太陽(yáng)能-地下坑槽季節(jié)土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)

摘 要

摘要：介紹了太陽(yáng)能-地下坑槽季節(jié)性土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)的組成、運(yùn)行模式，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，編制程序針對(duì)北京地區(qū)進(jìn)行了全年動(dòng)態(tài)模擬。地下坑槽內(nèi)的土壤可以保持以年為周
摘要：介紹了太陽(yáng)能-地下坑槽季節(jié)性土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)的組成、運(yùn)行模式，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，編制程序針對(duì)北京地區(qū)進(jìn)行了全年動(dòng)態(tài)模擬。地下坑槽內(nèi)的土壤可以保持以年為周期的熱平衡，系統(tǒng)的年平均性能系數(shù)為6.89。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；地下坑槽；水平埋管；季節(jié)性土壤蓄熱；土壤源熱泵
Solar-assisted Ground-source Heat Pump Heating System with Seasonal Soil Heat Storage in Underground Pit
HAN Jing，ZHENG Maoyu，YANG Meng
Abstract：The composition and operation mode of solar-assisted ground-source heat pump heating system with seasolqal soil heat storage in underground pit are introduced.The mathematical model of the system is established，the calculation program is compiled，and the whole year dynamic simulation of the system in Beijing is performed.The soil in underground pit can maintain an annual heat equilibrium，and the annual average performance coefficient of the system is 6.89.
Key words：solar energy；underground pit；horizontal buried pipe；seasonal soil heat storage；ground-source heat pump
1 概述
太陽(yáng)能是一種清潔能源，但具有能量密度低、間歇性和不穩(wěn)定等特點(diǎn)，并且與熱負(fù)荷的需求在量和時(shí)間上存在差異。土壤源熱泵供熱系統(tǒng)由于其高效節(jié)能的特性而引起了廣泛關(guān)注，但必須保證地埋管周?chē)寥赖臒崞胶狻?duì)于冷熱負(fù)荷相差不大的地區(qū)，地埋管周?chē)耐寥阑究梢员３忠阅隇橹芷诘臒崞胶?；?duì)于冷熱負(fù)荷相差較大的地區(qū)，地埋管周?chē)耐寥篮苋菀装l(fā)生熱失衡。1956年，Penrod等人首先提出了太陽(yáng)能集熱器與地埋管組合的設(shè)想，描述了太陽(yáng)能-土壤源熱泵的工作原理，并給出了設(shè)計(jì)過(guò)程[1～2]。隨后，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了廣泛研究[3～9]，但地埋管主要采用豎直埋管，針對(duì)水平埋管的研究較少。
夏季和過(guò)渡季可以利用太陽(yáng)能集熱器收集的太陽(yáng)能向敷設(shè)水平埋管的地下坑槽蓄熱。供暖期，太陽(yáng)能集熱器可以直接供暖，太陽(yáng)能集熱器和地下坑槽也可為熱泵提供熱量進(jìn)行供暖。為此，本文提出太陽(yáng)能-地下坑槽季節(jié)性土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)。先挖掘坑槽，在坑槽的四周及底部進(jìn)行絕熱處理，然后填入比較理想的蓄熱黏土，并敷設(shè)水平埋管，最后在適當(dāng)?shù)纳疃葘?duì)坑槽的上部進(jìn)行絕熱處理，再在上面覆蓋自然土壤。對(duì)地下坑槽進(jìn)行絕熱處理，可以減少外界對(duì)坑槽內(nèi)土壤溫度的影響。蓄熱后，坑槽內(nèi)的土壤可以具有較高的溫度。供暖期，坑槽內(nèi)土壤的溫度較高，波動(dòng)較小，從而提高系統(tǒng)的性能系數(shù)。本文對(duì)太陽(yáng)能-地下坑槽季節(jié)性土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)進(jìn)行模擬。
2 系統(tǒng)的組成以及主要運(yùn)行模式
    太陽(yáng)能-地下坑槽季節(jié)性土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。
 

