太阳能辅助地埋管地源热泵供热系统运行模拟

1、太阳能辅助地埋管地源热泵供热系统运行模拟摘要：某工程拟采用太阳能辅助地埋管地源热泵联合供热系统。介绍联合供热系统流程，建立联合供热系统的数学模型，对最冷日集热器有效输出能量、供暖室内实际温度进行了模拟计算。1概述目前，太阳能供热、地源热泵(包括地埋管地源热泵、地下水地源热泵等以地表浅层热能为热源的热泵)供热进入实际应用阶段，但是其运行效果仍有待进一步验证。在太阳能利用方面，虽然我国有66.7的地区属于太阳能较丰富的地区，但由于太阳能能流密度低，且不稳定，从而导致集热系统规模较大，使得太阳能热水系统的造价比常规热源高很多。加之太阳能的季节性缺陷比较明显，冬季供热工况下的供热效果并不理想。对于地埋

2、管地源热泵，土壤温度虽然较为恒定，但当建筑冷热负荷相差较大进而导致对土壤取热量与排热量相差悬殊时，容易形成冷堆积或热堆积，影响系统长期稳定的运行。对于地下水地源热泵，往往存在着地下水质破坏以及冷、热贯通的风险。同时，太阳能、地表浅层热能也存在地域性差异，不同地区的太阳能资源分布情况不同，土壤温度、地下水温度也不同，能源价格政策也不同，从而导致可再生能源利用的环境效益、经济效益也不同。因此，在可再生能源利用时，应根据当地实际情况进行可行性及适宜性分析。将太阳能与地埋管地源热泵相结合，对于寒冷地区，可有效防止供冷期取热过度造成土壤冷堆积问题的出现。本文在建立太阳能辅助地埋管地源热泵系统(以下简称联

3、合供热系统)数学模型的基础上，对寒冷地区某联合供热系统的运行效果进行模拟。2工程概况内蒙占某办公建筑拟采用地埋管地源热泵供热，考虑到当地供暖期吸收土壤热量高于供冷期向土壤排热，单纯采用地埋管地源热泵易产生冷堆积，因此拟采用太阳能辅助地埋管地源热泵的联合供热系统。供暖期室内设计温度为19，供热面积为21183.75m2，根据全年动态热负荷模拟结果可得出最大热负荷为1693.9kW(80W/m2)。室内采用地板辐射供暖系统，设计供、回水温度为45、35。办公建筑的工作时间为8：0017：00，因此联合供热系统采取间歇运行。根据地埋管换热器与太阳能集热器组合方式不同，联合供热系统可分为串联、并联形式

4、。串联形式可再细分为：从蒸发器出来的换热流体先经过地埋管换热器，再进入太阳能集热器，最后进入蒸发器。从蒸发器出来的换热流体先经过太阳能集热器，再进入地埋管换热器，最后进入蒸发器。该项目的联合供热系统采用并联形式，从蒸发器出来的换热流体分别进入太阳能集热器、地埋管换热器，换热后的换热流体混合后进入蒸发器。并联形式的联合供热系统流程见图1。 太阳能集热器与地埋管换热器并联，蒸发器出水分两路分别进入太阳能蓄热水箱、地埋管换热器。蓄热水箱中的热水由集热器升温，蓄热水箱出水与地埋管换热器出水混合后进入热泵机组蒸发器，蓄热水箱出口管道上设置限流阀，蒸发器侧的蓄热水箱循环水流量与地埋管换热器循环水

5、流量之比为3：7。蓄热水箱与集热器、集热器循环泵连接，储存太阳能集热量，并起到稳压作用。蓄热水箱热水起到辅助作用，地埋管换热器在系统中起主要作用。系统运行策略为：集热器循环泵根据蒸发器进水温度执行启停控制，蒸发器进水温度变化范围设定为15±5，当蒸发器进水温度低于10时，集热器循环泵开启，加热蓄热水箱中的水，当蒸发器进水温度高于20时，集热器循环泵关闭。热泵机组根据用户回水温度进行启停控制，用户回水温度变化范围设定为35±2，当用户回水温度低于33时，热泵机组开启，当用户回水温度高于37时，热泵机组关闭。联合供热系统主要设备配置见表1。 3联合供热系统数学模型联合

