机组的型号为HE-70TDB，额定制热量为61 kW，额定制热输入功率为16.4 kW，额定制冷量为62 kW，额定制冷输入功率为11.8 kW，热泵机组内设有两台压缩机，热泵机组运行时可根据需要设置单台压缩机或两台同时运行。实验楼供暖面积为1 300 m2。

实验平台的监控与测量系统为基于PLC和组态软件的监控系统，该系统包括下位机和上位机。其中，下位机采用SIEMENS S7-200 PLC实现复合源热泵系统各项运行参数的实时采集以及各运行工况的自动控制；上位机采用组态王KingView6.53作为监控组态软件，并利用RS-485与下位机实时通讯，实现复合源热泵系统的远程监控以及历史数据的记录、查询与输出。

实验平台布置的传感器及相关参数见表1。

表1 实验平台布置的传感器及其参数Table 1 Various sensors and related parameters arranged on the experimental platform

为了获得太阳能—土壤源复合热泵系统(以下简称为复合源热泵系统）的各项运行参数以及气象参数等，本实验台布置了多种传感器。其中，埋管井和观测井中各测点布置情况如图2所示。

图2 埋管井和观测井中各测点布置情况示意图Fig.2 Schematic diagram of the layout of each measuring point in the buried pipe well and observation well

由图2可知，为了获得土壤温度的变化情况，本实验台在埋管井B1内布置了6个测点，埋深分别为5，10，20，60，80，100 m，在埋管井B1，B2之间(间距为5 m）设置了4个观测井，分别记为B11～B14，相邻的埋管井与观测井以及观测井之间的间距均为1 m。每个观测井内布置3个测温点，埋深分别为5，10，20 m。

复合源热泵系统具有4种运行工况，如图3所示。

由图3可知，复合源热泵系统的运行策略主要是基于不同温度层次的太阳能集热量(即集热水箱温度T1），自动控制系统控制不同电动阀和循环泵的状态，从而改变太阳能集热子系统与地埋管换热器子系统、热泵机组子系统的连接方式，实现太阳能集热量的梯级利用，最终达到提高热泵系统工作性能的目的。

表征热泵机组工作性能的参数包括热泵机组性能系数COP，热泵机组的吸热量和制热量等。根据热泵的理想工作循环(即逆向卡诺循环），可得到热泵机组性能系数COP=T2/(T2-T1）[11]。其中：T1为蒸发温度，T2为冷凝温度。将COP分别对T1和T2求导，可得：

由式(1）可知，热泵机组性能随蒸发温度的变化率高于热泵机组性能随冷凝温度的变化率，表明蒸发温度对热泵系统性能的影响高于冷凝温度。因此，本文重点讨论引进太阳能后，提高蒸发温度对热泵系统性能的影响。另外，复合源热泵系统的4种工况中，复合源热泵工况和太阳能热泵工况均是将太阳能利用于热泵机组低温热源(以下简称为热源）端的太阳能利用方式，并且供暖季这两种工况的运行时间较长，因此有必要深入研究这两种工况下热泵系统的工作性能，进而明确这两种工况更合理的运行条件。

2 实验结果分析

实验阶段包括冬季供暖阶段(2021年10月22日-2022年4月1日）、土壤自然恢复阶段(2022年4月1日-6月10日）、土壤跨季蓄热阶段(2022年6月10日-10月8日）。

2.1 蒸发器进口温度对热泵性能的影响

蒸发器进口温度对热泵系统各项性能参数的影响如图4，5所示。

图4 蒸发器出口温度以及热泵机组各项能量随蒸发器进口温度的变化情况Fig.4 The variation of evaporator outlet temperature and various energies of the heat pump unit with the inlet temperature of the evaporator

由图4可知，随着蒸发器进口温度逐渐升高，蒸发器出口温度也逐渐升高，呈近似线性的变化趋势，进而引起热泵机组吸热量逐渐增加。此外，随着蒸发器进口温度的升高，热泵输入功率也略有增加，由6.21 kW增加至6.91 kW，这是由于蒸发温度的升高，导致压缩机吸气比体积降低，进而导致压缩机的比容积压缩功增大，因此压缩机压缩并输送单位体积工质所消耗的功增大[12]。综上，随着蒸发器进口温度的升高，热泵机组吸热量和热泵机组输入功率均逐渐增大，于是导致热泵机组制热量逐渐增大。

