（制冷及低温工程专业论文）太阳能蓄热与地源热泵供热水系统的trnsys模拟与研究.pdf

中文摘要 针对天津地区一建筑物设计了一套太阳能蓄热与地源热泵供热水系统，充 分利用太阳能和浅层地表能，扩大太阳能热利用的深度与广度，提高太阳能利用 率。基于t r n s y s 软件平台，建立太阳能蓄热与地源热泵供热水系统仿真模型。 对太阳能地源热泵供热水系统进行t r n s y s 模拟，研究典型天、每月、每 季度以及全年的太阳能保证率、集热器效率、辅助热源地源热泵的供热量、太阳 能和地热能对供热水系统的贡献比。对太阳能热水系统地下跨季节蓄热进行 t r n s y s 模拟，研究4 月7 月期间太阳能辐射量最大时间段里跨季节蓄热的能 力，计算典型天、每月以及全年的地下蓄热量。针对天津地区一建筑物示范工程 的太阳能热水系统进行优化。研究集热器面积、水箱容积以及地下蓄热时长对太 阳能集热系统太阳能保证率和水箱蓄热能力的影响，并得到优化值。 太阳能与地源热泵供热水系统全年总供热量中太阳能与地源热泵贡献比为 1 5 ：8 ，可再生能源( 太阳能、地表能) 占总供热量的8 6 5 。太阳能向地下蓄热 量为4 2 0 4m j ，占太阳能总得热量的9 7 。 关键词：太阳能热水；地源热泵；地下土壤蓄热；t r n s y s 模拟 a b s t r a c t h o tw a t e rs y s t e mb ys o l a r - g r o u n dc o u p l e dh e a tp u m ps y s t e mw i t hs e a s o n a l s t o r a g e ( s g c h p s s ) h a sb e e nd e s i g n e da p p l i c a t e df o rab u i l d i n gi nt i a n j i nr e g i o n i nt h es y s t e m ，s o l a re n e r g ya n ds h a l l o wg r o u n de n e r g yh a sb e e nu t i l i z e di nt h es y s t e m h e a ts t o r a g em a d ei tp o s s i b l et ou s es o l a re n e r g ya f t e rs u n s e to ri nw i n t e r , a n dt h e s y s t e mp e r f o r m a n c ew a si m p r o v e d b a s e do nt r n s y ss o f t w a r ep l a t f o r m ，t h e s i m u l a t i o ns t u d yw a sc a r r i e do u to nt h es g c h p s s s y s t e m t h es i m u l a t i o nm o d e lo fh o tw a t e rs y s t e mb ys o l a re n e r g y - g r o u n dc o u p l e dh e a t p u m pw a sa n a l y z e do nt h er a t eo fs o l a re n e r g y ，e f f i c i e n c yo ft h ec o l l e c t o r ，t h eh e a t e n e r g ys u p p l y i n gb yg r o u n dc o u p l e dh e a tp u m p ，t h er a t i oo fe n e r g ys u p p l yb e t w e e n s o l a ra n dg r o u n dc o u p l e dh e a tp u m pa n dt h ep e r c e n t a g eo fr e n e w a b l ee n e r g yo na t y p i c a ld a y ，m o n t h l y , q u a r t e r l ya n daf u l ly e a r t h es i m u l a t i o nm o d e lw i t hs e a s o n a l s t o r a g ew a sc a r r i e do u to nt h ec a p a c i t yo fs t o r a g ei ns o i ld u r i n ga p r i la n dj u l yo na t y p i c a ld a y , m o n t h l ya n daf u l ly e a r ao p t i m i z a t i o nh a sb e e nd o n ef o rt h es y s t e m ， w h i c hw a so na r e ao fc o l l e c t o r s ，v o l u m eo f t h et a n ka n dt i m eo fu n d e r g