太阳能—土壤源热泵系统联合运行模式

文章编号:　1005—0329(2004)02—0041—05制冷空调太阳能—土壤源热泵系统联合运行模式的研究杨卫波,董　华,周恩泽,胡　军(青岛建筑工程学院,山东青岛266033)摘　要:　针对青岛地区的气象条件,对太阳能—土壤源热泵系统联合运行的各种模式进行了模拟计算,并与土壤源热泵作了比较。

结果表明,与土壤源热泵相比,联合运行各模式具有明显的节能效果,其节能率在12%以上,可作为实际工程设计、运行的优选方案。

关键词:　太阳能—土壤源热泵系统;联合运行模式;土壤源热泵中图分类号:　T U83211 文献标识码:　AR esearch on Approach of Combined Operation in Solar—E arth Source H eat Pump SystemY ANG Wei2bo,DONG Hua,ZHOU En2ze,H U Jun(Qingdao Institute of Architecture and Engineering,Qingdao266033,China)Abstract:　Based on the climate condition of Qingdao,simulation com putation of various combined operation m odes of S olar—Earth S outh Heat Pum p System were carried out.The result indicates that com pare to G SHP combined operation m odes,have a notable energy conservation effect the energy2saving rate is m ore than12%,and can be used as an optimized scheme in the practical engineering design and operation.K ey w ords:　S olar—Earth S ource Heat Pum p System;combined operation approach;G SHP1　前言太阳能—土壤源热泵系统(SESHPS)根据热源组合的不同而有多种不同的运行模式,最基本的模式有白天(晴天)采用太阳能热泵、阴雨天或夜晚采用土壤源热泵的交替运行模式和同时采用两热源的联合运行模式。

目前,国内外对SESHPS 运行模式的研究并不多见,文献[1]对天津地区SESHPS交替运行进行了实验研究,得出太阳能热泵平均供热率为334W,平均供热系数为2.73,土壤源热泵的相应参数为2298W和2.83,SESHPS 的相应参数为2316W和2.78;文献[2]对寒冷地区SESHPS各运行模式运行时间的分配比例进行了理论研究,得出哈尔滨地区SESHPS中太阳能热泵、土壤源热泵及联合运行模式各自运行的时间比例分别为:48.26%、10.07%及41.67%;但对作为其主要运行模式之一的联合运行模式进行研究的几乎没有看到。

本文旨在对SESHPS联合运行的各种模式进行数值模拟计算,以为其实际设计、运行及调试提供理论基础。

2　SESHPS的组成及其联合运行模式211　系统组成 太阳能—土壤源热泵系统如图1所示。

该系统可根据日照条件和热负荷变化情况采用多种不同运行模式,如太阳能热泵供暖、土壤源热泵供暖、太阳能—土壤源热泵联合(串联或并联)供暖收稿日期:2003—06—20基金项目:山东省科技发展计划项目“地热综合利用关键技术研究”(011150105)142004年第32卷第2期 流　体　机　械 及太阳能集热器集热土壤蓄热等。

图1　太阳能—土壤源热泵系统212　SESHPS 联合运行模式SESHPS 联合运行模式,是指在热负荷较大时使用太阳能集热器与埋地盘管从两热源中同时取热的情况,根据两热源组合方式的不同,有如下3种运行模式:(1)太阳能集热器与埋地盘管串联运行,载热流体的流动顺序为先埋地盘管后集热器。

(2)同上为串联,所不同的是载热流体先经过集热器后经过埋地盘管。

(3)太阳能集热器与埋地盘管并联运行。

根据各自流量分配比例的不同,又有不同的情况。

为便于研究,本文取如下3种工况:以P 表示流经集热器的载热流体流量与总流量的比例,则有:1)P =0.25,集热器流量占1/4,埋地盘管为3/4;2)P =0.5,集热器与埋地盘管流量各占1/2;3)P =0.75,集热器流量占3/4,埋地盘管为1/4。

