寒冷地区太阳能地源热泵供热供冷分析

关键词 太阳能地源热泵 寒冷地区 居住建筑 季节性蓄热 运行特性分析 供冷 供暖
①
本 文 提 出 的 太 阳 能 地 源 热 泵 （ＳＧＣＨＰ）供 热 供 冷系统是将太阳能热泵与地埋管地源热泵耦合的 系统。ＳＧＣＨＰ 系统有多 种 运 行 方 式：非 供 暖 季 通 过 太 阳 能 集 热 器 将 太 阳 能 收 集 起 来 ，并 通 过 地 埋 管 换 热 器 蓄 存 在 地 下 ，供 暖 季 再 把 热 量 从 土 壤 中 取 出 为 室 内 供 暖 ；供 暖 供 冷 初 期 、末 期 可 以 不 开 启 热 泵 ， 直 接 利 用 地 埋 管 换 热 器 从 地 下 取 热 取 冷 ；太 阳 能 充 足时，也可以不开 启 热 泵，直 接 利 用 太 阳 能 集 热 器 供暖，或者 地 埋 管 换 热 器 与 太 阳 能 集 热 器 联 合 供 暖。充分 利 用 了 太 阳 能，实 现 了 太 阳 能 的 移 季 利 用 ，减 少 了 能 耗 。
图 １ 建 筑 逐 日 负 荷
月１５日至９月１５ 日，平 均 冷 负 荷 为 ５．１１ｋＷ，总 冷 负 荷 为 ５４．３１ ＧＪ。
按 照 水 源 热 泵 机 组 设 计 工 况 冬 季 ＣＯＰ 取 ４．８，夏 季 ＣＯＰ 取 ５ 计 算 ，供 暖 季 累 计 取 热 量 为 １０７．５ＧＪ，供 冷 季 累 计 取 冷 量 为 ５３．９ ＧＪ。 如 果 热 量 仅 仅 来 源 于 浅 层 地 热 ，则 全 年 从 土 壤 取 热 量 比 向 土 壤 排 热 量 多 ５３．６ ＧＪ。 土 壤 得 热 与 失 热 严 重 不 平 衡 ，会 导 致 地 温 逐 年 下 降 ，破 坏 土 壤 生 态 平 衡 ，也 不 利 于 热 泵 的 供 热 性 能 。 所 以 需 要 补 充 热 源 ，减 少 从 土 壤 的 取 热 量 ，使 取 热 量 与 取 冷 量 基 本 持 平 ，所 以 本 系 统 设 置 了 太 阳 能 集 热 部 分 ， 在满足室 内 需 求 情 况 下 冬 季 直 接 利 用 太 阳 能 供 暖 ，过 渡 季 及 供 冷 季 将 太 阳 能 蓄 存 在 土 壤 中 ，供 冬季使用。 ２ ＳＧＣＨＰ 系统的设计及 ＴＲＮＳＹＳ 模型的建立
冷地区普遍采用的方式。 结 合 建 筑 全 年 逐 日 负 荷 及 以 上 思 路 ，笔 者 设 计
了 如 图 ２ 所 示 的 系 统 。 该 系 统 由 太 阳 能 集 热 器 、地 埋 管 换 热 器 、辐 射 地 板 、风 机 盘 管 、板 式 换 热 器 等 部 件组成。太阳能集热器通过板式换热器与地埋管 换热器及末端设 备 辐 射 地 板、风 机 盘 管 连 接；设 置 阀 门 ，通 过 阀 门 的 调 节 实 现 多 种 运 行 工 况 的 转 换 。
① ☆ 王琪，女，１９８７年生，硕士，助理工程师 ３６１０００ 厦门市思明 区 湖 滨 南 路 １０７ 号 新 乐 大 厦 ３Ｆ 设 备 一 所 Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｑｉｌａ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ
收 稿 日 期 ：２０１３－０５－１３
·３４ ·
第５届全国建筑环境与设备技术交流大会文集 供热供暖
·３６ ·
第５届全国建筑环境与设备技术交流大会文集 供热供暖
图５ 模式４地埋管换热器 ＶＵＧＨＥ１进出口温度
供热供暖 暖通空调 ＨＶ＆ＡＣ ２０１３年第４３卷增刊１
·３３ ·
寒冷地区太阳能地源热泵供热供冷分析
厦门合道工程设计集团有限公司 王 琪☆
