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摘要：地源热泵是实现建筑温度调节的有效手段，供热负荷较重地区的常规地源热泵运行造成土壤温度持续降低影响供热性能。本文设计了基于太阳能集热的地源热泵混合供热系统，分析了地埋管在运行年限内的最低出口温度下钻孔个数和太阳能最小集热板面积的参数选择，以北方地区某宾馆为例计算了混合供热系统最优钻孔数为100个，最小集热板面积为692 的结论。
关键词：太阳能；混合供热；钻孔个数；集热板
1 引言
我国建筑能耗总量逐年上升，其中空调和采暖约占据了建筑能耗的60%，尤其是寒冷地区的采暖能耗消耗了大量的一次不可再生能源[1-2]。开发可再生资源提供建筑用能成为研究和设计热点。地源热泵是实现建筑供暖和制冷的有效手段之一，而太阳能作为广泛存在的可再生资源，太阳能集热和地源热泵结合能够有效弥补常规地源热泵持续供热造成土壤温度下降导致供热性能下降的缺点[3]。另外，土壤也能够作为太阳能的蓄热装置，在太阳能不足时进行地源热泵供热。本文设计了基于太阳能供热的地源热泵混合供热系统，并北方地区某宾馆为例计算了混合供热系统的钻孔个数和太阳能最小集热板面积参数选择优化。
2混合供热系统设计和运行模式
基于太阳能集热的地源热泵系统热源有两部分，一部分来自太阳能集热，另一部分来自地热，根据不同地区的能源结构和气候特征采取不同的混合供热系统构成方式。以太阳能集热为主、地热供热为辅的混合供热系统需要较大的太阳能集热面积，投资成本大。地源在太阳能充足时作为蓄热装置，太阳能不足时作为供热辅助。以地源热泵为主、太阳能集热为辅的混合供热系统，因太阳能集热效率低，难以持续换热，太阳能集热只能作为地源热泵的辅助供热作用。
太阳能集热和地源热泵的组合方式的差异，两者的联合运行模式分为串联运行模式和并联运行模式两种。串联运行模式中太阳能集热器和地埋管串联运行，太阳能集热器上游是指从蒸发器出来的流体进入集热器吸热升温，从集热器出来后在进入地埋管，若从集热器出来的流体温度高于土壤温度，则集热器除了满足供暖外还向地埋管周围土壤蓄热，提高土壤的温度场恢复，提高热泵的供热效果。如果从集热器出来的流体温度低于土壤温度，则太阳能集热器和地埋管换热器联合供暖，如图1所示。并联运行模式是指太阳能集热器和地埋管换热器同时作为换热热源，各自吸热混合后再次进入蒸发器。串联运行模式能够提高太阳能集热的利用率，辅助加热效果好，本文设计的基于太阳能集热的地源热泵混合供热系统采用串联运行模式，系统构成如图1所示。
图1 基于太阳能集热的地源热泵混合供热系统构成图
3 地埋管钻孔个数设计优化
北方寒冷地区建筑年供热负荷远大于年供冷负荷，地源热泵持续运行导致土壤温度逐渐降低，效率下降。蓄热井地埋管管长和钻孔个数由热泵的热负荷和埋管单位长度的换热量来确定。埋管单位长度的换热量与土壤的热物性和流体出口温度有关，埋管设定温度越低，单位管长的换热量越大，钻孔数量越少，降低了初始投资成本，但系统性能下降导致运行费用增加。
本文选取北方地区某宾馆的太阳能集热和地源热泵混合供热系统为例进行集热板面积和地埋管管长参数设计优化。该混合供热系统设计将初始参数作为最小值，逐步增大地源热泵钻井孔数，分析不同集热板面积和不同数量钻孔数搭配时混合供热系统的运行热性，以10年运行年限地埋管的最低出水温度为目标，选择最优的集热板面积和地埋管管长。集热板面积分别取 ，对混合供热系统10年后地面管最低出水温度进行仿真计算，如表1所示。
由图2可知，在钻孔个数一定的情况下，地埋管在10年的运行年限内最低出水温度岁集热板面积增加而增加，增加的幅度随集热板面积的增加而减小。原因是集热板面积的增加使得蓄热季的太阳能蓄热量增加，土壤温度升高，同时土壤向周围损失热量也相应增加，导致地埋管最低出水温度增加的幅度减小。在集热板面积一定时，地埋管的最低出水温度随钻孔数的增加而增加。原因是土壤蓄热体的体积增加，单位长度的地埋管平均吸热量减小引起的。
由图2不同钻孔数对应的最小集热器面积曲线可以看出，将地埋管的钻孔数由初始设计值80提升到90时，地埋管最低出水温度有明显的提高。当钻孔的数目由110提升到120时，在10年的运行年限内钻孔数对地埋管最低出水温度的影响已经很小。因此基准建筑的最优钻孔数为100。
4太阳能集热板面积设计优化
太阳能集热器将的太阳能通过埋管储存到土壤蓄热体中，解决土壤温度低下和运行效率低的问题。增加太阳能集热板的面积一方面增加了土壤蓄热量，提高了热泵运行效率，另一方面增加了初始投资成本。基于太阳能集热的地源热泵混合供热系统采用土壤作为蓄热体，降低了系统的初始投资成本，但土壤蓄热体容易散失热量且温度越高热损失越大。表2为混合供热系统土壤蓄热体在10年运行年限内最高温度与集热板面积关系。
由表2可知，混合供热系统蓄热体在运行年限内的最高温度与钻孔数基本无关，只与集热板面积线性相关且随集热板面积的增加而增加。
由图2基准建筑的最优钻孔数为100得到表3对应的最小集热板面积为692 ，该混合供热系统初投资为213.3万元。
5.结论
本文设计了基于太阳能集热的地源热泵供热系统，分析了混合供热系统的运行特点。对太阳能集热板的面积和地埋管钻孔个数设计参数选择进行了优化，得到如下结论：
（1）基于太阳能集热的地源热泵能够避免常规地源热泵运行年限较长导致土壤温度下降引起供热性能下降的缺点；
（2）以地埋管在运行年限内的最低出口温度为参考标准，得到了基准建筑的最优钻孔数为100；
（3）根据最优钻孔数得到了太阳能最小集热器面积为确定了不同钻孔数对应的最小集热板面积为692 。并计算了最优钻孔数和最小集热板面积下混合供热系统初投资为213.3万元。
参考文献：
[1]王荣光，沈天行． 可再生能源利用与建筑节能 [M].北京：机械工业出版社，2004：269-277
[2]毕月虹，陈林根．太阳能-土壤热源热泵的性能研究[J]．太阳能学报，2000，21（2）：214-219 .
[3]余延顺，廉乐明．寒区太阳能-土壤源热泵系统太阳能保证率的确定[J]．热能动力工程，2002，17（7）：393-39
论文作者:吴晓燕
论文发表刊物:《基层建设》2017年第14期
论文发表时间:2017/10/10
标签：太阳能论文; 钻孔论文; 土壤论文; 蓄热论文; 小集论文; 温度论文; 系统论文; 《基层建设》2017年第14期论文;