r o u n ds t o r a g e d u r i n go n ey e a r , t h er a t i oo fe n e r g ys u p p l yb e t w e e ns o l a ra n dg r o u n dc o u p l e d h e a tp u m pi s1 5 ：8 t h ep e r c e n t a g eo f r e n e w a b l ee n e r g y ，b o t hs o l a re n e r g ya n ds u r f a c e e n e r g y ，i s8 6 5 t h ea m o u n to fs o l a re n e r g yw h i c hh a sb e e ns t o r e du n d e rg r o u n di s 4 2 0 4m j ，w h i c hi sa b o u t9 7 o f t h et o t a ls o l a re n e r g y k e yw o r d s ：s o l a re n e r g yh o tw a t e r , g r o u n dc o u p l e dh e a tp u m p ， u n d e r g r o u n ds t o r a g e ，t r n s y ss i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤凄盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲菅可弓勺签字吼z 护呷年岁月弓7 e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：管乃白 签字目期：2 6 。7 年岁月纠日 导师躲锎 签字日期：功9 夕年f 月岁日 天津大学硕士学位论文第章绪论 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论 在常规能源日趋紧张和环境污染不断加剧的双重压力下，太阳能作为一种清 洁的可再生能源，已成为当前国际能源开发利用领域中的新热点。太阳能热水系 统用于提供生活热水，可大大节省燃料费用，是目前结合建筑低成本、规模化利 用太阳能的主要技术手段之一。在我国大量建设的多高层集合住宅中，如何充分 利用这些建筑物的垂直外墙获得最大太阳能资源，并使其与建筑有机结合是技术 推广的一个重要领域。 图1 1 主要能源利用趋势 据统计，住宅使用期日常能耗的2 0 - - 3 0 用于生活热水。如果能利用太阳能 来解决住宅的生活热水问题，尤其是对我国来说意义相当重大。如果建筑能耗中 热水能耗占1 5 ，若太阳能热水保证率可达4 0 ，则可再生能源占建筑能耗可 达6 。如果建筑能耗中热水能耗占5 0 ，若太阳能热水保证率可达1 0 ，则可 再生能源占建筑能耗可达5 。然而，事实却是太阳能在我国建筑节能，尤其是 在住宅热水供应中发挥的作用十分有限。这其中的一个重要原因是，目前我国太 阳能热水器与建筑的结合仍处于比较初级的阶段，理论上的集热性能在复杂多变 的住宅中难以得到应有的发挥。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 高层建筑的生活热水负荷在消耗着数量可观的常规能源，人们为此需要付出 一笔生活热水费用，并且随着人们生活质量的提高，这部分费用会逐年增大。利 用太阳能集中供应热水，节省能源的同时可以大大节省这部分费用，但受日照条 件的限制，太阳能热水系统往往安置在屋顶上。以层高3 m 的6 层住宅为例，底下 l 层的住户的供热水立管长度最少1 8 m ，加上户内支管长度5 m ，共2 3 m ，按照管 径2 0 r a m 计算，则每次使用前要放掉7 2 l 的冷水才能流出热水，如每天早晚各使 用一次热水，一天将浪费近1 5 l 水，该户每年将浪费近5 5 t 水。可见如果不能保 证系统的供水温度，不仅会给用户使用带来不便，而且浪费了宝贵的水资源，使 得太阳能热水系统只节能不节水。所以对高层建筑热水系统进行优化研究，可以 提高热水系统的社会经济效益，。并达到节水节能的目的。 由于产品质量良莠不齐、政府激励政策不到位以及设计方案不合理等原因， 使得太阳能热水系统的初投资和运行状况成为影响用户最终选择的关键因素。作 为评价太阳能热水系统的一个重要指标和系统方案选择的重要依据，对太阳能热 水系统进行实际运行状况预测和经济性能评价非常重要。 1 1 1 我国太阳能资源情况 根据全国近7 0 0 个气象台站长期观测积累的数据资料表明，我国各地的太阳 辐射年总量大约在3 3 0 0 m j m 2 a , - - - 8 4 0 0 m j m 2 a 之间，其平均值为5 9 0 0 m j m 2 a 。 总的来看，我国是太阳能资源比较丰富的地区，最多的地区每平方米面积上 一年内可接受的太阳辐射总能量达6 7 0 0 m j 8 4 0 0 m j ；最少的地区每平方米面积 上一年内也能接受到3 3 0 0 m j 4 2 0 0 m j 的热量，仍近似于法国巴黎和俄罗斯莫斯 科的太阳辐射年总量i 。 