案例：太陽能-地源熱泵季節(jié)性蓄熱供熱系統(tǒng)
文章來源:未知時(shí)間:2022-01-24
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本文以上海地區(qū)復(fù)合式太陽能-地源熱泵季節(jié)性蓄熱供熱系統(tǒng)為研究對(duì)象，在蓄熱模式和供熱模式這兩種運(yùn)行模式下，利用TRNSYS軟件建立系統(tǒng)模型，研究該系統(tǒng)在一個(gè)完整的蓄熱季和供熱季下，土壤溫變特性、系統(tǒng)能量損失和系統(tǒng)熱效率隨時(shí)間的變化規(guī)律。
0 引言 太陽能作為最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉粗唬陙硪言谖覈?guó)廣泛利用。但由于太陽能受晝夜、季節(jié)以及天氣等隨機(jī)因素影響較大，太陽能供暖系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性差，需要增加輔助熱源或者蓄熱裝置，目前研究以太陽能-空氣源熱泵復(fù)合系統(tǒng)和太陽能-吸收式機(jī)組復(fù)合系統(tǒng)為主，另外也有太陽能-地?zé)崮芟到y(tǒng)。
國(guó)內(nèi)對(duì)于太陽能+地?zé)崮芊矫娴难芯考杏谔柲芘c土壤跨季節(jié)蓄熱加熱生活熱水，或者過渡季蓄熱冬季供熱，缺乏夏熱冬冷地區(qū)長(zhǎng)期蓄熱供熱的研究。國(guó)外雖然有一部分針對(duì)太陽能與地源熱泵跨季節(jié)蓄熱供熱的研究，但大多數(shù)集中于北歐和北美氣候嚴(yán)寒且地?zé)崮墚惓ＸS富的地區(qū)，與我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)運(yùn)行特性存在較大差別。針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)建筑供暖時(shí)間不長(zhǎng)，同時(shí)考慮到利用太陽能供熱和提高系統(tǒng)效率等方面，本文提出了一種上海地區(qū)復(fù)合式太陽能-地源熱泵季節(jié)性蓄熱供熱系統(tǒng)，并利用TRNSYS軟件模擬系統(tǒng)運(yùn)行特性，分析了在一個(gè)完整的蓄熱季和供熱季下，土壤的溫變特性和系統(tǒng)的能量及效率隨時(shí)間的變化規(guī)律，為夏熱冬冷地區(qū)太陽能-地源熱泵季節(jié)性蓄熱供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 復(fù)合式太陽能-地源熱泵季節(jié)性蓄熱供熱系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)由太陽能集熱器、蓄熱水箱、地埋管、地源熱泵機(jī)組和系統(tǒng)末端組成，通過地埋管將集熱器收集的熱量存儲(chǔ)在土壤中，當(dāng)末端出現(xiàn)供暖需求時(shí)，再將存儲(chǔ)的熱量提取出來向用戶供熱。