摘要 寒冷地区民用建筑热负荷远高于建筑冷负荷，采用地埋管地源 热 泵 供 热 供 冷，从 土 壤的取热量远远大于向土壤的蓄热量，长期运行会造成土壤温度逐年降低，破坏 土 壤 的 生 态 平 衡，热泵运行性能也会逐年降低。 根 据 寒 冷 地 区 普 通 居 住 建 筑 采 用 地 埋 管 地 源 热 泵 供 热 供 冷 出现的实际 问 题，提 出 了 将 太 阳 能 地 源 热 泵 （ＳＧＣＨＰ）系 统 应 用 到 该 地 区 的 方 案，并 运 用 ＴＲＮＳＹＳ瞬态模拟程序对建立的 ＳＧＣＨＰ 系 统 进 行 仿 真 动 态 模 拟，对 该 系 统 实 际 运 行 特 性 进 行了研究。
图 ４ 为 供 冷 季 室 内 外 日 平 均 温 度 变 化 情 况 ，从 图中可以看出室外温度日波 动 大，最 大 值 为 ３０．２９ ℃，最小值为１７．７５ ℃。而室内温度在 ＳＧＣＨＰ 系 统的控 制 下 非 常 平 稳，２６ ℃ 左 右，最 大 值 为 ２６．８ ℃，最小值为２４．１ ℃。建筑物１层温度相对较低， 平均温 度 为 ２５．６１ ℃；５ 层 温 度 相 对 较 高，平 均 值 为２６．４４ ℃。由于末端采用风机盘管，模拟时均以 风 机 中 挡 风 速 运 行 进 行 计 算 ，用 户 可 以 根 据 热 感 觉 调 节 风 机 转 速 ，维 持 人 体 热 舒 适 。 室 内 空 调 设 置 温 度为２６ ℃，考虑±１ ℃的空调精度，加上风机的调 节 功 能 ，室 内 供 冷 保 证 率 １００％ 。
根据ＪＧＪ ２６—２０１０《严 寒 和 寒 冷 地 区 居 住 建 筑节能设计标准》［１］第４．２．２条的要求确定围 护 结 构 的 热 物 性 参 数 ，并 按 标 准 中 第 ３．０．２ 条 设 定 室 内
热环境计算参数。室 内 供 暖 设 计 温 度 为 １８ ℃，供
冷设计温度为２６ ℃。围护结构主要参数设计见表
本文研究的主要思路是充分利用太阳能资源， 针对太阳能资源 能 量 密 度 低、间 歇 性、季 节 热 需 求 不匹配的特点设置了土壤蓄热部分。由于该系统 冬季供热、夏季供 冷，夏 季 是 太 阳 能 资 源 最 为 丰 富 的 时 期 ，所 以 夏 季 需 要 蓄 热 。 这 样 夏 季 土 壤 供 冷 与 向 土 壤 蓄 热 存 在 矛 盾 ，所 以 本 文 将 地 埋 管 换 热 器 分 两个区域设置，编号为 ＶＵＧＨＥ１ 和 ＶＵＧＨＥ２，夏 季通过 ＶＵＧＨＥ１ 从 土 壤 取 冷，通 过 ＶＵＧＨＥ２ 向 土壤蓄热。
图 ４ 供 冷 季 室 内 外 日 平 均 温 度 变 化
图５给出了模式４地埋管源热泵供冷工况下地 埋管换热 器 ＶＵＧＨＥ１ 进 出 口 温 度 的 变 化 情 况，当 室内温 度 高 于 ２６ ℃ 时，启 动 该 模 式，运 行 时 间 为 １ １５４ｈ，占整个供冷季运行时间的３９．３％。图６ 给 出了模式３土壤冷源直接供冷工况下地埋管换热器 ＶＵＧＨＥ１进出口 温 度 的 变 化 情 况，当 室 温 低 于 ２６ ℃ 时 ，启 动 该 模 式 ，运 行 时 间 １ ７８３ｈ，占 整 个 供 冷 季 运行时间 的 ６０．７％。土 壤 平 均 温 度 在 整 个 供 冷 季 平均值为１５．７８ ℃，整个供冷季升高了３．６３ ℃。热
当ｔｉ ＞１９ ℃ 时，停止供热 当ｔｉ ＜１８ ℃ 时，启动模式２
供热供暖 暖通空调 ＨＶ＆ＡＣ ２０１３年第４３卷增刊１
·３５ ·
烄当２４ ℃ ＜ｔｉ ＜２５ ℃ 时，启动模式３ 供冷季烅当ｔｉ ＞２５ ℃ 时，启动模式４
烆当ｔｉ ＜２４ ℃ 时，停止供冷
其中ｔｓｃｏ为太阳能集热器出口温度；ｔｉ 为室内温度。 以 ＴＲＮＳＹＳ软件为平台建立的 ＳＧＣＨＰ 系 统
由于冬季采用辐射地板比采用风机盘管热舒 适 性 好 ，夏 季 风 机 盘 管 调 节 性 能 好 ，具 有 降 湿 能 力 ， 所 以 末 端 装 置 冬 季 采 用 辐 射 地 板 ，夏 季 采 用 风 机 盘 管 。 通 过 调 研 ，笔 者 发 现 这 种 末 端 装 置 组 合 也 是 寒
图 ２ ＳＧＣＨＰ 系 统 图