由图5可知，随着蒸发器进口温度的升高，热泵机组COP和热泵系统COP均逐渐升高，这是由于在此过程中热泵机组供热量增幅较大，热泵机组输入功率增幅很小，其他循环泵输入功率基本不变。由图5还可看出，热泵系统COP整体上比热泵机组COP约低了2.28，这是由于计算热泵机组COP时，只考虑了热泵机组内压缩机的输入功率，计算热泵系统COP时，在此基础上还考虑各循环泵的输入功率。由此可见，热泵系统是否节能不能仅着眼于热泵机组的性能系数。

图5 热泵机组和热泵系统的COP随蒸发器进口温度的变化情况Fig.5 The variation of COP of heat pump units and heat pump systems with the inlet temperature of the evaporator

2.2 太阳能加入热源端时热泵工作性能分析

2.2.1太阳能的短期储热和即时利用

复合源热泵工况运行时，热泵系统各项参数的变化情况如图6，7所示。

图6 复合源热泵工况运行时，热源侧各温度的变化情况Fig.6 The variation of temperature on the heat source side during one operating cycle of a composite source heat pump

结合图6，7可知，9：30-9：47，热泵系统处于启动等待阶段，在该阶段热泵机组未启动，则蒸发器进口温度和出口温度基本相同，蒸发器吸热量为0。但太阳能集热子系统仍然向热泵系统的热源端持续供热，太阳能总供热量约为21 144.62 kJ，因此，太阳能集热子系统的供热量完全储存于土壤中，产生太阳能向土壤短期储热的运行情况，这种运行情况有利于土壤温度的恢复。当土壤再次向热泵机组供热时，蒸发器进口温度提高，进而提高热泵系统COP，此外，这种运行情况会降低集热水箱温度，进而有利于提高太阳能集热子系统的集热效率。由图6还可看出，9：48-10：19，热泵系统处于运行阶段，该阶段初始时刻，蒸发器出口温度迅速降低，然后蒸发器进、出口温度均逐渐升高，这是由于该时段太阳辐射强度在逐渐增加，导致太阳能集热量逐渐增大，集热水箱温度随之升高，导致蒸发器进、出口温度均逐渐升高。但该时段蒸发器进、出口温度的升高幅度均很小，分别升高了0.76，0.34℃，这对热泵机组吸热量的影响微乎其微，因此热泵机组吸热量基本上没有发生变化。此外，此时段太阳能供热量略有升高，使得土壤取热量略有减小，这也有利于减轻土壤源的供热负荷，进而促进土壤温度的恢复。

2.2.2复合源热泵工况与太阳能热泵工况的对比

①两个测试日气象条件的对比

复合源热泵工况与太阳能热泵工况均为将太阳能运用于热泵系统热源端的运行工况。对于这两种运行工况的优先顺序可以通过实验结果分析加以明确。本课题组选取气象条件相近的两个测试日(2022年3月13日、14日）分别运行太阳能热泵和复合源热泵，实验时间均为9：03-17：33。实验过程中，保持供热温度不变，以减少对热泵冷凝温度的影响。两个测试日，太阳辐射强度和室外温度的变化情况如图8所示。

图8 两个测试日，太阳辐射强度和室外温度的变化情况Fig.8 Changes in solar radiation intensity and outdoor temperature over two test days

由图8可知，两个测试日，太阳辐射强度和室外温度均呈现出先升高后降低的变化趋势。其中，太阳辐射强度的最大值分别为915.67，924.50 W/m2，太阳辐射强度平均值分别为631.41，633.87 W/m2，室外最低温度分别为1.00，1.50℃，室外最高温度分别为6.03，6.42℃。综上可知，两个测试日的气象条件大体相近。

②复合源热泵工况下，热源侧能量及土壤源温度变化趋势的分析

复合源热泵工况下，土壤源和太阳能共同作用于热源侧，热源侧能量变化情况如图9所示。

图9 复合源热泵工况下，热源侧各能量的变化情况Fig.9 The variation of energy on the heat source side under the working condition of a composite source heat pump

由图9可知，复合源热泵工况的运行过程共分为3个阶段。运行初期(9：03-10：23），热泵机组吸热量由土壤源和太阳能共同提供，并且该时段太阳能供热量由11.27 kW逐渐增加至27.65 kW，土壤源供热量由15.53 kW逐渐减少至0 kW；运行中期(10：24-16：03），土壤源供热量始终为负值，这表明在此阶段，土壤源不但不向热泵机组提供热量，反而不断从外界吸收热量，而太阳能集热子系统不仅向热泵机组提供热量，还向土壤源不断储热，使得名义上的复合源热泵工况变成了太阳能热泵工况加土壤源短期储热，这是由于此阶段太阳能集热量的温度层次较高，使得蒸发器出口温度高于土壤源温度，因此工质离开蒸发器进入地埋管后，仍继续向土壤源放热；运行末期(16：04-17：33），随着太阳辐射强度的逐渐降低，太阳能供热量逐渐降低，热泵系统热源端又变成了土壤源和太阳能共同向热泵机组提供热量运行。整体来看，太阳能提供热量与土壤源提供热量形成了对称的变化趋势，二者的波峰与波谷约出现在13：30。