根据太阳辐射总量分布状况，通常将我国划分为五类地区，如下表1 1 所示。 一、二、三类地区是我国太阳能资源比较丰富的地区，面积很大，约占全国总面 积的2 3 以上。即是说，我国有约三分之二的国土太阳辐照总量接近或超过 6 0 0 0 m j m 2 a ，年日照时间大于2 0 0 0 小时，尤其是华北、西北的广大地区，日 照充足，为利用太阳能利用提供了良好的条件。按2 0 的新建住宅安装基于本项 目建筑一体化的太阳能热水系统，其市场前景将十分广阔。四、五类地区虽然条 件较差，但如能因地制宜，采用适当的方法和装置，仍具有一定的实用意义。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1 我国太阳能资源区划及特征 1 1 2 太阳能热水系统的优势 在住宅中，随着居民对生活舒适性要求的提高，生活热水的用量也越来越大。 使得常规能源供应与住宅生活热水耗能的缺口日益增大，建筑行业开始向太阳能 为代表的可再生能源利用方式寻求解决的新途径，其中大量使用太阳能热水器就 是途径之一。 太阳能热水系统通常由集热器、贮水箱、循环泵、连接管道、支架和控制系 统组成。主要利用太阳能做为制热水的热源，只有在太阳光不足时才需要少量的 其他能源辅助，因此相对于其他热水器，其节能环保的特性显而易见。太阳能热 水系统有如下几个优势： ( 1 ) 节能效果显著 在我国2 3 国土内有比较丰富的太阳能资源，每平方米太阳能热水系统年均 能源替代量为1 5 0 k g 1 8 0 k g 标准煤，相当4 5 0 k w h 5 0 0 k w h 电。到2 0 2 0 年我 国若发展到4 5 亿m 2 太阳能热水器( 系统) ，其能源替代相当3 1 0 0 万k w 装机， 年可替代6 5 0 0 万吨 - 7 5 0 0 万吨标准煤，相当2 1 0 0 亿度电，如表1 2 所示( 由中 国农村能源行业协会太阳能热利用专业委员会提供) 。可见大力发展太阳能热水 器( 系统) 对我国的能源安全有着重要的现实意义。 ( 2 ) 环保减排 每平方米太阳能热水器( 系统) 每年可减排c 0 23 2 2 k g 、s 0 23 9 6 k g 、n 0 2 1 9 8 k g 、粉尘3 0 6 k g ，所减少的环境治理费达7 5 元，十年寿命期其总环境效益 为7 5 0 元m 2 。如表1 3 所示。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表1 2 我国太阳能热水器( 系统) 发展规划 表1 3 每平方米太阳能热水器( 系统) 的环境效益 ( 3 ) 经济实用 我国广大居民生活用热水主要来自三种产品，即：电、燃气和太阳能热水器。 据不完全统计2 0 0 1 年三种热水器的使用比例为3 0 、5 4 8 和1 5 2 ；到2 0 0 6 年分别为4 5 2 、2 6 5 7 和2 8 2 3 ，如表1 4 所示。从中看出太阳能热水器的比 例上升很快，其中重要原因是它经济、安全。 表1 42 0 0 1 - 2 0 0 5 年三种热水器的市场占有率 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表1 5 三种热水器的经济效益比较 1 1 3 天津市太阳能热水系统应用前景 天津市属于北温带大陆性季风气候，具有较为丰富的太阳能资源，水平面上 年均太阳能总辐射量达4 8 7 6m j m 2 ，绝大部分处于i i - - - i i i 类太阳能资源带，年 日照时数在2 4 7 0 9 小时, - - 2 9 1 2 9 小时，年平均气温约为1 3 0 0 c 充足的日照和适 宜的温度为天津市太阳能在建筑中的应用提供了良好的自然资源基础条件。 太阳热水器是天津市可再生能源产业中发展最快、技术最成熟、最具市场潜 力的新能源产品之一。截止目前，整个天津市太阳能热水器市场销售品牌已经超 过1 0 0 种，当地生产厂家约3 0 家，年产量超过2 万m 2 ，每年产品安装量超过l 万m 2 。天津市太阳能热水器总保有量已经超过3 2 5 万m 2 ，其中平板型和真空管 型集热器各占1 2 左右。近年来，随着全国推广太阳能的浪潮，天津市太阳能热 水器的研发与应用工作也出现了新的契机，许多暖通行业的厂家也开始关注太阳 能熟水产品，在经济和技术上为天津市太阳能技术的推广应用做好准备。 天津也是我国最早开展太阳能技术理论研究与工程应用的地区之一，积累了 丰富的经验。近几年来，天津市在太阳能应用技术方面比较迅速，尤其是光热、 光电转换技术已经处于国内先进水平。因此，天津市已经初步具备了太阳能规模 化应用的资源条件和技术条件。天津市政府正在积极推进太阳能热水系统在1 0 个新家园首批1 0 0 万m 2 示范项目建设中的规模化应用。天津市亦列入我国首批 建筑太阳能应用试点城市，预示着太阳能应用在天津市具有广阔前景。 1 1 4 太阳能一地源热泵组合系统的提出 热泵作为一种节能与环保型空调技术，其冷热源的选取与利用方式一直是热 泵研究领域的一个核心课题，也是提高其能源利用效率的一个关键性因素。目前， 作为热泵热源的主要有空气源、水源( 地下水或地表水) 、太阳能及地下土壤等， 然而只采用一种热源的单一热源热泵本身存在着各自无法克服的缺点。