3　SESHPS 联合运行各组件模型311　埋地盘管模型本文中埋地盘管为垂直U 型管,模型采用经由Deerman 与K avangunaugh 改进过的圆柱热源分析解模型[3],该模型比较简单、直观,且易于编程计算。

文献[4]对此模型用于系统模拟的精度作了详细的阐述,并与TRNSY S 中的埋地换热器标准组件模型DST 进行了比较,取得了满意的结果。

所用到的计算式主要包括以下3个:(1)埋地盘管吸(放)热量的计算:Q i =c l m l (T g out -T g in )(1)式中　Q i ———i 时刻埋地盘管在土壤中的吸(放)热量,吸热为正,放热为负,W　c l ———载热流体的比热,k J/(kg ・℃)　m l ———载热流体的质量流量,kg/s　T gin ———埋地盘管的进口流体温度,℃　T gout ———埋地盘管的出口流体温度,℃(2)埋地盘管出口流体温度计算T gout =T f +Q n /(2c l ・m l )(2)式中　T f ———埋管内流体的平均温度,℃(3)埋地盘管内流体平均温度的计算[4]:T f ,i =T b ,i-Q i R b L-1K s L ∑ni =1∑ij =1Q j[G (Fot n+1-t i,p )-G (Fo t n -t i,p )](3)式中　T f ,i ———i 时刻埋地盘管内流体的平均温度,℃　T b ,i ———i 时刻土壤的原始温度,℃　R b ———孔洞热阻[4～6],m ・℃/W L ———孔深,m　K s ———土壤的导热系数,W/(m ・℃)　Q j ———第j 时刻埋地盘管吸(放)热量,W G (Fo ,p )———圆柱源积分[4]　p ———计算温度处的半径与孔洞半径之比　Fo ———付里叶准则数,Fo =4αt/d 2　α———土壤的导温系数,m 2/h t ———时间,h d ———孔洞直径,m当p =1,可用下式近似计算G (Fo ,p ):G (Fo ,1)=10β(4)式中　β———指数β=-0.89129+0.36081lg F O -0.05508lg 2F O +3.59617×10-3lg 3F O模型的输入为进口流体温度与质量流量(来自其它组件模型的输出);输出为出口流体温度、质量流量(供其他组件模型使用)、埋地盘管负荷及管内流体平均温度;模型参数包括孔洞尺寸、土壤导热系数与导温系数、U 型管材的导热系数、载热流体的比热与流量、载热流体的粘度与密度、灌浆材料的导热系数及土壤原始温度等。

其计算采用一迭代程序,即首先假定一埋地盘管的出口流体温度,通过其他组件模型的计算得到一埋地盘管入口温度,根据式(1)～(3)可得到一个新的埋地盘管出口流体温度,然后与假定值比较,直到其差值的绝对值达到要求的精度为止。

312　土壤源热泵模型土壤源热泵的数学模型可根据产品样本提供的实验数据拟合而成,其吸热量与耗电量可以分别拟合为式(5)和式(6):24 F LUI D M ACHI NERY Vol 132,No 12,2004Q extractionq heating=a+bT in+cT2in(5)Nq heating=d+eT in+f T2in(6)式中　Q extraction———热泵蒸发器从环路中的吸热量,W　N———热泵机组的输入功率,W　q heating———热泵机组的供热量(等于所应满足对应时刻的建筑热负荷),W T in———热泵进口流体温度,℃　a,b,c,d,e,f———曲线拟合系数,具体数值视不同的热泵机组而定313　太阳能集热器模型太阳能集热器的数学模型可根据厂家对其进行性能测试而得到,其瞬时效率方程可表示为:η=C-D(tci-t a)/I c(7)则有: Q u=A c I cη(8)T co=t ci-Q u/(m l・c l)(9)式中　η———集热器的瞬时集热效率　C,D———集热器瞬时效率曲线系数,对于结构一定的集热器为常数　Q u———集热器的有效集热量,W　A c———集热器的集热面积,m2　I c———太阳辐射强度,W/m2　t ci,t co———集热器进、出口流体温度,℃　t a———外界环境温度,℃　m l———集热流体的质量流量,kg/s　c l———集热流体的比热,k J/(kg・℃)4　模拟计算过程及结果分析以青岛地区为例进行模拟计算,热泵机组选用美国宜康能地源热泵公司生产的G V/GH/ G C180/181型水-空气式水环热泵,根据样本数据可得:a=0.7021,b=0.0062,c=-0.0002,d= 0.2979,e=-0.0061,f=0.0002;太阳能集热器选用北京太阳能研究所研制的BTR—C1型平板集热器,C=0.744,D=4.45;模拟条件如表1所示。

针对上述讨论的各种联合运行模式,取青岛地区采暖季节一典型日加以分析,编制计算机程序进行模拟计算。

图2给出了运行模式一的计算框图,其他运行模式的计算过程与此基本一致,只是模型的连接顺序不同,在此不逐一列出。

计算结果如图3～7所示。

为了与土壤源热泵进行对比,图3～5中也给出了土壤源热泵单独运行时各对应参数的变化曲线;表2列出了各联合运行模式与土壤源热泵单独运行模式全天日间9h各对应参数的比较结果。

图2　联合运行模式一的计算框图图3　各运行模式下热泵吸热量随时间的变化规律411　各运行模式下热泵吸热量的比较从图3可以看出,联合运行的各模式中热泵吸热量随时间变化趋势基本一致,均是随着日间时间的延续,太阳辐射强度的增加而逐渐减小,这是因建筑物热负荷也在相应减小的缘故。

除日照始末时刻外,各对应时刻热泵吸热量基本相同,从342004年第32卷第2期 流　体　机　械 表2中也可看出日间9h 的总吸热量几乎相等。

从图中还可看出,土壤源热泵各对应时刻的吸热量比联合运行模式平均要小0.15kW ,这意味着在供热负荷一定时,联合运行模式中热泵机耗功量要比土壤源热泵运行模式小,从而具有节能效果,这可从图4中更直观地看出。