图10为复合源热泵工况下，埋管井土壤源温度的变化情况。

图10 复合源热泵工况下，埋管井土壤源温度变化情况Fig.10 The variation of soil source temperature in a buried tube well under the working condition of a composite source heat pump

由图10可知，太阳能的加入使土壤源(这里主要指地埋管附近的土壤源）温度发生波动。以60 m深度的土壤源温度为例。9：03-10：03，土壤源温度由8.50℃逐渐降低至最低温度8.06℃，这是由于该时段，土壤源与太阳能共同向热泵机组供热，因此土壤源温度逐渐降低；10：04-14：53，土壤源温度由8.06℃逐渐升高至最高温度9.81℃，这是由于此时段太阳能集热量向土壤进行短期储热；14：54以后，由于太阳辐射强度逐渐降低，土壤源储热量逐渐减少，直至试验后期，土壤源和太阳能再次共同向热泵机组提供热量，因此导致这个时段土壤温度逐渐降低。结合图9，10可知，土壤源最低温度出现在土壤短期储热时段之前，即出现在运行中期开始之前(10：24之前），这是由于10：03-10：23，土壤源供热量很少，低于2.44 kW，与此同时，周围土壤不断向地埋管附近土壤传热，因此，10：03之后土壤温度开始逐渐升高。

③两种工况下，热泵系统主要运行参数的对比分析

通过以上分析可知，复合源热泵存在短期蓄热以及土壤源和太阳能共同向热泵机组供热2种运行情况，这必然会导致复合源热泵的运行结果与太阳能热泵存在较大差别。图11，12为两种工况下，集热水箱温度T1、蒸发器进口温度T2以及热泵机组COP的变化情况。

图11 两种工况下，集热水箱温度、蒸发器进口温度的变化情况Fig.11 Changes in the temperature of the collector water tank and the inlet temperature of the evaporator under two working conditions

图12 两种工况下，热泵机组COP的变化情况Fig.12 Changes in COP of heat pump units under two operating conditions

由图11，12可知，两种工况下，集热水箱温度、蒸发器进口温度和热泵机组COP均呈现出先升高后降低的变化趋势，但变化幅度存在明显的差别。9：03-10：53，太阳能热泵工况下的集热水箱温度始终低于复合源热泵工况，这是由于试验初期，在太阳能集热量较少的情况下，太阳能热泵工况仅依靠太阳能集热量向热泵机组供热，没有辅助热源，而复合源热泵工况由太阳能和土壤源共同向热泵机组提供热量，此时段复合源热泵工况有利于集热水箱的储热，而集热水箱温度会影响蒸发器进口温度，最终导致该时段太阳能热泵工况下的热泵机组COP低于复合源热泵工况。10：54-17：33，太阳能热泵工况下的集热水箱温度高于复合源热泵工况，这是由于此阶段前期(10：54-16：03），复合源热泵工况下，太阳能集热量需要同时向热泵机组和土壤源提供热量，这不利于集热水箱温度的提升，使得集热水箱温度始终处于较低的状态，而太阳能热泵工况下，太阳能集热量除了向热泵机组供热以外，其余热量储存于集热水箱内，使得集热水箱温度始终处于较高的状态。对比复合源热泵工况和太阳能热泵工况，前者将多余的太阳能集热量储存于土壤源和集热水箱里，由于土壤源的热容量较大，导致热泵机组热源端始终处于低温状态(蒸发器进口温度较低），进而导致热泵机组的COP较低，但这有利于提高太阳能总储热量(土壤储热量和集热水箱储热量）；后者将多余的太阳能集热量仅储存于集热水箱里，这使得热泵机组热源端处于高温状态(蒸发器进口温度较高），进而导致热泵机组的COP较高，但相比而言，太阳能总储热量较少。此阶段后期(16：04-17：33）随着太阳辐射强度逐渐降低，太阳能集热量逐渐减少，虽然太阳能热泵工况下的集热水箱温度仍相对较高，但逐渐向复合源热泵工况靠拢，且前者的降低幅度较大。此时段内，太阳能热泵工况下蒸发器进口温度的降低幅度也较大，而复合源热泵工况下的蒸发器进口温度降低幅度较小，这说明在太阳辐射强度较低的情况下，复合源热泵有利于保证热泵机组的热源端温度相对稳定。此外，此时段内，虽然太阳能热泵工况下热泵机组的COP仍相对较高，但降低幅度较大，试验结束时，复合源热泵工况下的热泵机组COP已经略高于太阳能热泵工况。

