0 引言

严寒地区单独采用地埋管地源热泵系统很难满足建筑供暖、供冷及生活热水要求^[1]。利用太阳能作为地埋管地源热泵系统的辅助热源对建筑进行联合供能是一种比单一热源热泵系统更高效、节能、环保的能源利用模式^[2]，该耦合系统符合建筑节能需求，进而得到了越来越广泛的关注^[3]。与其他供能方式相比，耦合系统有很多优点，但同时也面临一个难题：严寒地区供暖要求远大于供冷要求，且土壤温度偏低，若不采取相关措施，耦合系统长期运行会造成土壤热失衡，进而系统不能长期高效运行^[4]。为了更好地满足供能要求，需要对其运行模式进行优化^[5]。

针对太阳能地埋管地源热泵耦合系统的运行模式优化问题，国内外学者主要研究了系统供暖模式优化^[6]。目前采用较多的运行模式控制策略优化方法为负荷域法、时间域法和温差控制法^[7]。然而控制策略优化过程中存在集热器面积设计过大、系统初投资较高等问题^[8]。对耦合系统进行经济性分析可知，初投资过高主要由钻井深度引起^[9]。杨泉等人利用数值模拟的方法得出耦合系统供暖模式下集热器面积增加1 m²，可以减少地埋管换热器长度4.09m^[10]。

由于太阳能地埋管地源热泵耦合系统各主要部件庞大及实验研究成本很高等，对其全年供能性能研究相对较少。研究人员主要对系统供暖模式模拟优化^[11]、初投资^[12]、适用区域^[13]、优化系统数学模型^[14]等方面开展了研究。Emmi等人采用数值模拟的方法利用水箱温度控制埋管环路启停^[15]。Kegel等人针对地埋管换热器占地面积大的问题，提出可利用太阳能减少地埋管换热器数量^[12]。Fine等人分析了不同建筑冷热负荷比下的最小集热器面积^[16]。Razavi等人通过模拟得出耦合系统供能较单一热源热泵系统可降低能耗8.7%，年最高COP为3.75^[17]。

太阳能地埋管地源热泵耦合系统运行方案的设计对系统供能性能影响较大，成为制约其推广应用的重要因素。为了提高能源利用率，改善系统供能性能，本文提出太阳能地埋管地源热泵耦合系统的全年运行方案，利用TRNSYS软件建立系统仿真模型，通过实验验证所建模型的准确性，并对模拟结果进行分析，确定不同土壤初始温度与集热器面积的关系。

1 实验台介绍

1.1 太阳能辅助地埋管地源热泵耦合系统原理

图1所示为太阳能辅助地埋管地源热泵系统原理图。该系统主要由太阳能集热环路、蓄热水箱蓄热环路、辅助加热器加热生活用热水水箱环路、地埋管换热环路、热泵机组供暖制冷系统组成。

图1 耦合系统原理图   下载原图

A．太阳能集热器；B．地埋管换热器；C1．蓄热水箱；C2．生活热水水箱；D．热泵机组；P1～P4．循环水泵；E．板式换热器；1～23．阀门。

1.2 实验数据采集

采集的实验数据包括：室内外环境温度、地埋管进出口温度、不同深度钻孔侧土壤温度、机组耗功率、用户侧供回水温度及太阳能集热器进出口温度。各参数均每30min采集一次，其中室内外温度以典型月为周期进行数据采集，其他参数均进行全年长期的数据采集。

1.3 实验方案介绍

本文意在将该耦合系统中太阳能集热系统的作用发挥到最大，使其在冬季辅助地埋管地源热泵供暖，以期减少地埋管换热器从地下的取热量。在夏季及过渡季进行土壤蓄热，进而对全年系统运行模式及控制策略进行设计。

在冬季，当蓄热水箱顶部出口温度t_t比埋管出口温度t_c高10℃时，开启循环泵，地埋管换热器出口流体先进入板式换热器与蓄热水箱内的水换热，然后进入热泵机组蒸发器，最后流回地埋管，采用太阳能辅助地埋管地源热泵系统供暖。当t_t低于t_c时，关闭循环泵，单独采用地埋管地源热泵系统供暖。当t_t高于45℃时，强制关闭辅助加热环路，采用太阳能系统供生活热水。

在夏季需要供冷且t_t低于t_c时，单独采用地埋管地源热泵系统供冷。系统供冷间歇运行时，采用太阳能进行土壤蓄热，当蓄热水箱停止加热生活热水且蓄热水箱顶部温度比地埋管出口水温高10℃时，启动水泵P2和P3，开始对地埋管补热。当蓄热水箱顶部温度比地埋管出口水温高2℃时，关闭P2和P3，停止对地埋管补热。