空气源热 天津大学硕士学位论文第一章绪论 泵( a i r - s o u r c eh e a tp u m p ，a s h p ) 受室外气温波动影响而使得其运行极不稳定， 且存在着建筑物需热率与所要求室外空气温度不一致( 冬季热负荷大时，室外气 温低：夏季冷负荷大时，室外气温高) 的致命弱点，同时在气温低时还存在着结 霜除霜问题。水源热泵( w a t e r - s o u r c eh e a tp u m p ，w s l i p ) 因各地水资源的不同 而使得其大面积的推广应用受到限制。而且其应用还要受到当地水资源管理部门 的限制与制约。太阳能热泵( s o l a r - a s s i s t e dh e a tp u m p ，s a h p ) 因太阳辐射照度 随季节与昼夜的变化而使得其运行很不稳定，为此还必须设置一大容量的储热装 置或辅助热源来解决其间断性问题。土壤源热泵( g r o u n d s o u r c eh e a tp u m p ， g s h p ) 也因其吸热率低而使得投资太大，且还存在着热泵运行时因埋管连续从 土壤中取热造成土壤温度持续降低而导致热泵供热性能逐渐低下这一致命弱点。 因此，有必要寻找一种新的热泵热源利用形式。 目前，我国北方采暖的大部分地区，冬季采暖负荷较大，采暖时间长，因此， 采暖能耗占全年能耗比重较大。而北方现行的采暖方式仍以传统的燃煤锅炉作为 主热源的集中供热方式占了主导地位。煤的大量燃烧所排放出的废弃物势必造成 环境的日益恶化，同时，煤属于不可再生能源，其消耗只会造成可开采能源资源 走向枯竭，这不符合当今社会节能、环保及可持续发展形势的需要。而单一空气 源、水源，土壤源及太阳能热泵应用于北方采暖时分别存在着结霜、缺水、埋管 负荷不平衡及不稳定等问题；考虑到太阳能与土壤热具有互补性及资源分布广泛 的优点。为此提出了利用太阳能与地热能联合或交替作为热泵热源的设想，即太 阳能地源热泵系统( s o l a r - g r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e m ，s g s h p s ) 。该系统 以太阳能和地球表层土壤中储存的热能作为热泵的热源，是太阳能和地热能综合 利用的一种形式，属于多种低品位热源通过热泵来加以利用的方式之一。在冬季， 考虑到较大的热负荷，联合使用太阳能和土壤热作为热泵的低位热源，夏季因冷 负荷不大而只使用土壤冷源来进行空调，太阳能系统则主要用于提供生活用热 水。用太阳能与土壤热作为热泵热源不存在空气与水源热泵的缺点，且其组合具 有很大的灵活性，吸取了单一太阳能热泵和土壤源热泵的优点，同时在一定程度 上又弥补了太阳能与土壤源热泵的缺点，一年四季均可利用。提高了装置的利用 系数，因此具有单一热源热泵无可比拟的优点。 太阳能与地热能的组合具有很好的互补性。太阳能的供应可弥补热负荷大时 土壤源热泵制热量不足、制热效率低等缺陷，地热源的使用可克服太阳能热泵受 气候条件影响严重的缺点，使运行更稳定；太阳能热泵与供热季节需热率不一致 的缺点正是土壤源热泵的优点；对于土壤源热泵，由于太阳能的加入，便可实现 间歇运行，使土壤温度在日间运行太阳能热泵期间能够得到一定程度的恢复，从 而使得土壤源热泵性能系数得以提高；对于太阳能热泵也由于土壤热源的加入而 天津大学硕士学位论文第一章绪论 使得系统在阴雨天及夜间仍能够在适宜热源温度下运行，同时还可省去或减小储 热水箱或辅助热源的容量。冬季采暖时，当集热器所提供的热量能够满足建筑物 的需热率时，可以由太阳能集热器直接供暖；当集热器温度较高，供热量有余时， 可将部分热量转移到土壤中储存，这不仅有助于土壤温度的恢复，而且还可降低 进入集热器的流体温度，提高集热效率；如果提供的热量不够，可采用太阳能热 泵( 晴天白天) 或土壤源热泵( 阴雨天和夜间) 的运行方式；当供暖负荷继续增 大时，可将集热器与埋地盘管联合起来运行，从两热源中同时取热。同时，冬季 也可利用土壤源热泵来融化集热器表面的积雪，夏季空调制冷时，白天将室内余 热排入地下土壤中，晚上，则可利用集热器作为散热器，将土壤中的部分热量取 出排到空气中，这有助于土壤温度的恢复；过渡季节还可利用u 型埋管进行太 阳能土壤蓄热，以便冬季采暖时取出加以利用。太阳能一地源热泵系统考虑了太 阳能与土壤热能具有匹配性的特点，并充分地对其加以利用，是一种节能型、环 保型及可持续发展型的能源采掘与利用装置，符合当今社会形势发展的需要，有 着广阔的发展前景，因此具有很大的研究价值。 1 2 本课题国内外研究状况 1 2 1 土壤跨季节蓄热研究现状 跨季节蓄热太阳能集中供热系统( c s h p s s ) ，是与短期蓄热或昼夜型太阳 能集中供热系统( c e n t r a ls o l a rh e a t i n gp l a n tw i t hd i u m a ls t o r a g e ，以下简称 c s h p d s ) 相对而言。现在普遍流行的家用太阳能热水器系统( d e p a r t m e n to f s o c i a la n dh e a l t hs e r v i c e s ，d s h s ) 及其它类似装置就属于c s h p d s 系统。