太阳能地源热泵联合供热水系统TRNSYS模拟与研究

太阳能地源热泵联合供热水系统TRNSYS模拟与研究李淋;徐青山;蒋菱;霍现旭;李国栋【摘要】地源热泵长期运行从土壤中取热,导致地埋管换热器附近土壤温度持续性降低,会降低系统运行效率直至系统崩溃.为解决这一问题,以天津地区某高校学生公寓供应生活热水工程为例,建立太阳能地源热泵联合供热水系统.利用TRNSYS软件搭建仿真模型,从系统换热量、性能系数、太阳能集热效率的数据结果证明系统的可行性;对系统中各用电设备的月总用电量、年用电量进行数值分析,验证系统的经济性;研究第一年每月和10a内土壤平均温度和热不平衡率的变化情况,证明系统的可持续性和稳定性.仿真结果表明,通过将太阳能与地源热泵联合起来供应高校生活热水,可以有效解决地埋管附近土壤温度持续性降低的问题,验证了所建立系统的正确性及有效性.%Ground-source heat pump system takes heat from the soil,causing the temperature of soil which near the buried pipe heat exchanger to get lower and lower,and even leading to the collapse of the system.To solve the problem,according to the hot water system project of student apartment in Beijing,a solar-ground source heat pump system model is established.Then Carrying out a simulation study of the system based on TRNSYS program is to verify the correctness of the model:firstly computes the amount of heat exchange,the coefficient of performance(COP)of system and the coefficient of solar collector to prove the feasibility of the system;then analyses the monthly and annual electricity consumption of all equipment to verify the economy;finally studies the soil temperature and the ratio of the soil heat imbalance to analyze the sustainability and stability of the system.Study case shows thatit can solve the persistent reduction of soil temperature by combining the solar energy and ground-source heat pump together to supply hot water.The result confirms correctness and validity of the proposed model.【期刊名称】《电网与清洁能源》【年(卷),期】2017(033)009【总页数】7页(P124-130)【关键词】太阳能;地源热泵;TRNSYS;可行性;经济性;可持续性【作者】李淋;徐青山;蒋菱;霍现旭;李国栋【作者单位】东南大学电气工程学院,江苏南京210096;东南大学电气工程学院,江苏南京210096;国网天津市电力公司电力科学研究院,天津300392;国网天津市电力公司电力科学研究院,天津300392;国网天津市电力公司电力科学研究院,天津300392【正文语种】中文【中图分类】TU83随着社会的快速发展和人民生活质量的提高，稳定的生活热水供应成为一项必备的建筑设施。

在国家推动能源生产、节能减排的新形势下，利用可再生能源、减少污染废弃物的排放，是政府、企业和民众的共同目标 [1-3]。

减少碳等传统化石能源的使用，加大可再生能源的能源市场占有率，促进全球能源互联网的发展是解决人类能源危机、环境污染和气候变暖的有效途径[4-6]。

太阳能集热器和地源热泵是利用可再生能源供热的2种有效方式，太阳能集热器将光照中的太阳能转化为水的热能，其投资较小，使用年限一般为7～8 a[7-8]；但太阳能集热器供热水受季节、天气及所在空间位置影响较大，具有一定的不稳定性[9-10]。

地源热泵是向土壤中释放热量或者吸收热量来制冷或者制热的，具有节能、环保、效率较高、受季节因素影响小等优点，同时维护成本也较低[11-12]；但是地源热泵前期投资大、长期从土壤中取热会造成土壤温度下降，影响整个系统的效率[13-14]。

为了解决太阳能集热器供热的不稳定性和地源热泵系统附近土壤温度持续性降低的问题，本文提出将太阳能和地源热泵联合起来供应热能。

目前，已有的国内外研究主要集中在联合系统效率高、性能好等方面。

文献[9]对太阳能地源热泵联合系统进行了能量和火用分析，结果表明热泵的COP在3.12～3.64之间，而系统的COP在2.72～3.43之间。

文献[10]在公共建筑中设计了一套复合式太阳能-地源热泵系统，并用TRNSYS软件进行预测仿真，结果表明所设计的系统可以有效、稳定长期运行，节省了经济开支。

文献[11]建立了传统的地源热泵系统和复合式地源热泵系统，在TRNSYS进行模拟对比分析，结果表明利用太阳能辅助地源热泵在以热负荷为主的建筑物中是可行的，在设定的20 a仿真年限内，混合式地源热泵比传统的地源热泵的净现值（NPV）低3.7%～7.6%。

文献[12]建立了太阳能地源热泵耦合系统，通过对全年热量平衡进行计算，结果发现可以克服单一使用地源热泵或太阳能系统的运行性能低的问题，并且经济效益更好。

这些文献没有考虑到地源热泵长期运行可能出现的土壤热失衡问题，文献[19]提出将太阳能地源热泵系统（SGCHP）应用到寒冷地区的方案，并用TRNSYS软件进行仿真动态模拟，对热负荷远大于冷负荷的严寒地区土壤温度问题进行研究。