在过渡季，t_t比t_c高10℃时，地埋管内流体进入板式换热器与蓄热水箱内流体换热后流回地埋管。当t_t低于t_c时停止蓄热。t_t高于45℃时，太阳能系统仅供生活热水。

2 系统选型及软件模拟

2.1 模型假设条件

由于太阳能辅助地埋管地源热泵系统运行过程的性能分析比较复杂，想要利用模拟仿真精确还原实际工况很难完成。为了使模拟结果与实际工况满足合理的精度要求，对所建模型作如下假设：

1）土壤各向同性且质地均匀；

2）忽略地下水渗流对土壤和换热器之间换热的影响；

3）忽略换热器与土壤之间的接触热阻；

4）将太阳能集热器、热泵机组各自当作整体来进行仿真计算；

5）忽略管路热损失；

6）忽略无限远处土壤温度对地埋管侧土壤温度的影响。

2.2 建筑物

以哈尔滨某小型2层办公建筑为研究对象，其总建筑面积为462m²，建筑体形系数为0.3，建筑窗墙面积比分别为北向0.30、东西向0.25、南向0.45。经实验测得该地区全年室外温度波动范围为-22.5～38.0℃，最冷月为1月，最热月7月。该建筑采用太阳能辅助地埋管地源热泵耦合系统进行供暖、供冷。办公建筑围护结构按照JGJ26—2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》^[18]进行设计。利用DeST软件模拟全年建筑逐时负荷分布情况。图2显示了建筑模型，图3显示了建筑全年逐时负荷。建筑全年最大热负荷为33.97kW，最大冷负荷为26kW。

图2 建筑模型   下载原图

2.3 太阳能集热器

采用真空管型太阳能集热器，忽略管路损失，与文献[19]选用的模型一致。真空管型太阳能集热器的热力学分析参照文献[19]。该耦合系统中太阳能的利用与传统供暖、供生活热水不同，其主要作用是维持土壤热平衡，按照规范要求显然是不合理的。相关学者模拟了该耦合系统中地埋管地源热泵不同运停比下土壤温度场的恢复情况，以恢复率维持在70%左右为前提，反推出哈尔滨地区最佳太阳能保证率在50%～70%之间^[20]。综合考虑哈尔滨的气象条件、集热器加热埋管内流体的比例等因素，取太阳能保证率为70%，经计算得集热器面积为43m²。

图3 建筑全年逐时负荷   下载原图

2.4 水箱

采用多节点温度竖向分层蓄热水箱模型，与文献[19]选用的水箱模型一致。水箱模型的热力学分析参照文献[19]。本次实验用到的2种水箱容积按GB 50495—2009《太阳能供热采暖工程技术规范》^[21]选取，蓄热水箱容积为2.4m³，生活热水水箱容积为0.3m³。

2.5 热泵机组

本文重点研究太阳能辅助地埋管地源热泵耦合系统的性能，忽略机组内压缩机、节流装置、蒸发器等机组装置之间的影响，与文献[22]选用的热泵机组模型一致，热泵机组的热力学分析参照文献[22]。依据最大热负荷选取热泵型号，最终选择额定制热量为35kW、额定制冷量为30kW、额定制热功率为7.5kW、额定制冷功率为7kW的热泵机组，采用R22作为制冷剂。

2.6 地埋管换热器

采用单U形竖直地埋管换热器，与文献[22]选用的地埋管换热器模型一致，地埋管换热器模型的热力学分析参照文献[22]。根据GB 50366—2005《地源热泵系统工程技术规范》^[23]的要求及在实验地点进行的岩土热响应实验得到的数据，设计地埋管参数，其中回填材料采用含水量5%的致密沙土。表1给出了岩土热响应实验数据，地埋管设计主要参数见表2。

表1 土壤初始温度    下载原表

℃

3 模拟验证

本文旨在探究严寒地区该耦合系统的性能。由于严寒地区冬季室外温度低，建筑全年热负荷远大于冷负荷，故系统供暖需求较大、供冷需求较小，因此模型验证以供暖期典型日1月1日的逐时室内温度、全年逐月集热器集热量及热泵机组COP的实测数据为依据，验证模型可靠性并绘制折线图，见图4。

