太阳能-地下坑槽季节土壤蓄热热泵供热系统

檲檲檲檲檲檲檲檲殘供热热源太阳能－地下坑槽季节土壤蓄热热泵供热系统靖1，郑茂余2，杨萌3韩(1．机械工业第六设计研究檲檲檲檲檲檲檲檲殘供热热源太阳能－地下坑槽季节土壤蓄热热泵供热系统靖1，郑茂余2，杨萌3韩(1．机械工业第六设计研究院第六工程所，河南郑州450007;2．哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090;3．中国市政工程中南设计研究总院第三设计院，湖北武汉430010)摘 要:介绍了太阳能－地下坑槽季节性土壤蓄热热泵供热系统的组成运行模式建立了系统的数学模型编制程序针对北京地区进行了全年动态模拟。地下坑槽内的土壤可以保持以年为周期的热平衡系统的年平均性能系数为6．89。关键词:太阳能;地下坑槽;水平埋管; 季节性土壤蓄热;土壤源热泵中图分类号:995文献标识码:A文章编号:1000－4416(2011)08－001－06lritedGrdrceHetPpHetigtemithelilHettreinerrdPitANing，NGMaoyu，YANGMengtract:hecopoonandoperaonodeofoaraedgroundourceheatpupheangyemwheaonalolheatoragenundergroundptarenroduced．heaheacalodelofheyemseabhedhecacuaonprogramscopedandhewhoeyeardynacuaonofheyemnBengsperored．heolnundergroundptcananananannualheatequbrumandheannualaverageperorancecoecentofheyems6．89．eyors:oarenergy;undergroundpt;horonalburedppe;eaonalolheator-age; groundourceheatpup1 概述太阳能是一种清洁能源但具有能量密度低间歇性和不稳定等特点并且与热负荷的需求在量和时间上存在差异。土壤源热泵供热系统由于其高效节能的特性而引起了广泛关注但必须保证地埋管周围土壤的热平衡。对于冷热负荷相差不大的地区地埋管周围的土壤基本可以保持以年为周期的热平衡;对于冷热负荷相差较大的地区地埋管周围的土壤很容易发生热失衡1956年enrod等人首先提出了太阳能集热器与地埋管组合的设想描述了太阳能－土壤源热泵的工作原理并给出了设计过1－］。随后国内外进行了广泛研3－］但地埋管主要采用竖直埋管针对水平埋管的研究较少。夏季和过渡季可以利用太阳能集热器收集的太阳能向敷设水平埋管的地下坑槽蓄热。供暖期太阳能集热器可以直接供暖太阳能集热器和地下坑槽也可为热泵提供热量进行供暖。为此本文提出太阳能－地下坑槽季节性土壤蓄热热泵供热系统。先挖掘坑槽在坑槽的四周及底部进行绝热处理然后填入比较理想的蓄热黏土并敷设水平埋管最后在适当的深度对坑槽的上部进行绝热处理再在上面覆盖自然土壤。对地下坑槽进行绝热处理可以减少外界对坑槽内土壤温度的影响。蓄热后坑槽内的土壤可以具有较高的温度。供暖期坑槽内土檲檲殘檲檲煤气与热力第1卷第8期w．trt．m壤煤气与热力第1卷第8期w．trt．m壤的温度较高波动较小从而提高系统的性能系数。本文对太阳能－地下坑槽季节性土壤蓄热热泵供热系统进行模拟。2 系统的组成以及主要运行模式太阳能－地下坑槽季节性土壤蓄热热泵供热系统流程见图1。开启其余关闭。3 系统模型及运行模式转换条件3．