依 据 相 关 实 验 ，本 文 以 太 阳 能 集 热 器 出 口 温 度 及 室 内 温 度 为 控 制 温 度 ，制 定 了 以 下 控 制 策 略 ：
｛ 蓄热季 当ｔｓｃｏ ≥３０ ℃ 时，启动模式５ 当ｔｓｃｏ ＜３０ ℃ 时，停止蓄热
烄当ｔｓｃｏ ≥３０ ℃ 时，启动模式１
｛ 供热季烅当ｔｓｃｏ ＜３０ ℃ 时 烆
１，２。
表 １ 窗 墙 面 积 比 朝向
东
西
南
北
窗墙面积比
０．２５ ０．４５ ０．２５
０．１
表 ２ 围 护 结 构 传 热 系 数 Ｗ／（ｍ２ ·Ｋ） 围护结构部位
外墙
屋面
外窗
传热系数
０．２５
０．４５
０．２５
１．２ 建 筑 负 荷 的 模 拟 计 算
本文 采 用 ＴＲＮＳＹＳ 软 件 对 建 筑 负 荷 进 行 模
本文旨在 对 ＳＧＣＨＰ 系 统 在 寒 冷 地 区 的 应 用 进 行 探 究 ，所 以 选 取 了 寒 冷 地 区 的 代 表 城 市 北 京 作 为 建 筑 物 的 所 在 地 。 该 建 筑 为 一 栋 建 筑 面 积１ ２５０ ｍ２ 的小 型 居 住 建 筑，占 地 面 积 ２２５ ｍ２，层 高 ３．０ ｍ，层 数 ５ 层 ，体 形 系 数 ０．３３，位 于 北 京 郊 区 。
地 埋 管 地 源 热 泵 要 想 维 持 高 效 运 行 ，必 须 保 证 土 壤 以 年 为 周 期 取 热 与 放 热 平 衡 ，而 对 于 热 负 荷 远 远大于冷 负 荷 的 严 寒 地 区、寒 冷 地 区，ＳＧＣＨＰ 系 统 可 以 解 决 土 壤 温 度 逐 年 降 低 的 问 题 ，维 持 地 下 土 壤以年为周期的热平衡。 １ 对 象 建 筑 的 选 择 及 建 筑 负 荷 模 拟 １．１ 对 象 建 筑 的 选 择
本文设定的 ＳＧＣＨＰ 系统的运行模式为：模 式 １，太阳能直接供暖；模式２，土 壤 耦 合 热 泵 供 暖；模 式３，土壤冷源直 接 供 冷；模 式 ４，土 壤 耦 合 热 泵 供 冷 ；模 式 ５，太 阳 能 蓄 热 。
要实现预 期 的 工 况，必 须 制 定 系 统 的 控 制 策 略。
为了防止系统由于温度的小幅度波动频繁启 停、转换运行模式 造 成 的 系 统 运 行 不 稳 定，又 保 证 室温达到要求，设定冬季室内温度上限值为２０ ℃， 下限值为１８ ℃，夏季 土 壤 冷 源 直 接 供 冷 室 内 温 度 下限值为 ２４ ℃，上限值为 ２５ ℃，热泵供冷室内温 度下限值为２５ ℃，上限值为２６ ℃。
拟，利用热流 平 衡 法 计 算 ８ ７能模拟出 建 筑 的 逐 时 负 荷，取 ２４ｈ 负 荷 的
平均值计算出建 筑 的 全 年 逐 日 负 荷，如 图 １ 所 示，
图中负值表示冷负荷。
该建筑物最大热 负 荷 为 ２２．６９ｋＷ，最 大 冷 负 荷 为 １１．１２ｋＷ。 热 负 荷 集 中 在 １１ 月 至 来 年 ３ 月 ， 冷负荷集中在 ５—９ 月，其 他 时 间 为 过 渡 季 节。 供 热季根据北京地区 规 定 取 １１ 月 １５ 日 至 来 年 ３ 月 １５ 日，平 均 热 负 荷 为 １１．７８ ｋＷ，总 热 负 荷 为 １２４．１４ＧＪ；供冷 季 根 据 室 外 温 度 及 负 荷 情 况 取 ５
的动态模拟模型如图３所示。
图３ ＳＧＣＨＰ系统的 ＴＲＮＳＹＳ模型
３ ＳＧＣＨＰ 系统供热、供冷分析 本 文 模 拟 开 始 时 间 为 １ 月 １ 日 ，系 统 开 始 运 行
不稳定，由于１月１ 日 至 ３ 月 １５ 日 不 足 一 个 供 热 季，所以把系统运 行 特 性 分 析 的 供 热 季 定 为 １１ 月 １６ 日至来年３月１５日，３月１６日至５月１４日及９ 月１６日至１１月１４日为过 渡 季，５ 月 １５ 日 至 ９ 月 １５日为供 冷 季。 主 要 研 究 供 热、供 冷 工 况 室 内 温 度、地埋管换热器 进 出 口 温 度、热 泵 供 冷 性 能 变 化 情 况 ，并 对 土 壤 的 全 年 温 变 特 性 进 行 研 究 。 ３．１ 供 冷 动 态 特 性 分 析