太阳能-地下坑槽季节土壤蓄热热泵供热系统

摘 要

摘要：介绍了太阳能-地下坑槽季节性土壤蓄热热泵供热系统的组成、运行模式，建立了系统的数学模型，编制程序针对北京地区进行了全年动态模拟。地下坑槽内的土壤可以保持以年为周
摘要：介绍了太阳能-地下坑槽季节性土壤蓄热热泵供热系统的组成、运行模式，建立了系统的数学模型，编制程序针对北京地区进行了全年动态模拟。地下坑槽内的土壤可以保持以年为周期的热平衡，系统的年平均性能系数为6.89。
关键词：太阳能；地下坑槽；水平埋管；季节性土壤蓄热；土壤源热泵
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
太阳能是一种清洁能源，但具有能量密度低、间歇性和不稳定等特点，并且与热负荷的需求在量和时间上存在差异。土壤源热泵供热系统由于其高效节能的特性而引起了广泛关注，但必须保证地埋管周围土壤的热平衡。对于冷热负荷相差不大的地区，地埋管周围的土壤基本可以保持以年为周期的热平衡；对于冷热负荷相差较大的地区，地埋管周围的土壤很容易发生热失衡。1956年，Penrod等人首先提出了太阳能集热器与地埋管组合的设想，描述了太阳能-土壤源热泵的工作原理，并给出了设计过程[1～2]。随后，国内外进行了广泛研究[3～9]，但地埋管主要采用竖直埋管，针对水平埋管的研究较少。
夏季和过渡季可以利用太阳能集热器收集的太阳能向敷设水平埋管的地下坑槽蓄热。供暖期，太阳能集热器可以直接供暖，太阳能集热器和地下坑槽也可为热泵提供热量进行供暖。为此，本文提出太阳能-地下坑槽季节性土壤蓄热热泵供热系统。先挖掘坑槽，在坑槽的四周及底部进行绝热处理，然后填入比较理想的蓄热黏土，并敷设水平埋管，最后在适当的深度对坑槽的上部进行绝热处理，再在上面覆盖自然土壤。对地下坑槽进行绝热处理，可以减少外界对坑槽内土壤温度的影响。蓄热后，坑槽内的土壤可以具有较高的温度。供暖期，坑槽内土壤的温度较高，波动较小，从而提高系统的性能系数。本文对太阳能-地下坑槽季节性土壤蓄热热泵供热系统进行模拟。
2 系统的组成以及主要运行模式
    太阳能-地下坑槽季节性土壤蓄热热泵供热系统流程见图1。
 

    系统主要由平板型太阳能集热器、地下坑槽内的水平埋管换热器、热泵机组、地板辐射供暖系统等组成。系统在全年运行中，主要有以下4种运行模式：
    ① 模式1：土壤蓄热。非供暖期，阀门1、2、5、6开启，其余关闭，把收集的太阳能储存在地下坑槽的土壤中。
    ② 模式2：太阳能直接供暖。供暖过程中，当太阳辐射较强时，集热器内介质(乙二醇水溶液)的温度可满足直接供暖的要求。阀门7、8、10、9、4、1、13开启，其余关闭。
    ③ 模式3：太阳能热泵供暖。供暖过程中，当太阳辐射较强时，集热器内介质的温度不能满足直接供暖的要求，但可以满足热泵供暖的要求。阀门7、11、14、9、4、1、12、15开启，其余关闭。
    ④ 模式4：土壤源热泵供暖。供暖过程中，当室外温度较低、太阳辐射较弱时，集热器内介质的温度不能满足直接供暖的要求，也不能满足热泵供暖的要求，热泵提取非供暖期储存在地下坑槽的土壤中的热量进行供暖。阀门2、3、7、11、14、9、6、12、15开启，其余关闭。
3 系统模型及运行模式转换条件
3.1 系统模型
   ① 集热器模型
平板型太阳能集热器吸热板内的流体(乙二醇水溶液)与太阳辐射进行能量交换，其性能可用能量平衡方程描述：
 
式中Asc——集热器的有效面积，m2
    Esc——集热器表面的太阳辐照度，W/m2
    τ——盖板对太阳辐射的透过率
    α——盖板对太阳辐射的吸收率
    Φu——集热系统的有效集热量，W
    Csc——集热系统的当量热容，J/K
    θscm、θsce、θsci——集热系统内流体的平均、出口、进口温度，℃
    t——时间，s
    KL——集热器的热损失系数，W/(m2·K)
    θa——室外空气温度，℃
    qm,sc一一集热器内流体的质量流量，kg/s
    cp,f——集热器内流体的比定压热容，J/(kg·K)
   ② 地埋管换热器模型
   地埋管换热器采用10个U形水平埋管并联组成，U形管长度为72m，U形管之间的水平间距为2m，每个U形管两管的垂直间距为0.8m。为简化计算，忽略U形管轴向的温度梯度，选用二维直角坐标系，垂直方向为y轴，水平方向为x轴。地下坑槽内水平埋管的剖面见图2。
 