該系統(tǒng)可分為集熱子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和供熱子系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)。太陽能集熱器通過集熱循環(huán)泵將熱量蓄存在蓄熱水箱中的循環(huán)為集熱循環(huán)，集熱器面積為200 m2，水箱容積為12 m3；蓄熱水箱通過地埋管將熱量蓄存到土壤中的循環(huán)為蓄熱循環(huán)，地埋管為單U型管，每?jī)筛艽?lián)為一組，4組并聯(lián)，共8根U型管；供熱循環(huán)包括蓄熱水箱供熱、地埋管直接供熱和地源熱泵供熱3種供熱方式。蓄熱水箱的作用一是在蓄熱過程中保持地埋管的輸入溫度較為穩(wěn)定，二是可以在供熱季為用戶直接供熱。用戶側(cè)是上海地區(qū)200 m2的住宅建筑，考慮到一棟建筑的地埋管數(shù)量太少，蓄熱效果不明顯，故本文用戶側(cè)采用3棟建筑，建筑面積共600 m2，設(shè)計(jì)供熱溫度為20 ℃。
系統(tǒng)的運(yùn)行模式分為蓄熱模式和供熱模式，夏季和過渡季節(jié)蓄熱，冬季供熱。蓄熱時(shí)集熱器的熱量通過水箱蓄存到地埋管周圍的土壤中。系統(tǒng)的運(yùn)行通過溫差控制，為保證系統(tǒng)效率，當(dāng)集熱器出口水溫與蓄熱水箱回水溫度的溫差大于8 ℃時(shí)，集熱循環(huán)泵開啟，當(dāng)兩者溫差小于3 ℃時(shí)，集熱循環(huán)泵關(guān)閉，集熱子系統(tǒng)停止運(yùn)行。蓄熱子系統(tǒng)的控制方式與集熱子系統(tǒng)相同。供熱子系統(tǒng)共有3種運(yùn)行模式：
1）當(dāng)白天光照較好時(shí)，蓄熱水箱中的水溫較高，蓄熱水箱可以直接向末端供熱；
2）在光照不好的白天或是夜晚，當(dāng)水箱中的水溫不足40 ℃時(shí)，若地埋管出口溫度高于40 ℃，由地埋管直接向末端供熱；
3）以上兩者都不能滿足需求的情況下，通過地源熱泵供熱。
圖1 復(fù)合式太陽能-地源熱泵季節(jié)性蓄熱供熱系統(tǒng)原理
2 模型建立 根據(jù)系統(tǒng)原理，在TRNSYS平臺(tái)上搭建系統(tǒng)模型。系統(tǒng)模型包括建筑模塊、太陽能集熱模塊、地埋管蓄熱模塊和控制系統(tǒng)模塊。該模型的主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。
熱泵機(jī)組的外部選用某熱泵機(jī)組樣本?？刂葡到y(tǒng)模塊主要包括溫差控制、時(shí)間控制和溫度控制。溫差控制器主要控制集熱系統(tǒng)和蓄熱系統(tǒng)的啟停，當(dāng)溫差大于8 ℃時(shí)開啟，低于3 ℃時(shí)停止；時(shí)間控制主要是蓄熱季和供熱季的控制，蓄熱季節(jié)為4月1日至10月31日，供熱季節(jié)為11月1日至次年3月31日；3種供熱模式之間的切換通過溫度控制，當(dāng)蓄熱水箱出水溫度高于40 ℃時(shí)采用水箱供熱；當(dāng)水箱出水溫度低于40 ℃，而地埋管出水溫度高于40 ℃時(shí)，采用地埋管直接供熱；當(dāng)以上兩者均不滿足時(shí)，采用熱泵供熱。
3 結(jié)果分析 模擬時(shí)間設(shè)定為4月1日至次年的3月31日，時(shí)間步長(zhǎng)為1 h，模擬分析經(jīng)過一個(gè)蓄熱季和一個(gè)供熱季后，土壤溫度的變化特性及系統(tǒng)的能量損失和效率變化。系統(tǒng)的熱效率指標(biāo)包括土壤蓄熱率、系統(tǒng)蓄熱率、集熱器熱效率和蓄熱水箱熱效率。土壤蓄熱率為土壤蓄熱量與土壤輸入能量的比值：
圖2所示為土壤全年日平均溫度隨時(shí)間的變化。本次模擬中土壤的初始溫度設(shè)定為18 ℃。從圖2可以看出，經(jīng)過6個(gè)月的蓄熱季，土壤平均溫度由最初的18 ℃上升到45.7 ℃，溫度升高了27.7 ℃，其中9月14日土壤溫度達(dá)到最高值為48.5 ℃，9月15日至10月31日，隨著氣溫的降低，蓄熱量減少，土壤的散熱量大于蓄熱量，故溫度略有下降。供熱季隨著土壤直接供熱和熱泵供熱，蓄熱體土壤的溫度逐漸降低，由45.7 ℃降至20.5 ℃，相比于初始的18 ℃，溫度升高2.5 ℃，因此隨著運(yùn)行年數(shù)的增加，蓄熱土壤的溫度將逐年升高。