由上述分析结果可知，复合源热泵工况与太阳能热泵工况的影响存在较大的不同。前者在太阳能集热量较低时，有利于保证热泵机组热源端的吸热量，在太阳能集热量较高时，有利于太阳能储热，但不利于提高热泵机组的COP；后者在太阳能集热量较低时，不利于保证热泵机组热源端的吸热量，在太阳能集热量较高时，有利于提高热泵机组的COP。综合考虑，为了提升热泵机组的工作性能，保证热泵机组热源端的吸热量，实现不同温度层次太阳能的有效利用，本文选取在太阳能集热量较低时(即集热水箱温度较低时），优先运行复合源热泵工况，在太阳能集热量较高时，优先运行太阳能热泵工况。

2.3 土壤源跨季蓄热实验分析

由上文可知，土壤源的温度会严重影响复合源热泵系统的工作性能，并且在严寒地区长期运行土壤源热泵系统，会发生土壤源冷堆积现象。因此，本课题基于观测井B12～B14中埋深20 m测点的测量结果，分析不同实验阶段土壤温度的变化情况(观测井B11中的测点由于受到渗流等因素的影响，测量结果趋近于埋管井温度），以确定土壤源跨季蓄热的必要性[13]。

①冬季供暖阶段，土壤源温度变化情况

在冬季供暖阶段，各个测点温度变化趋势如图13所示。

图13 供暖阶段各个测点温度变化趋势Fig.13 During the heating phase,the temperature change trend at each measuring point

由图13可知，供暖开始时，各测点温度的平均值为11.44℃，随着供暖过程的持续进行，土壤源温度呈现出逐渐降低的变化趋势，供暖阶段结束时，各测点温度的平均值降低至9.39℃，土壤源温度降低了2.05℃。

②土壤自然恢复阶段，土壤源温度变化情况

为了分析土壤源温度的自然恢复能力，在供暖阶段结束后，没有立即利用太阳能集热系统向土壤源进行强制蓄热，而是让土壤源温度自然恢复2个多月，各个测点温度变化趋势见图14。

图14 土壤自然恢复阶段各个测点温度变化趋势Fig.14 During the natural recovery stage of soil,the trend of temperature changes at various measuring points

由图14可知，在土壤自然恢复阶段，土壤源温度整体上呈现出先略有降低后逐渐升高的变化趋势。2022年4月1日，各测点温度的平均值为9.39℃。2022年4月7日，各测点温度的平均值降低至9.36℃，这是由于该时间段，埋管井处土壤温度低于观测井，因此观测井处土壤仍然不断向埋管井传递热量。而后土壤源温度逐渐升高，2022年4月7日-5月7日，土壤源温度恢复得较快，各测点温度的平均值由9.36升高至9.46℃，恢复了0.1℃。2022年5月7日-6月10日，土壤源温度恢复得较慢，各测点温度的平均值由9.46℃缓慢升高至9.5℃，恢复了0.04℃。综上可知，整个土壤自然恢复阶段(2个多月），土壤温度仅恢复了0.14℃，远远低于供暖阶段土壤源的降温幅度，这表明土壤源温度的自然恢复能力较差，需要外界能源辅助其恢复温度。

③土壤跨季蓄热阶段，土壤源温度变化情况

在土壤跨季蓄热阶段，各个测点温度变化趋势如图15所示。

图15 在土壤跨季蓄热阶段，各个测点温度变化趋势Fig.15 During the cross season heat storage stage of soil,the temperature variation trend of each measuring point

由图15可知，在土壤跨季蓄热阶段(接近4个月），土壤源温度近似呈线性增加的变化趋势，由9.50℃逐渐升高至10.60℃，升高了1.10℃。结合图14～16可知：仅仅依靠土壤源温度的自然恢复，在下一年供暖阶段开始时，难以恢复到上一年供暖前的温度状态，从而导致土壤源冷堆积现象的发生；通过土壤跨季蓄热能够大幅度提高土壤源的温度。

虽然本次实验未能将土壤源温度恢复到上一年供暖前的状态，但已经缓解了土壤源的冷堆积现象，因此，有必要利用太阳能集热系统对土壤源进行跨级蓄热。