    系統(tǒng)主要由平板型太陽(yáng)能集熱器、地下坑槽內(nèi)的水平埋管換熱器、熱泵機(jī)組、地板輻射供暖系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)在全年運(yùn)行中，主要有以下4種運(yùn)行模式：
    ① 模式1：土壤蓄熱。非供暖期，閥門(mén)1、2、5、6開(kāi)啟，其余關(guān)閉，把收集的太陽(yáng)能儲(chǔ)存在地下坑槽的土壤中。
    ② 模式2：太陽(yáng)能直接供暖。供暖過(guò)程中，當(dāng)太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)，集熱器內(nèi)介質(zhì)(乙二醇水溶液)的溫度可滿(mǎn)足直接供暖的要求。閥門(mén)7、8、10、9、4、1、13開(kāi)啟，其余關(guān)閉。
    ③ 模式3：太陽(yáng)能熱泵供暖。供暖過(guò)程中，當(dāng)太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)，集熱器內(nèi)介質(zhì)的溫度不能滿(mǎn)足直接供暖的要求，但可以滿(mǎn)足熱泵供暖的要求。閥門(mén)7、11、14、9、4、1、12、15開(kāi)啟，其余關(guān)閉。
    ④ 模式4：土壤源熱泵供暖。供暖過(guò)程中，當(dāng)室外溫度較低、太陽(yáng)輻射較弱時(shí)，集熱器內(nèi)介質(zhì)的溫度不能滿(mǎn)足直接供暖的要求，也不能滿(mǎn)足熱泵供暖的要求，熱泵提取非供暖期儲(chǔ)存在地下坑槽的土壤中的熱量進(jìn)行供暖。閥門(mén)2、3、7、11、14、9、6、12、15開(kāi)啟，其余關(guān)閉。
3 系統(tǒng)模型及運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換條件
3.1 系統(tǒng)模型
   ① 集熱器模型
平板型太陽(yáng)能集熱器吸熱板內(nèi)的流體(乙二醇水溶液)與太陽(yáng)輻射進(jìn)行能量交換，其性能可用能量平衡方程描述：
 
式中Asc——集熱器的有效面積，m2
    Esc——集熱器表面的太陽(yáng)輻照度，W/m2
    τ——蓋板對(duì)太陽(yáng)輻射的透過(guò)率
    α——蓋板對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率
    Φu——集熱系統(tǒng)的有效集熱量，W
    Csc——集熱系統(tǒng)的當(dāng)量熱容，J/K
    θscm、θsce、θsci——集熱系統(tǒng)內(nèi)流體的平均、出口、進(jìn)口溫度，℃
    t——時(shí)間，s
    KL——集熱器的熱損失系數(shù)，W/(m2·K)
    θa——室外空氣溫度，℃
    qm,sc一一集熱器內(nèi)流體的質(zhì)量流量，kg/s
    cp,f——集熱器內(nèi)流體的比定壓熱容，J/(kg·K)
   ② 地埋管換熱器模型
   地埋管換熱器采用10個(gè)U形水平埋管并聯(lián)組成，U形管長(zhǎng)度為72m，U形管之間的水平間距為2m，每個(gè)U形管兩管的垂直間距為0.8m。為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略U形管軸向的溫度梯度，選用二維直角坐標(biāo)系，垂直方向?yàn)閥軸，水平方向?yàn)閤軸。地下坑槽內(nèi)水平埋管的剖面見(jiàn)圖2。
 

    地埋管換熱器進(jìn)出口流體(乙二醇水溶液)溫控制方程為[10]：
 
式中θf,o、θf,i——地埋管換熱器出口、進(jìn)口流體溫度，℃
   θs——地下坑槽內(nèi)土壤的溫度，℃
   λs——土壤的熱導(dǎo)率，W/(m·K)
   L——水平埋管一個(gè)支路的管長(zhǎng)，m
   qm,f——水平埋管一個(gè)支路的質(zhì)量流量，kg/s
　　地埋管換熱器周?chē)寥赖目刂品匠虨椋?/span>
 
式中ρs——地下坑槽內(nèi)土壤的密度，kg/m3
    cp,s——地下坑槽內(nèi)土壤的比定壓熱容，J/(kg·K)
地埋管外壁處的邊界條件為：
 
式中r——地埋管外半徑，m
    qz——單位管長(zhǎng)的換熱量，W/m
    d——地埋管外徑，m
   ③ 熱泵模型
   本文根據(jù)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷選取熱泵，采用對(duì)熱泵樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的方法建立熱泵的數(shù)學(xué)模型。熱泵的制熱量和耗電量一般可以擬合成蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)口溫度和冷凝器側(cè)進(jìn)口溫度的函數(shù)形式：
 