    地埋管换热器进出口流体(乙二醇水溶液)温控制方程为[10]：
 
式中θf,o、θf,i——地埋管换热器出口、进口流体温度，℃
   θs——地下坑槽内土壤的温度，℃
   λs——土壤的热导率，W/(m·K)
   L——水平埋管一个支路的管长，m
   qm,f——水平埋管一个支路的质量流量，kg/s
　　地埋管换热器周围土壤的控制方程为：
 
式中ρs——地下坑槽内土壤的密度，kg/m3
    cp,s——地下坑槽内土壤的比定压热容，J/(kg·K)
地埋管外壁处的边界条件为：
 
式中r——地埋管外半径，m
    qz——单位管长的换热量，W/m
    d——地埋管外径，m
   ③ 热泵模型
   本文根据设计热负荷选取热泵，采用对热泵样本的数据进行拟合的方法建立热泵的数学模型。热泵的制热量和耗电量一般可以拟合成蒸发器侧进口温度和冷凝器侧进口温度的函数形式：
 
式中Φc——热泵的制热量，kW
    a1、b1、c1、a2、b2、c2——拟合系数
    θe,i——蒸发器侧进口温度，℃
    θc,i——冷凝器侧进口温度，℃
    Php——热泵的耗电功率，kW
   ④ 地板辐射供暖系统模型
本文选用的研究建筑(别墅)采用地板辐射供暖方式，供热介质为水。地面层为瓷砖，厚度为10mm，加热管外径为20mm，填充层厚度为50mm，管间距为200mm。地板辐射的传热是一个比较复杂的过程，本文根据数值模拟和实验拟合所得的公式计算地板单位面积的散热量[11]：
 
式中q——地板单位面积的散热量，W/m2
    λ1～λ5——地面层、找平层、填充层、绝热层、基础层的热导率，W/(m·K)
    θm——地板辐射供暖系统供回水平均温度，℃
    θn——室内空气温度，℃
    s——管间距，m
    CA、CB——拟合系数
    h0、h——计算系数
    δ1～δ5——地面层、找平层、填充层、绝热层、基础层的厚度，m
    d′——加热管外径，mm
   ⑤ 房间热力模型
   房间的逐时热负荷Φ可以由分析软件DEST进行计算，室内温度变化可由下式计算：
 
式中θ、θ′——当前时刻、前一时刻的供暖房间温度，℃
    Φ′——供暖房间的瞬时供热量，W
    Φ——供暖房间的瞬时热负荷，W
    C——供暖房间等效热容量，J/K
3.2 系统运行模式转换条件
 
4 系统的全年运行特性分析
4.1 模拟参数
    在系统数学模型及系统运行模式转换条件的基础上，编制程序针对北京地区某别墅进行模拟。该别墅的建筑面积为372.44m2，设计热负荷为12.7kW。整个模拟过程分为两个阶段：第一阶段为蓄热阶段(3月16日—11月14日)，第二阶段为供暖阶段(11月15日一次年3月15日)。主要模拟参数见表1。
表1 主要模拟参数
集热器
倾角/(°)
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
土壤初始温度/℃
7.6
地下坑槽体积/m3
1600
地埋管换热器
L/m
72
流量/(m3·h-1)
3.8
乙二醇水溶液(质量分数为40%)
密度/(kg·m-3)
1025
cp,f/(J·kg-1·K-1)
3870
热泵
a1
0.3015
b1
-0.0555
c1
10.2480
a2
-0.0650
b2
0.0429
c2
0.6518
循环泵
额定功率/W
250
在模拟分析中，采用中国气象局气象信息中心提供的建筑热环境气象数据集中北京地区典型年的气象数据[12]。全年室外日平均气温及水平面日太阳辐射总量见图3、4。由图3、4可知，在非供暖期，室外温度较高，太阳辐射较强，可以把这部分太阳能储存到地下坑槽中，供暖期再用热泵提取，进行供暖。在供暖期，太阳辐射与建筑热负荷在时间上不同步，供暖初期和末期，太阳辐射较强，室外平均温度较高，热负荷较小；供暖中期，室外平均温度较低，热负荷较大，太阳辐射较弱。因此，在供暖初期和末期，优先利用集热器收集的太阳能供暖，减少热泵的耗电量，提高系统的性能。
 