由于 太阳能量密度较低，且存在季节和昼夜交替变化等，使得c s h p d s 系统不可避 免地存在很大的不稳定性，太阳能利用效率低等缺点。 而c s h p s s 系统主要是通过一定的存储媒介，如热水型蓄热、砾石水蓄热、 埋管土壤蓄热和含水层蓄热等，进行太阳能量存储( 蓄热) ，以补偿太阳辐射与 热量需求的季节性变化，从而达到更高效利用太阳能的目的。因此，c s h p s s 系 统可以很大程度上克服c s h p d s 系统的缺点。在欧洲，c s h p s s 系统中太阳能 占总热需求量的比例已达到4 0 6 0 ，远远超出了c s h p d s 和家用太阳热水器 d s h s 系统。c s h p s s 系统已经成为国际上比较流行、极具发展潜力与大规模利 用太阳能的首选系统之一。瑞典在a n n e b e r g 地区的商业住宅中利用太阳能地下 蓄热，开凿1 0 0 个u 型垂直埋管换热器，用来储存2 4 0 0 m 2 太阳能集热器收集到 的热量，其中一部分采用热电联合用能循环，一部分采用热泵系统循环，每年可 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 以补充7 0 一8 0 的供热量1 2 j 。 利用t r n s y s 和m i n s u n 建立土壤蓄热模型( d s t ) ，对一个9 0 户家庭 约1 0 8 0 m w h 的热负荷进行分析，设计时满足太阳能占6 0 ，太阳能集热器 3 0 0 0 m 2 ，可以提供3 0 的供热热水，地下蓄热容积6 0 0 0 0 m 3 ，蓄热温度为3 0 - 4 5 。c 1 3 1 。 目前，主要的研究方向是太阳能集热器面积和蓄热体容积对c s h p s s 系统的 供热性能、经济性及系统的优化分析；应用有限元分析法对太阳能集热器、热泵、 地下蓄热体进行仿真模拟和经济性分析【4 。5 j 。 跨季节蓄热太阳能集中供热系统，目前研究方向是如何改进和提高蓄热效 率，降低建造成本，同时提高太阳能集热器效率并采用低温供暖技术等。设计中， 需要对系统参数进行优化，t r n s y s 已成为主要的计算与分析软件。 国内针对太阳能土壤蓄热的研究与应用，从文献检索看，目前尚只有针对温 室的太阳能地下蓄热的有关研究，如采用太阳能地下蓄热进行温室黄瓜生长实 验，与煤炉地上加热方式相比，温室地温平均升高4 4 c 产量提高2 1 以上。 对太阳能土壤蓄热温室进行模拟研究，得到太阳能集热器面积与温室种植面积的 优化比例为1 ：5 。 对太阳能土壤跨季节蓄热，本课题组已开展了此方面的初步研究。结合土壤 跨季节蓄热，实现太阳能、地表能及与地源热泵的组合利用；通过地下埋管，将 夏季过剩太阳能储存于土壤中，冬季太阳能不足时，通过地源热泵加以提升利用； 并建立示范工程，实现供热、空调和供热水三联供【6 】。将太阳能土壤蓄热系统应 用于公路融雪中，实现太阳能的跨季节转移利用1 7 j 。国际上已开展了一些土壤蓄 能相关的研究工作，但对土壤蓄能的机理和特性研究是很有限的，国内研究工作 尚处于起步阶段。 国内外对地源热泵的埋地换热器及与地下土壤之间的传热已做了很多研究 工作，如以线热源【8 1 或圆柱热源【9 1 模型为基础，开展埋管传热理论研刭1 m 1 1 1 。对 土壤的蓄冷，开展了含土壤冻融过程的埋管管束内层及外层盘管蓄冷、释冷过程 的研究，得到土壤蓄冷及释冷的运行特性受土壤物性、流体流量、温度、埋管布 置及尺寸等多因素的影响【1 2 1 。通过垂直埋管的传热实验和模拟计算，对蓄能的传 热作用进行分析和探讨，表明：蓄能改变地下蓄能体的能位；蓄能体温度分布的 变化随时间而改型13 1 。对土壤内热湿迁移进行了很深入的研究【1 4 】，通过分形理 论研究多孔介质内的热质传递，采用有限容积法分析分形多孔介质中的热传导 等。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 太阳能跨季节蓄热组合系统应用现状 欧洲对太阳能采暖热水组合系统设计研究较早，在上世纪7 0 年代就有相应 的运行系统出现，9 8 年国际能源机构l e a 下设的太阳能供暖制冷组织s h c 将 其列为一个专题：t a s k2 6s o l a rc o m b i s y s t e m ，主要研究组合系统的调查和推广、 系统及部件性能测试方法及数值模拟方法开发、系统的最优化三个方面的问题 1 1 5 。系统中主要包括太阳能集热器回路、热存储子系统、控制子系统、辅助能源 子系统、热水分配子系统五个部分。 图1 2 是欧洲太阳能集热器组合系统发展的预测图，可看出组合系统在欧洲 有很好的发展前景，预计到2 0 10 年安装组合系统达l8 0 0 万m 2 ，能够有效减少 对常规化石能源的依赖和c 0 2 的排放。 近十多年来国外已经设计安装了多种类型的太阳能组合系统，其中大都进入 市场，产品、技术比较成熟，这些都可为我国太阳能热利用提供有利的借鉴【l 酬。 近年来，中北欧建立了许多大型跨季节蓄热的太阳能系统，主要在瑞典、丹 麦、荷兰、德国、澳大利亚( d a l e n b a c k ，2 0 0 3 ) ，南欧仅有希腊雅典l y k o v r i s s i 跨季节蓄热系统一处1 1 7 j 。 