表2 地埋管换热系统主要参数    下载原表

图4 模拟值与实测值的比较   下载原图

由图4可以看出，模拟值与实测值变化趋势相同，最大相对误差分别为2.9%、8.9%、9.6%。因此本文所建系统模型具有可靠性。

4 结果分析与讨论

4.1 室内外平均温度

图5显示了实测的全年典型月室内外平均温度。哈尔滨地区冬季室外温度偏低，通过气象站实地测量，最低室外温度可达-28.6℃。在这种极其恶劣的室外环境温度下，该耦合系统在设计的运行方案下仍然可以将室内平均温度稳定在19℃左右，室内温度得到了很好的控制，如果以（19±1）℃为房间舒适性标准温度，供暖舒适度保证率可达100%。

4.2 地埋管换热器供能性能

图6为地埋管换热器取热量及蓄热量全年逐月变化图。从图中可以直观看出本文提出的运行方案可以使系统全年为土壤蓄热，即使是在最寒冷的12月、1月时，也有少许蓄热。在供暖开始的半个月及邻近结束的半个月内地埋管的取热量零，蓄热量较大，这是由于哈尔滨虽处在严寒地区，但其太阳能辐射量在4月为140kW·h/m²,10月为85kW·h/m²，室外月平均温度都可以达到8℃左右，进而导致供暖初期与末期的建筑所需热负荷不大。在室外环境温度与太阳能辐射量的综合作用下，集热器集热量较大，使蓄热水箱出口温度完全可以达到辅助供暖的标准，甚至更高，地埋管换热器就无须从土壤中提取热量，当热泵机组源侧流体温度达到名义设定值时，多余的热量就会通过换热器传递给土壤，为土壤蓄热。

图5 全年典型月室内外平均温度的逐时变化   下载原图

整体来看，地埋管全年蓄热量集中在4—10月，最大值出现在7月，为2 041kW·h。全年取热量集中在1月和12月，分别为2 576、2 435kW·h。全年总取热量为8 095kW·h，总蓄热量为12 313kW·h。

图6 地埋管换热器取（蓄）热量全年逐月变化   下载原图

4.3 土壤温度变化特性

图7a显示了系统运行1a的土壤平均温度全年逐时变化。土壤初始平均温度为8.6℃，1月1日到4月15日为供暖期，土壤平均温度下降到8.05℃。4月15日到10月15为夏季及过渡季，土壤平均温度升幅达到1.31℃。一方面由于白天日照强度大，集热器集热量多，蓄热水箱温度得到大幅度提升，向土壤中的蓄热量增大；另一方面此时热泵机组采用逆卡诺循环原理制冷，将房间热量通过换热器传递给土壤，因此土壤得到一定程度的回温。10月15日到12月31日为供暖期，土壤平均温度下降到8.69℃。经过1a，土壤平均温度升高0.09℃。

图7 土壤平均温度逐时变化   下载原图

图7b显示了系统运行10a的土壤平均温度逐时变化。从图中可以明显看出，在本文设计的方案下运行，10a后的土壤平均温度升高0.35℃，偏移率为104%，热平衡率在80%～120%之间，不会对系统运行产生不利影响^[24]。

4.4 土壤初始温度与集热器面积的关系

其他影响参数不变，在保证系统全年运行后，以土壤温度可以恢复到初始状态为评判标准，利用本文建立的系统模型，采用集热器面积递增的方法多次试算，探究土壤初始温度与集热器面积的关系。针对不同土壤初始温度，分别计算得出对应的最佳集热器面积，见表3。

表3 不同土壤初始温度下的最佳集热器面积    下载原表

由表3可以看出，随着土壤初始温度的升高，集热器面积增大。造成这种现象的原因是在本文设计的方案中，冬季太阳能辅助供暖的控制策略为蓄热水箱顶部出口温度高于地埋管出口温度10℃时开启，随着土壤初始温度的升高，埋管内流体与土壤之间的换热能力必然提高。若土壤初始温度为6.6℃，在理想状态下，地埋管换热器内的流体与土壤充分换热后达到热平衡，流体温度也为6.6℃，此时太阳能集热器将蓄热水箱加热至16.6℃，蓄热水箱辅助供暖模式就会开启；若土壤初始温度为15.6℃，在理想状态下，埋管内流体与土壤充分换热达到热平衡，流体温度为15.6℃，此时太阳能集热器需将蓄热水箱加热至25.6℃，该耦合系统才会开启蓄热水箱辅助供暖模式。