式中Φc——熱泵的制熱量，kW
    a1、b1、c1、a2、b2、c2——擬合系數(shù)
    θe,i——蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)口溫度，℃
    θc,i——冷凝器側(cè)進(jìn)口溫度，℃
    Php——熱泵的耗電功率，kW
   ④ 地板輻射供暖系統(tǒng)模型
本文選用的研究建筑(別墅)采用地板輻射供暖方式，供熱介質(zhì)為水。地面層為瓷磚，厚度為10mm，加熱管外徑為20mm，填充層厚度為50mm，管間距為200mm。地板輻射的傳熱是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，本文根據(jù)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)擬合所得的公式計(jì)算地板單位面積的散熱量[11]：
 
式中q——地板單位面積的散熱量，W/m2
    λ1～λ5——地面層、找平層、填充層、絕熱層、基礎(chǔ)層的熱導(dǎo)率，W/(m·K)
    θm——地板輻射供暖系統(tǒng)供回水平均溫度，℃
    θn——室內(nèi)空氣溫度，℃
    s——管間距，m
    CA、CB——擬合系數(shù)
    h0、h——計(jì)算系數(shù)
    δ1～δ5——地面層、找平層、填充層、絕熱層、基礎(chǔ)層的厚度，m
    d′——加熱管外徑，mm
   ⑤ 房間熱力模型
   房間的逐時(shí)熱負(fù)荷Φ可以由分析軟件DEST進(jìn)行計(jì)算，室內(nèi)溫度變化可由下式計(jì)算：
 
式中θ、θ′——當(dāng)前時(shí)刻、前一時(shí)刻的供暖房間溫度，℃
    Φ′——供暖房間的瞬時(shí)供熱量，W
    Φ——供暖房間的瞬時(shí)熱負(fù)荷，W
    C——供暖房間等效熱容量，J/K
3.2 系統(tǒng)運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換條件
 
4 系統(tǒng)的全年運(yùn)行特性分析
4.1 模擬參數(shù)
    在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及系統(tǒng)運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換條件的基礎(chǔ)上，編制程序針對(duì)北京地區(qū)某別墅進(jìn)行模擬。該別墅的建筑面積為372.44m2，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為12.7kW。整個(gè)模擬過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一階段為蓄熱階段(3月16日—11月14日)，第二階段為供暖階段(11月15日一次年3月15日)。主要模擬參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 主要模擬參數(shù)
集熱器
傾角/(°)
50
Asc/m2
40
KL/(W·m-2·K-1)
4.68
τα
0.78
Csc/(MJ·K-1)
1.872
土壤
ρs/(kg·m-3)
2120
cp,s(J·kg-1·K-1)
1975
λs/(W·m-1·K-1)
2.44
土壤初始溫度/℃
7.6
地下坑槽體積/m3
1600
地埋管換熱器
L/m
72
流量/(m3·h-1)
3.8
乙二醇水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%)
密度/(kg·m-3)
1025
cp,f/(J·kg-1·K-1)
3870
熱泵
a1
0.3015
b1
-0.0555
c1
10.2480
a2
-0.0650
b2
0.0429
c2
0.6518
循環(huán)泵
額定功率/W
250
在模擬分析中，采用中國(guó)氣象局氣象信息中心提供的建筑熱環(huán)境氣象數(shù)據(jù)集中北京地區(qū)典型年的氣象數(shù)據(jù)[12]。全年室外日平均氣溫及水平面日太陽(yáng)輻射總量見(jiàn)圖3、4。由圖3、4可知，在非供暖期，室外溫度較高，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，可以把這部分太陽(yáng)能儲(chǔ)存到地下坑槽中，供暖期再用熱泵提取，進(jìn)行供暖。在供暖期，太陽(yáng)輻射與建筑熱負(fù)荷在時(shí)間上不同步，供暖初期和末期，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，室外平均溫度較高，熱負(fù)荷較小；供暖中期，室外平均溫度較低，熱負(fù)荷較大，太陽(yáng)輻射較弱。因此，在供暖初期和末期，優(yōu)先利用集熱器收集的太陽(yáng)能供暖，減少熱泵的耗電量，提高系統(tǒng)的性能。
 