1 9 9 51 9 9 71 9 9 92 0 0 1 年份2 0 0 3 2 0 0 52 0 0 72 0 0 9 图1 2 欧洲太阳能集热器组合系统发展预测图 德国是第一个将太阳能辅助供热工程作为政府示范和研究项目的国家。1 9 9 3 年，德国政府计划在1 0 年内完成2 0 0 0 兆卡太阳能工程计划，工程由b m b f 科 研学术机构和b m w i 经济技术机构资助，分三期来完成：i 期主要研究大规模 太阳能热利用系统的长期性能和可靠性；期( 无跨季节蓄热) 和i 期( 有跨 季节蓄热) 主要是探索和示范监测工程。在完成4 个短期太阳能集中供热工程之 后，一直到1 9 9 5 年才开始期工程的建设，已建成8 个跨季节蓄热示范工程， 加 跗 加 o nv量80iv娶阻 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表l 一6 为2 0 0 0 兆卡太阳能工程的期概况i ”l 。图1 3 为位于德国汉堡市的第一 个太阳能跨季节蓄热示范工程。 表1 6 期工程概况：跨季节蓄热太阳能供热系统 指标名称单位h 枷b u r g 计划中 采暖面积m 2 热负荷 集热嚣面积m 2 蓄热窖积m ， 蔷热方式热水池热水池埋管砾石，水 年太阳能得热量 太阳能保证率 年太阳得热量损耗 g j ( m 2a 1 供热系统总投资 太用能投资 采瞪总费用 太阳能采疆费用 图卜3 德国汉堡示范工程图l - 4c s h p s s 系统月能量平衡圈 德国斯圈加特大学设计的太阳能蓄热供热系统，短期蓄热按太阳能满足全年 供暖和热水总需求的1 0 一2 0 设计，太阳能保证率满足7 、8 月份热水负荷的 8 0 一】0 0 ，年热水负荷的4 0 5 0 ( 中北欧统计数据) ；跨季节蓄热太阳能集中供 热系统( c e n t r a ls o l a rh e a t i n gp l a n tw i t hs e a s o n a ls t o r a g e ，c s h p s s ) 的目标是太 阳能保证率满足大型建筑全年供暖和生活热水总需求的5 0 d a 上，随着季节的更 天津大学硕士学位论文第一章绪论 替，通过跨季节蓄热实现太阳辐射与热需求之间的补偿。图1 4 为德国 f r i e d r i e h s h a f e n 地区c s h p s s 系统月能量平衡图【2 引。 目前，跨季节蓄热太阳能集中供热系统在欧洲尚处研究和工程示范阶段【2 6 1 ， 这一技术发展的瓶颈在于初投资较大，现已建成的示范工程主要由政府投资建 设。从技术角度来讲，需要改进并提出新的跨季节蓄热装置以提高储热效率、降 低建造成本，同时提高太阳能集热器效率并采用低温供暖技术等；在设计中，需 要对系统参数进行优化，目前欧洲主要采用t r n s y s 软件来完成系统参数的优 化工作。国内还没有真正意义上的太阳能跨季节蓄热集中供热系统应用实例。天 津大学【2 蚴】正在做太阳能土壤跨季节蓄热一地源热泵组合系统( s o l a r - g r o u n d c o u p l e dh e a tp u m p w i t hs e a s o n a ls t o r a g e ，s g c h p s s ) 方面的尝试。 1 2 3 太阳能地源热泵组合系统 ( 1 ) 国外研究现状 自1 9 4 0 年人类开始进行地源热泵性能研究以来，国外大量科研工作者和工 程技术人员对其进行了广泛的数值分析和实验研究，并发展为埋地换热器与太阳 能集热器联合或交替使用的太阳能一地源热泵系统。将太阳能集热器和埋入土壤 的盘管进行组合，使过多的太阳能能够储藏在土壤中，这一设想是彭罗德 ( p e n r o d ) 于1 9 5 6 年首次提出的1 2 7 】。1 9 6 2 年，彭罗德描述了太阳能地源热泵组 合系统的工作原理图，1 9 6 9 年，又给出了设计太阳能一地热源热泵系统的过程， 包括太阳能集热器与埋地盘管的设计1 2 s - 3 1 1 。随后，用于计算与热泵联合工作时集 热器与埋地盘管的大小等参数的复杂理论也应运而生。1 9 7 7 年，由于能源危机 的出现，美国又重新开始致力于对土壤源热泵的研究，主要包括对土壤盘管参数 的测试及与太阳能集热器联合使用的混合系统的研究。1 9 7 8 - - - 1 9 8 1 年间，美国 布鲁克海文国家实验室b n l ( b r o o k h a v e nn a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 对带圆柱型地下 储能罐的串联太阳能热泵系统进行了实验与模拟研究，结果表明：在冬季采暖运 行工况下，地下储能罐可以使太阳能热泵工作性能更稳定，且可以减小辅助热源 装置的容量 3 2 - 3 6 j 。19 7 9 年，b o s e j e 等人对以u 型埋管与地下水井作为储能设 备的太阳能热泵系统进行了实验研究，结果显示：u 型土壤埋管及地热井均能为 太阳能热泵系统提供很好储能的效果，且能显著提高热泵系统的运行效率与稳定 性 3 7 - 3 9 】。