文献[20]在实际搭建太阳能地源热泵系统基础上，分析了整个系统的用能情况和分析地温变化情况，并着重对运行策略进行研究。

本文以天津地区某高校学生公寓太阳能地源热泵联合供热水工程为基础，在TRNSYS软件上搭建仿真模型，对仿真结果进行分析研究，验证系统的可行性、经济性和可持续性。

我国北方地区地热资源和太阳能资源丰富，冬季的供热需求大[21]。

在天津地区某高校建立学生公寓供应生活热水工程：以天津地区某高校学生公寓供应生活热水工程为例，每月根据气温和学生在校情况的日用水量见表1。

学生用户在寒暑假时间段的热水负荷需求很小，太阳能地源热泵联合供热系统的热能需求量几乎为0，结合系统最大限度利用太阳能的原则，将太阳能输入到土壤中来进行热补偿[19-21]，工程原理图见图1[22]。

在高校上课期间供热过程运作，地源热泵系统正常工作，太阳能集热器和地源热泵联合起来供应生活热水；高校放假期间补热过程运作地源热泵系统停止工作，利用板式换热器将太阳能输入到土壤中，以达到热平衡的作用。

太阳能集热器采用强制循环，集热器的倾角设置为0°。

依据06SS128太阳能集中热水选用与安装规范，可以由日平均用水量、温度和其他已知变量直接计算出直接式系统集热器总面积：式中：AC为太阳能集热器总面积，m2；Qd为日平均用水量，L；c为水的比热容，kJ/（kg·℃）；ρr为水的密度，kg/L；tend为集热水箱内水的终止设计温度，℃；tL为水的初始温度，℃；JT为集热器总面积上年平均日或月平均日太阳能辐射量，kJ/m3；f为太阳能保证率，经验值取0.30～0.80；ηcd为集热器年或月平均集热效率，经验值取0.25～0.50；ηL为管路及贮水箱的热损失率。

冬季日均用热水量最大，由太阳能提供总制热水热量的25%。

集热水箱体积的确定与集热面积有关，一般而言1 m2的集热面积对应于40～100 L集热水箱的体积，本工程中取58 L。

热泵机组的制热量和土壤源热泵系统的日耗热量为：式中：Qd为日耗热量，kW；Qg为热泵机组设计小时平均供热量，kW；m为用水计算单位数；qr为热水用水定额，L/（人·d）；ρ为水的密度，kg/L；c为水的比热容，kJ/（kg·℃）；tr为热水温度，℃；tL为冷水温度，℃；k1为安全系数；T1为热泵机组设计工作时间，h。

地源热泵系统在日均用热水量最大的冬季承担总制热量的75%，制热水的时间为15 h。

根据GB50366—2009《地源热泵系统工程技术规范》相关规定，一般地下钻孔的热间距为3～6 m，本工程取4 m。

天津地区地下地埋管换热器单位管长换热量为50 W/m，根据相关公式可计算出满足冬季最大吸热量所需的钻井长度和钻井个效：式中：L为地埋管换热器的总管长，m；Q1为地埋管换热器的热负荷，kW；q为单位管长换热量，W/m；H为设计的钻井深度，m；N为钻井个数。

基于TRNSYS软件，建立了高校学生公寓太阳能地源热泵联合供热水系统的仿真模型，各部件的型号选择见表2。

太阳能地源热泵联合供热水系统的工作过程分为3部分：集热过程、储热过程、补热过程，集热过程是太阳能集热器吸收太阳光中的能量；储热过程是当太阳能集热器中水温达到设定温度时，将集热器中的热水输送到保温水箱中进行储热的过程；补热过程是学生公寓没有热水需求时间段将集热器中的热水热能通过板式换热器输送到土壤中，进行补热的过程。

太阳能集热过程中温差控制器上限为10℃，下限设置为2℃，同时若负荷侧出口温度高于切断温度上限（100℃）则停止工作[22-25]。

太阳能储热过程温差控制上限设置为15℃，下限设置为0℃，设定温度为60℃，若超过切断温度上限停止工作。

土壤补热过程发生在高校放假时间段的8：00-17：00，高校上课时间段14：00-16：00，启动循环泵将太阳能热水中热量输送到土壤中，对土壤进行补热，其他时间段关闭补热过程，仿真图如图2。

该系统的热源为太阳能和地源热泵，通过输出部件与气象部件、集热水箱和储热水箱连接，以月和年为积分时间单位[25]，输出太阳能总辐射量为IColl，集热器吸收的有用能为Qucoll、地源热泵辅助加热能量为QAux、地源热泵功率月积分量为Q、太阳能集热效率为η、性能系数为COP。