4.2 蓄热性能分析
    蓄热期集热器内流体的日平均进出口温度、水平埋管内流体的日平均进出口温度、地下坑槽内土壤的日平均温度见图5～7。

    由图5可知，集热器内流体的日平均进出口温度为7～40℃，日平均进出口温差为1～8℃。由图6可知，水平埋管内流体的日平均进出口温度为8～35℃，日平均进出口温差为1～5℃。由图7可知.地下坑槽内土壤的日平均温度一直在升高，且升高速率逐渐减小，这是由于集热器内的流体与地下坑槽内土壤的温差逐渐减小所致。蓄热结束时，地下坑槽内土壤的平均温度为22.21℃。
    蓄热期，循环泵耗电能为0.68GJ，集热器表面的太阳辐射总量为147.91GJ，集热器的集热量为107.57GJ，则集热器的平均效率为72.73%，向土壤蓄热97.87GJ。
4.3 取热性能分析
   供暖期集热器内流体的H平均温度、水平埋管内流体的日平均进出口温度、地下坑槽内土壤的日平均温度、地板辐射供暖系统日平均进出口温度、日总供热量与日总热负荷、室内日平均温度见图8～13。

    由图8可知，集热器内流体的日平均温度为-5～45℃。由图9可知，水平埋管内流体的日平均进出口温度为1～16℃，日平均进出口温差为1～3℃。由图10知，地下坑槽内土壤的日平均温度一直在降低，且降低速率逐渐减小，这是由于蒸发器内的流体与地下坑槽内土壤的温差逐渐减小所致。供暖结束时，地下坑槽内土壤的平均温度为10.86℃，高于蓄热启动时的温度，说明从地下坑槽的取热量可完全来自蓄热期的蓄热量，且地下坑槽为下个供暖期储存了一部分热量。
    由图11～13可知，地板辐射供暖系统日平均供回水温度为18～30℃，日平均供回水温差为1～5℃。日总供热量的变化趋势基本与地板辐射供暖系统日平均进出口温度基本一致。整个供暖期，室温均在18℃以上，满足要求。
    北京地区的供暖期为121d，系统运行1746h。集热器直接供热404h，太阳能热泵供热329h，土壤源热泵供热1013h。集热器直接供热量18.18GJ，热泵从坑槽内土壤取热46.59GJ，从集热器取热6.47GJ，热泵耗电能7.63GJ，循环泵耗电能3.14GJ，系统的总供热量为78.87GJ。供暖期系统的平均性能系数为7.32，全年系统的平均性能系数为6.89。
5 结论
    ① 在地下坑槽内敷设水平埋管并进行绝热处理，有效地减少了外界对地下坑槽内土壤温度的影响。
    ② 通过非供暖期的蓄热，提高了地下坑槽内土壤的温度，提高了热泵的性能系数，维持了地下坑槽内土壤的热平衡。
    ③ 系统的年平均性能系数为6.89，具有一定的应用价值。
参考文献：
[1] PENROD E B，PRASANNA K V.Design of a flat-plate collector for a solar-earth heat pump[J].Solar Energy，1962，6(1)：9-22.
[2] PENROD E B，PRASANNA K V.A procedure for designing solar-earth heat pumps[J].Heating，Piping & Air Conditioning，1969，41(6)：97-100.
[3] 董呈娟，王侃宏，李保玉.太阳能辅助地源热泵供热运行特性研究[J].煤气与热力，2006，26(9)：39-42.
[4] 董玉平，由世俊，汪洪军，等.太阳能-地源热泵综合系统的经济分析[J].煤气与热力，2003，23(12)：734-737.
[5] 张文雍，郑茂余，王潇，等.严寒地区太阳能土壤源热泵季节性土壤蓄热[J].煤气与热力，2009，29(8)：A21-A24.
[6] UCAR A，INALLI M.Thermal and economical analysis of a central solar heating system with underground seasonal storage in Turkey[J].Renewable Energy，2005(30)：1005-1019.
[7] 毕月虹，陈林根.太阳能-土壤源热泵的性能研究[J].太阳能学报，2002(2)：214-219.
[8] 韩宗伟，郑茂余，孔凡红.严寒地区太阳能-季节性土壤蓄热热泵供暖系统的模拟研究[J].太阳能学报，2008(5)：574-580.
[9] 王潇，郑茂余，张文雍.严寒地区太阳能-地埋管地源热泵地板辐射供暖性能的实验研究[J].暖通空调，2009，39(7)：128-131.
[10] KOYUNA A，DEMIRAA H，TORUN Z.Experiment study of heat transfer of buried finned pipe for ground source heat pump applications[J].Heat and Mass Transfer，2009(36)：739-743.
[11] 林涛.低温地板辐射采暖的传热数值模拟及计算软件开发(硕士学位论文)[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2004：77-78.
[12] 中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京：中国建筑工业出版社，2005：68-89.
 
(本文作者：韩靖1 郑茂余2 杨萌3 1.机械工业第六设计研究院 第六工程所 河南郑州 450007；2.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院 黑龙江哈尔滨 150090；3.中国市政工程中南设计研究总院第三设计院 湖北武汉 430010)