19 81 年，o k l a h o m as t a t eu n i v e r s i t y 的f a i s a l 对空气源热泵、地源热泵 及太阳能地源热泵进行了动态模拟研究，结果显示：地源热泵在降低峰值负荷 方面显示出最大的优势，而太阳能一地源热泵对于提高与维持地热水井温度方面 具有很大的帮助l 划。1 9 8 5 年，p d l u n d 对用垂直埋管换热器作为季节性储能装 置的太阳能熟泵供热系统进行了数值模拟，讨论了储能容积、储能介质、集热器 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 面积及集热器类型对系统性能的研究【4 1 】。计算机模拟技术已广泛应用于太阳能 地源热泵的性能研究与设计中，m i n a l l i 应用复数有限傅里叶变换c f f t ( c o m p l e x f i n i t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 与有限差分方法模拟分析了带有地下圆柱型与球型储能 罐的太阳能供热系统的地下温度场分布，对集热器面积、储能容器容积及埋深等 因素对地下温度场分布的影响进行了比较分析【4 m 引。 进入2 l 世纪，由于世界各国对能源与环境问题的更加重视，太阳能地源热 泵的研究得到了进一步的发展。r y u m r u m s 对埋设于地表土壤中的半球形与垂直 圆柱形水罐作为季节性蓄热装置的太阳能热泵供热系统进行了分析与计算，结果 显示：土壤类型对储能区域的瞬态温度场及热泵的年平均c o p 的影响很大，且 土壤导热性小有助于改善全年平均系统性能舶】。2 0 0 3 年，a n d r e wd c h i a s s o n 与c e n ky a v u z t u r k 首次用t r n s y s 作为模拟平台，以b l a s t 负荷计算软件为基 础，对带有太阳能集热器辅助加热的混合地源热泵系统进行了模拟研究，并以包 括芝加哥、盐湖城、丹佛及布法罗等在内具有不同气候特点的美国六个城市作为 模拟地区进行了为期2 0 年的模拟，结果表明：在以采暖为主的地区，带有太阳 能集热器的混合地源热泵系统在经济上是可行的，且具有明显的节能效果1 4 刀； 2 0 0 5 年，o n d e ro z g e n e r 等对一用于温室加热的u 型垂直埋管太阳能地热源热 泵系统进行实验与理论研究 4 8 - 5 1 。2 0 0 6 年，t r i l l a t 等针对一用于向1 8 0 m 2 住宅供 暖空调及供生活热水的带有太阳能集热器辅助的地源热泵系统进行实验研究，实 验中太阳能集热器主要用于供生活用热水，多余的则通过u 型埋管储存于土壤 中，检测结果表明：供暖期热泵供热平均c o p 为3 7 5 t 5 2 】。 ( 2 ) 国内研究现状 国内在地源热泵方面做了大量探索性的研究，取得了一定的成果，且有一部 分工程实例在投入使用。但是专门对于以太阳能与土壤热作为热泵热源的太阳 能地热源热泵系统的研究很少。据文献资料报道，天津商学院是国内第一个尝 试进行太阳能一地热源热泵实验研究的单位，该校于1 9 9 4 年一- 1 9 9 5 年度采暖季 节进行了太阳能热泵和土壤源热泵供暖运行性能的实验研究，实验结果为：太阳 能热泵平均供热率为2 3 3 4 w ，平均供热系数为2 7 3 ，土壤热泵的相应参数为 2 2 9 8 w 和2 8 3 ，太阳能土壤热泵的相应参数为2 3l6 w 和2 7 8 t 5 3 - 5 4 。哈尔滨工业 大学对哈尔滨地区太阳能- 土壤源热泵系统供暖运行工况进行了模拟研究，得出 哈尔滨地区太阳能土壤源热泵系统中太阳能保证率为5 0 - - - 7 0 左右【5 孓5 7 j 。青 岛理工大学对青岛地区太阳能土壤源热泵系统的交替与联合运行模式进行了理 论研究，得出青岛地区太阳能土壤源热泵系统在以一天为交替运行周期时太阳 能热泵的运行时间比例可控制在4 2 5 8 ，联合运行模式较单独土壤源热泵 节能8 3 1 4 5 蜊邛】。河北工程大学针对邯郸地区，在已有的地源热泵实验台 天津大学硕士学位论文第一章绪论 上通过增设集热器，尝试进行了太阳能地热源热泵的实验测试，结果表明：与 单独地源热泵相比，采用太阳能辅助后可显著提高热泵的性能系数1 5 9 】。此外，国 内少量研究者也对s g s h p s 可行性方面作过一些理论分析，均得出太阳能与地 热源的结合可显著提高地源热泵的性能，具有较好的经济性- 6 2 。 综合上所述国内外研究状况，地源热泵的研究当前非常活跃，且日趋走向成 熟，太阳能热泵在国外有一定的研究，国内较少；但在太阳能一地热源耦合热泵 系统方面的研究却相当少，仍处于初级阶段，目前还没有形成一套完整的理论体 系，还有很多的基础研究工作有待于完成。可应用的基础数据尚不足，还不能为 其应用与推广提供充足的理论依据。 1 3 本课题的主要研究内容 ( 1 ) 针对天津地区一建筑物设计一套太阳能热水系统，实现全年供热水， 以地源热泵作为辅助热源。 ( 2 ) 对所设计的太阳能热水系统进行t r n s y s 仿真模拟，研究典型天、每 月、每季度以及全年的太阳能保证率、集热器效率、辅助热源地源热泵系统的供 热量、太阳能和地热能对这套热水系统的贡献比以及可再生能源( 太阳能和地热 能) 占总供热量的百分比。 ( 3 ) 对太阳能热水系统进行t r n s y s 仿真模拟，研究其在4 月7 月太阳 能辐射量最大的时间段里跨季节蓄热的能力，计算了典型天、每月以及全年的地 下蓄热量。 ( 4 ) 对整套太阳能热水系统进行优化模拟，研究集热器面积、水箱容积以 及地下蓄热时长对太阳能集热系统太阳能保证率和水箱蓄热能力的影响并得到 优化值。 天津大学硕士学位论文第二章太阳能热水系统设计 2 1 概述 第二章太阳能热水系统设计 针对在天津一建筑物，设计一套太阳能、蓄热与地源热泵组合系统 ( s g c h p s s ) 的示范工程。该建筑共3 层，总建筑面积为5 6 6 6 m 2 。包含有办公 室、图书室、会议室等常规空调区域，和篮球馆、乒乓球室、重量训练区等休闲 区域，还有游泳池、洗浴等常年需要热水供应的娱乐区域。建筑物冬季设计热负 荷为4 3 3 7 k w ，夏季设计冷负荷为4 6 1 7 k w 。本章的主要任务是设计该示范工程 中太阳能热水系统。 太阳能热水系统主要由太阳能集热系统和热水供应系统组成，包括太阳集热 器、出水箱、循环管道、支架、控制系统、热交换器和水泵等附件和设备。太阳 能集热系统是太阳能热水系统特有的组成部分，是太阳能是否能够得到合理利用 的关键。热水供应系统负责将集热系统制成的热水供给用户使用，其设计和常规 的生活热水供应系统类似，可以参照建筑给排水规范和手册设计【6 3 拼】。 2 1 1 太阳能热水系统的分类和特点 ( 1 ) 按太阳能集热系统和太阳能热水供应系统的关系划分为直接式系统( 也称 一次循环系统) 和间接式系统( 也称二次循环系统) f 6 5 - 7 1 j 。 直接式系统是指在太阳能热水器中直接加热热水供给用户的系统；间接式系 统是指在太阳能集热器中加热某种传热工质，再利用该传热工质通过热交换器加 热热水供给用户的系统。由于热交换器的阻力大，间接式系统一般采用强制循环 系统。考虑到用水卫生，减缓集热器结垢以及防冻因素，在投资允许的条件下， 一般优先推荐采用间接式系统；直接系统最好根据当地水质要求探讨是否需要对 自来水上水进行软化处理。 ( 2 ) 按有无辅助热源划分为辅助热源系统和无辅助热源系统 有辅助热源系统是指太阳能和其他水加热设备联合使用来提供热水，在没有 太阳能时，仅依靠系统配备的其他能源的水加热设备也能提供建筑物所需热水的 系统。在需要保证生活用水供应质量的场合，辅助热源是必不可少的。无辅助热 源系统热水供应的可靠性差。 天津大学硕士学位论文第二章太阳能热水系统设计 ( 3 ) 按照辅助热源的启动方式划分为手动启动系统、全日自动启动系统和定时 自动启动系统 ( 4 ) 按照水箱与集热器的关系划分为紧凑式系统、分离式系统和闷晒式系统。 闷晒式系统是指集热器和贮水箱结合为一体的系统；紧凑式系统是指集热器 和贮水箱相互独立，但贮水箱直接安装在太阳能集热器上或相邻位置的系统；分 离式系统是指集热器和贮水箱之间分开一定距离安装的系统。在于建筑工程结合 同步设计的太阳能热水系统中，使用的系统主要为分离式系统。 ( 5 ) 按供热水范围划分为集中供热水系统和分散供热水系统。 ( 6 ) 按太阳能集热系统运行方式划分为自然循环系统、直流式系统和强制循环 系统。自然循环系统是指太阳能集热系统仅利用传热工质内部的温度梯度产生的 密度差进行循环的太阳能热水系统，也称热虹吸系统；直流式系统是指传热工质 一次流过集热器系统加热后，进入贮水箱或用热水处的非循环太阳能热水系统； 强制循环系统是指利用机械设备等外部动力迫使传热工质通过集热器进行循环 的太阳能热水系统。 太阳能热水系统的设计应遵循节水节能、经济适用、安全可靠、维护简便、 美观协调、便于计量的原则，根据使用要求、耗热量和用水分布情况，结合建筑 形式、其他可用能源种类和热水需求量等条件，来选择太阳能热水系统的形式。 2 1 2 太阳能热水系统的主要运行方式 ( 1 ) 自然循环系统 自然循环系统是指利用太阳能使系统内传热工质在集热器和贮水箱之间或 集热器与换热器之间自然循环加热的系统。系统循环的动力为传热工质温度差引 起的密度差导致热虹吸作用。由于间接式系统的阻力较大，热虹吸作用往往不能 提供足够的压头，自然循环系统一般为直接式系统。 通常采用的自然循环系统一般可以分为两种类型：自然循环系统( 见图2 1 ) 和自然循环定温防水系统( 见图2 2 ) 。 ( 2 ) 直流式系统 直流式系统是利用控制器使传热工质在自来水或其他附加动力作用下，直接 流过集热器加热的系统( 见图2 3 ) 。直流式系统一般采取变流量定温放水的控制 方式，当集热系统出水温度达到设定温度时，水阀打开，集热系统的热水流入热 水贮水箱中；当集热系统出水温度低于设定温度时，水阀关闭，补充的冷水停留 在集热系统中吸收太阳能。 天津大学硕士学位论文第二章太阳能热水系统设计 接自采水 供热水 图2 1自然循环系统 接自采水供热水 图2 2自然循环定温放水系统 图2 - 3 直流式系统 - 1 6 一 天津大学硕士学位论文第二章太阳能热水系统设计 ( 3 ) 强制循环系统 强制循环系统是利用温差控制器和循环水泵使系统根据集热