圖3所示為蓄熱季當(dāng)月土壤蓄熱量和熱損失隨時(shí)間的變化。土壤蓄熱量與熱損失之和即為土壤的輸入能量，集熱量與土壤輸入能量的差值為經(jīng)過蓄熱水箱的熱損失。由圖3可知，集熱器集熱量和土壤得熱量均隨輻射量而變化，7月份達(dá)到最大值。
蓄熱季開始時(shí)，由于土壤初始溫度低，地埋管換熱器與蓄熱土壤的換熱溫差大，而蓄熱體與周圍土壤的溫差相對(duì)較小，故4月份蓄熱土壤內(nèi)能變化最大，熱損失最少。隨著蓄熱土壤溫度的升高，與地埋管換熱器的傳熱溫差逐漸減小，與周圍土壤的傳熱溫差逐漸增大，因此內(nèi)能變化逐月減小，熱損失逐月增大。10月份時(shí)，隨著氣溫降低和太陽輻射的減少，集熱器集熱量小于蓄熱土壤的散熱量，故10月份內(nèi)能變化為負(fù)值。
蓄熱土壤的熱損失包括蓄熱體底部散熱量、側(cè)面散熱量和頂部散熱量，供熱季蓄熱體的供熱量主要包括通過地埋管的直接供熱量和地源熱泵機(jī)組的吸熱量。
圖4所示為蓄熱季和供熱季的土壤能量分布。蓄熱季土壤的蓄熱率為42.70%，其余能量均通過蓄熱體的頂部、側(cè)面和底部散失，其中側(cè)面為蓄熱體的主要散熱面，故側(cè)面散熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頂部和底部散熱量，占輸入能量的54.01%；頂部和底部的散熱面積較小，故散熱量少，但頂層土壤受空氣溫度變化影響，底層土壤相對(duì)于頂層土壤來說溫度穩(wěn)定，故底部散熱量占輸入能量的1.50%，小于頂部1.79%的散熱量。
供熱季輸出能量為散熱量、直接供熱量和熱泵吸熱量。由圖2可知，供熱季蓄熱體平均溫度高于40 ℃的時(shí)間較短，故土壤直接供熱量較少，占輸出能量的1.24%；大部分供熱量為地源熱泵機(jī)組的吸熱量，占輸出能量的80.67%；相較于供熱量，頂部散熱量、側(cè)面散熱量和底部散熱量之和較小，僅占18.09%，這是因?yàn)楫?dāng)蓄熱體溫度降低時(shí)，與周圍土壤的溫差變小，故散熱量減少。
圖5所示為蓄熱季系統(tǒng)各部分月平均熱效率隨時(shí)間的變化。土壤蓄熱率為土壤蓄熱量與土壤輸入能量的比值，系統(tǒng)蓄熱率為土壤蓄熱量與系統(tǒng)輸入能量即集熱器集熱量的比值。由圖5可知，隨著蓄熱時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤蓄熱率和系統(tǒng)蓄熱率逐月下降。結(jié)合圖3的分析，4月份開始蓄熱時(shí)，蓄熱土壤的初始溫度只有18 ℃，水箱與蓄熱土壤的傳熱溫差大，蓄熱土壤的內(nèi)能增長(zhǎng)最大，故土壤蓄熱率高；隨著蓄熱土壤溫度的升高，土壤蓄熱率逐漸降低，10月份蓄熱體的散熱量大于得熱量，蓄熱土壤內(nèi)能減小，故土壤蓄熱率變?yōu)樨?fù)值。同理，系統(tǒng)蓄熱率在4月份最高為87.70%，在10月份降為負(fù)值。整個(gè)供熱季土壤的平均蓄熱率為42.70%，系統(tǒng)的平均蓄熱率為37.70%。
在蓄熱季，集熱器和水箱熱效率相對(duì)穩(wěn)定，集熱器熱效率在40%~85%之間，水箱熱效率在65%~90%之間。結(jié)合圖3可知，集熱器熱效率受溫度和輻射量的影響逐月減小。蓄熱水箱熱效率為供熱量與得熱量之比，故蓄熱季影響水箱熱效率的因素主要是集熱器集熱量和蓄熱土壤的能量變化。