6、供热系统主要由集热器、热泵机组、蓄热水箱、地埋管换热器、用户供暖系统及控制系统组成。建立上述装置的数学模型，并结合建筑模型，采用LabVIEW(实验室虚拟仪器工程平台)编制联合供热系统运行模拟软件。可实现在输入逐时室外气象条件(室外温度、太阳能辐射量等)下，计算输出逐时供暖室内实际温度。不考虑地埋管换热器间歇运行条件下，土壤温度的恢复。以下对关键设备及系统数学模型的建立进行介绍：太阳能集热器模型、热泵机组模型(压缩机模型、蒸发器模型、冷凝器模型)、蓄热水箱模型、用户供暖系统模型。地埋管换热器模型参照文献5建立。31集热器在建立集热器数学模型时，未考虑其自身的热容量，并且对光学损失进行简化处理。

7、在热平衡条件下，集热器的有效输出热流量应当等于吸收的辐射能与热损失之差：FuAcq-KL(qup,m-qa)式中qu集热器有效输出热流量，WAc集热器面积，m2q集热器吸热板吸收的瞬时太阳辐射照度，Wm2KL集热器散热系数，W(m2·K)qp,m集热器吸热板平均温度，qa环境温度，由于上式中qp,m不易获得，为了方便计算，引入热迁移因子(综合反映集热器吸热板传热特性和循环流体流动传热对集热器性能影响的无因次参量)，则上式变为：FuAuFRq-KL(qf,i-qa)式中FR集热器热迁移因子，取0.84qf,i集热器进水温度，32热泵机组压缩机忽略压缩机(活塞式)与外界的换热，将压缩过程

8、简化为绝热压缩过程。压缩机功率完全转化为热量被制冷剂吸收，热平衡方程为：Pqm,c(hcom,o-hcom,i)式中P压缩机功率，Wqm,c制冷剂质量流量，kgshcom,o、hcom,i压缩机制冷剂出口、入口比焓，Jkg冷凝器设定冷凝器不存在散热损失，即冷凝器中制冷剂侧释放的热量完全被冷凝器循环水吸收，则冷凝器的热平衡方程为：Qm,c(hcon,i-hcon,o)=qm,con,wcp(qcon,w,o-qcon,w,i)式中hcon,i、hcon,o冷凝器制冷剂侧入口、出口比焓，JkgQm,con,w冷凝器循环水质量流量，kgscp水的比定压热容，J(kg·K)qcon,w,o、

9、qcon,w,i冷凝器循环水出水、进水温度，蒸发器设定蒸发器不存在散热损失，即蒸发器循环水释放的热量完全被制冷剂吸收，则蒸发器的热平衡方程为：Qm,e,wcp(qe,i-qe,o)qm,c(he,o-he,i)式中qm,e,w蒸发器循环水质量流量，kgsqe,i、qe,o蒸发器循环水进口、出口温度，He,o、he,i蒸发器制冷剂出口、进口比焓，Jkg33蓄热水箱根据能量守恒建立蓄热水箱水温变化模型：qw,j+1qw,j+(Dt/mcp)bsolFu-KtAt(qw,j-qa)-bhpqm,t,wcp(qw,j-qe,o)式中qw,j+1、qw,j第j+1 j时刻蓄热水箱中水温度，Dt

10、时间间隔，sm蓄热水箱中水的质量，kgbsol、bhp集热器、热泵机组的开启控制参数，开启时为1，关闭时为0Kt蓄热水箱的散热系数，W(m2·K)At蓄热水箱的表面积，m2qm,t,w蒸发器侧蓄热水箱循环水质量流量，kgs蒸发器侧蓄热水箱出水(温度为qw,j)与地埋管换热器出水(温度为qU,o，地埋管换热器数学模型见文献5)混合后进入蒸发器，蒸发器进水温度qe,i的计算式为：qe,i(qm,U,wqU,o+qm,t,wqw,j)/qm,e,wqm,e,wqm,U,w+qm,t,w式中qm,U,w地埋管换热器循环水的质量流量，kgsqU,o蒸发器侧地埋管换热器出水温度，,34用户供暖系

11、统热泵机组实际供热能力的计算式为：Fqm,con,wcp(qcon,w,o-qcon,w,i)式中F热泵机组实际供热能力，W供暖室内实际温度qi的计算式为：qiF(qi,d-qo,d)/F+qo式中qi供暖室内实际温度，qi,d供暖室内计算温度，qo,d供暖室外设计温度，Fd地板辐射供暖系统设计热负荷，Wqo室外实际温度，4模拟结果与分析采用DeST软件对建筑全年动态热负荷进行计算，选取峰值热负荷日作为模拟日。模拟日工作时段逐时室外温度见表2。模拟日(晴朗)集热器单位面积有效输出热流量随时间的变化见图2。由图2可知，模拟日集热器单位面积有效输出热流量随着时间的延长先增长后下降，最高值出现在中午时段，基本符合规律。模拟日供暖室内实际温度随时间变化