4.2 蓄熱性能分析
    蓄熱期集熱器內(nèi)流體的日平均進(jìn)出口溫度、水平埋管內(nèi)流體的日平均進(jìn)出口溫度、地下坑槽內(nèi)土壤的日平均溫度見(jiàn)圖5～7。

    由圖5可知，集熱器內(nèi)流體的日平均進(jìn)出口溫度為7～40℃，日平均進(jìn)出口溫差為1～8℃。由圖6可知，水平埋管內(nèi)流體的日平均進(jìn)出口溫度為8～35℃，日平均進(jìn)出口溫差為1～5℃。由圖7可知.地下坑槽內(nèi)土壤的日平均溫度一直在升高，且升高速率逐漸減小，這是由于集熱器內(nèi)的流體與地下坑槽內(nèi)土壤的溫差逐漸減小所致。蓄熱結(jié)束時(shí)，地下坑槽內(nèi)土壤的平均溫度為22.21℃。
    蓄熱期，循環(huán)泵耗電能為0.68GJ，集熱器表面的太陽(yáng)輻射總量為147.91GJ，集熱器的集熱量為107.57GJ，則集熱器的平均效率為72.73%，向土壤蓄熱97.87GJ。
4.3 取熱性能分析
   供暖期集熱器內(nèi)流體的H平均溫度、水平埋管內(nèi)流體的日平均進(jìn)出口溫度、地下坑槽內(nèi)土壤的日平均溫度、地板輻射供暖系統(tǒng)日平均進(jìn)出口溫度、日總供熱量與日總熱負(fù)荷、室內(nèi)日平均溫度見(jiàn)圖8～13。

    由圖8可知，集熱器內(nèi)流體的日平均溫度為-5～45℃。由圖9可知，水平埋管內(nèi)流體的日平均進(jìn)出口溫度為1～16℃，日平均進(jìn)出口溫差為1～3℃。由圖10知，地下坑槽內(nèi)土壤的日平均溫度一直在降低，且降低速率逐漸減小，這是由于蒸發(fā)器內(nèi)的流體與地下坑槽內(nèi)土壤的溫差逐漸減小所致。供暖結(jié)束時(shí)，地下坑槽內(nèi)土壤的平均溫度為10.86℃，高于蓄熱啟動(dòng)時(shí)的溫度，說(shuō)明從地下坑槽的取熱量可完全來(lái)自蓄熱期的蓄熱量，且地下坑槽為下個(gè)供暖期儲(chǔ)存了一部分熱量。
    由圖11～13可知，地板輻射供暖系統(tǒng)日平均供回水溫度為18～30℃，日平均供回水溫差為1～5℃。日總供熱量的變化趨勢(shì)基本與地板輻射供暖系統(tǒng)日平均進(jìn)出口溫度基本一致。整個(gè)供暖期，室溫均在18℃以上，滿(mǎn)足要求。
    北京地區(qū)的供暖期為121d，系統(tǒng)運(yùn)行1746h。集熱器直接供熱404h，太陽(yáng)能熱泵供熱329h，土壤源熱泵供熱1013h。集熱器直接供熱量18.18GJ，熱泵從坑槽內(nèi)土壤取熱46.59GJ，從集熱器取熱6.47GJ，熱泵耗電能7.63GJ，循環(huán)泵耗電能3.14GJ，系統(tǒng)的總供熱量為78.87GJ。供暖期系統(tǒng)的平均性能系數(shù)為7.32，全年系統(tǒng)的平均性能系數(shù)為6.89。
5 結(jié)論
    ① 在地下坑槽內(nèi)敷設(shè)水平埋管并進(jìn)行絕熱處理，有效地減少了外界對(duì)地下坑槽內(nèi)土壤溫度的影響。
    ② 通過(guò)非供暖期的蓄熱，提高了地下坑槽內(nèi)土壤的溫度，提高了熱泵的性能系數(shù)，維持了地下坑槽內(nèi)土壤的熱平衡。
    ③ 系統(tǒng)的年平均性能系數(shù)為6.89，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
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(本文作者：韓靖1 鄭茂余2 楊萌3 1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院 第六工程所 河南鄭州 450007；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150090；3.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院第三設(shè)計(jì)院 湖北武漢 430010)