圖6所示為供熱季太陽能保證率變化和不同供熱方式的運(yùn)行時(shí)間。供熱時(shí)間段為全天供熱。結(jié)合圖2蓄熱體溫度與氣溫的變化，由于供熱季蓄熱體土壤溫度高于40 ℃的時(shí)間僅出現(xiàn)在11月份，故土壤直接供熱方式僅在11月份運(yùn)行。水箱供熱的運(yùn)行時(shí)間主要受氣溫和輻射強(qiáng)度的影響，氣溫越高，太陽輻射強(qiáng)度越好，水箱供熱時(shí)間越長(zhǎng)。而當(dāng)氣溫持續(xù)較低、輻射強(qiáng)度不夠的時(shí)候，熱泵供熱時(shí)間便會(huì)延長(zhǎng)。太陽能保證率是指系統(tǒng)中由太陽能供給的熱量占系統(tǒng)總熱負(fù)荷的百分率，本系統(tǒng)中由太陽能供給的熱量主要包括水箱供熱和土壤直接供熱兩部分。
由圖6可知，熱泵供熱時(shí)間越長(zhǎng)，即水箱供熱與土壤直接供熱的時(shí)間越短，太陽能保證率就越低。11月份時(shí)主要供熱方式為水箱供熱和土壤直接供熱，熱泵供熱時(shí)間極短，故11月份的太陽能保證率最高。經(jīng)計(jì)算，整個(gè)供熱季節(jié)的太陽能保證率為0.3。
系統(tǒng)COP是系統(tǒng)供熱量與系統(tǒng)能耗的比值，系統(tǒng)的能耗包括泵耗與熱泵機(jī)組的能耗。圖7所示為供熱季熱泵機(jī)組及系統(tǒng)COP的月平均值隨時(shí)間的變化。熱泵機(jī)組與系統(tǒng)月平均COP的最大值均出現(xiàn)在11月份，即供熱季開始階段。11月份土壤溫度最高，故機(jī)組COP最大，之后隨著土壤溫度的降低而下降。系統(tǒng)中水泵的能耗遠(yuǎn)小于熱泵機(jī)組的能耗，故對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，熱泵供熱時(shí)間越短，系統(tǒng)COP越大，11月份主要以水箱供熱和土壤直接供熱為主，熱泵運(yùn)行時(shí)間極短，因此11月份的系統(tǒng)COP遠(yuǎn)大于機(jī)組COP。供熱季機(jī)組的平均COP為5.08，系統(tǒng)平均COP為4.81，全年系統(tǒng)COP為系統(tǒng)供熱量與全年能耗之比，大小為3.76，因此系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果。
4、結(jié)論 本文利用TRNSYS軟件對(duì)上海地區(qū)復(fù)合式太陽能-地源熱泵季節(jié)性蓄熱供熱系統(tǒng)進(jìn)行模擬，分析了在一個(gè)完整的蓄熱季和供熱季，土壤的溫度變化特性、蓄熱土壤的能量變化和分配以及系統(tǒng)熱效率和COP隨時(shí)間的變化，得出如下結(jié)論：
1）上海地區(qū)復(fù)合式太陽能-地源熱泵季節(jié)性蓄熱供熱系統(tǒng)在蓄熱季可實(shí)現(xiàn)土壤蓄熱溫度45.7 ℃，經(jīng)過一個(gè)供熱季后，蓄熱土壤的平均溫度相比于初始溫度升高2.5 ℃；
2）蓄熱季土壤的熱損失為57.3%，即土壤蓄熱率為42.7%，供熱季土壤的熱損失為18.09%；蓄熱水箱在蓄熱季的得熱量和供熱量均大于供熱季，熱損失相差不大；
3）土壤蓄熱率、系統(tǒng)蓄熱率、集熱器熱效率和水箱熱效率均隨蓄熱時(shí)間的增加而減??；
4） 供熱季11月份太陽能的保證率最大值為0.8，整個(gè)供熱季節(jié)的太陽能保證率為0.3；供熱季機(jī)組的平均COP為5.08，系統(tǒng)平均COP為4.81，系統(tǒng)全年平均COP為3.76，具有良好的節(jié)能效果。