由此可以看出，蓄热水箱辅助供暖的工作时间随着土壤初始温度的升高而缩短，地埋管换热器从土壤中的取热量就会增大，此时想要将系统全年运行后的土壤平均温度恢复到原始状态，所需的集热器面积就会变大。

为使这种变化关系以数学表达式的形式体现出来，引入一个变量，即单位建筑面积下的最佳集热器面积A_c/S（其中A_c和S分别为最佳集热器面积和建筑面积）。土壤初始温度t₀与单位建筑面积下的最佳集热器面积A_c/S的变化曲线如图8所示。

通过对该曲线进行拟合，可以得到A_c/S与t₀的数学表达式为

图8 单位建筑面积下最佳集热器面积随土壤初始温度的变化   下载原图

5 经济性分析

费用年值法是评价系统经济性能的高效方法^[25]，本文采用费用年值法对太阳能地埋管地源热泵系统与常规供能系统进行供暖季的经济性比较分析。根据市场调查，太阳能地埋管地源热泵系统中主要部件的市场价格为真空管集热器900元/m²、水箱500元/m³，埋管材料及安装费1 600元/孔，设备使用年限为20a；燃煤锅炉初投资为200元/m²，运行费用为37.5元/m²。经计算得出2种系统的初投资、运行费用及费用年值，如图9所示。从图9可以看出，太阳能地埋管地源热泵系统的初投资较燃煤锅炉高，但运行费用及费用年值均较低，两者费用年值相差0.95万元，由此可见该耦合系统在严寒地区的供暖经济性具有明显优势。

图9 2种供暖系统经济性比较   下载原图

6 结论

1）太阳能地埋管地源热泵耦合系统在本文设计的方案下运行稳定，通过实测数据得出最冷月供暖保障率为100%。

2）严寒地区冬季适合根据蓄热水箱与地埋管出口温差控制太阳能辅助供暖模式的启停，地埋管全年总蓄热量为12 313kW·h，总取热量为8 095kW·h。系统运行1a后土壤平均温度升高0.09℃，热平衡率为101%。模拟预测系统运行10a后土壤温度升高0.35℃，热平衡率为104%，符合土壤热平衡率80%～120%的要求，可以很好地维持系统以年为周期运行后的土壤热平衡。

3）从太阳能集热器面积优化的角度出发，在严寒地区利用该耦合系统供能并利用本文介绍的控制策略运行，土壤初始温度在6.6～15.6℃之间时，换热器从土壤中的取热量随着土壤初始温度的升高而增大，为维持土壤热平衡所需的集热器面积增大，并以此拟合出土壤初始温度与单位建筑面积下最优集热器面积的数学表达式，对该耦合系统在严寒地区的推广应用及集热器面积设计具有指导意义。

4）从系统供能经济性的角度出发，该耦合系统供暖经济性优于传统燃煤锅炉系统，值得推广。

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作者简介：刘逸，男，1975年9月生，博士，副教授;*徐莹（通信作者）150028黑龙江省哈尔滨市松北区哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院E-mail:2573367525@qq.com;

收稿日期：2020-03-21

基金：黑龙江省博士后基金资助项目（编号：LBH-Z15028）;哈尔滨商业大学校级科研项目（编号：17XN066）;研究生创新科研资金资助项目（编号：YJSCX2018-531HSD）;

Coupling performance of solar-ground source heat pump systems in severe cold zone

Liu Yi Chen Peiqiang Cheng Qinglin Xu Guofeng Xu Ying

Harbin University of Commerce

In order to solve the problem of soil heat imbalance caused by ground source heat pump system heating in severe cold zone,taking the solar-assisted ground source heat pump coupling system as the research object,analyses the energy supply performance of ground heat exchangers,the soil temperature variation characteristics after the system operating for one year and ten years respectively,and the relationship between the initial soil temperature and the collector area.Obtains the mathematical expression of the initial soil temperature and the optimal collector area per unit building area by fitting.Uses the annual cost method to compare the economy between the coupling system and the conventional coal-fired boiler heating system.The results show that when the coupling system is used for heating in winter and the temperature difference between the outlet of the hot water storage tank and the buried pipe is 10℃ to control the solar heating system for auxiliary heating,the average soil temperature increases by 0.09℃ and the soil heat balance rate is 101% after one year operation,and the average soil temperature increases by 0.35℃ and the soil heat balance rate is 104% after ten-year operation.The heating economy of the coupling system is better than that of the conventional coal-fired boiler heating system.

solar-ground source heat pump; severe cold zone; initial soil temperature; collector area; soil heat balance rate;

Received： 2020-03-21