1系统模型① 集热器模型平板型太阳能集热器吸热板内的流体(乙二醇水溶液)与太阳辐射进行能量交换其性能可用能量平衡方程描述:dθscmAscEscτα=Φu+Csc +AscKL(θscm－θa)dtΦu=qmsccpf(θsce－θsci)Asc—集热器的有效面积m2式中2Esc—集热器表面的太阳辐照度W/mτ—盖板对太阳辐射的透过率α—盖板对太阳辐射的吸收率Φu—集热系统的有效集热量WCsc—集热系统的当量热容J/Kθscmθsceθsci—集热系统内流体的平均出口进口温度℃t—时间s2KL—集热器的热损失系数W/(m·K)θa—室外空气温度℃qmsc—集热器内流体的质量流量kg/scpf—集热器内流体的比定压热容J/(kg·K)② 地埋管换热器模型地埋管换热器采用10个U形水平埋管并联组成U形管长度为72mU形管之间的水平间距为2m每个U形管两管的垂直间距为0．8m。为简化计算忽略U形管轴向的温度梯度选用二维直角坐标系垂直方向为y轴水平方向为x轴。地下坑槽内水平埋管的剖面见图2。图1太阳能－地下坑槽季节性土壤蓄热热泵供热系统流程系统主要由平板型太阳能集热器地下坑槽内的水平埋管换热器热泵机组地板辐射供暖系统等组成。系统在全年运行中主要有以下4种运行模式:① 模式1:土壤蓄热。非供暖期阀门125、6开启其余关闭把收集的太阳能储存在地下坑槽的土壤中。②模式2:太阳能直接供暖。供暖过程中当太阳辐射较强时集热器内介质(乙二醇水溶液)的温度可满足直接供暖的要求。阀门7810941、13开启其余关闭。③模式3:太阳能热泵供暖。供暖过程中当太阳辐射较强时集热器内介质的温度不能满足直接供暖的要求但可以满足热泵供暖的要求。阀门711149411215开启其余关闭。④模式4:土壤源热泵供暖。供暖过程中当室外温度较低太阳辐射较弱时集热器内介质的温度不能满足直接供暖的要求也不能满足热泵供暖的要求热泵提取非供暖期储存在地下坑槽的土壤中的热量进行供暖。阀门2371114961215图2地下坑槽内水平埋管的剖面地埋管换热器进出口流体(乙二醇水溶液)温控制方程］:θfo=θs－θs－θfiexp－qλsLcmfpf式中 θfoθfi—地埋管换热器出口进口流体温度℃·A02·w．trt．m韩靖等:太阳能－地下坑槽季节土壤蓄热热泵供热系统第1卷第8期θs—地下坑槽内土壤的温度℃λs—土壤的热导率W/(m·K)L—水平埋管一个支路的管长mqmfw．trt．m韩靖等:太阳能－地下坑槽季节土壤蓄热热泵供热系统第1卷第8期θs—地下坑槽内土壤的温度℃λs—土壤的热导率W/(m·K)L—水平埋管一个支路的管长mqmf—水平埋管一个支路的质量流量kg/s地埋管换热器周围土壤的控制方程为:的过程本文根据数值模拟和实验拟合所得的公式］计算地板单位面积的散热量:2λ3(θm－θn)q=·ss∑Cii+∑Cisnhi44AB2h2h h22i=1i=1x2+yθsλs θs θs000t=ρcδi25h0=∑λ3spsλii=13式中 ρs—地下坑槽内土壤的密度kg/mδi5d'2cps—地下坑槽内土壤的比定压热容J/(kg·K)地埋管外壁处的边界条件为:h=∑λ3－λii=12式中q—地板单位面积的散热量W/mλ1～λ5—地面层找平层填充层绝热层、基础层的热导率W/(m·K)θm—地板辐射供暖系统供回水平均温度℃θn—室内空气温度℃s—管间距mCACB—拟合系数h0h—计算系数δ1～δ5—地面层找平层填充层绝热层、基础层的厚度md'—加热管外径m⑤ 房间热力模型房间的逐时热负荷Φ可以由分析软件EST进行计算室内温度变化可由下式计算:qz θs－λsr=πdqmfcpf(θfo－θfi)qz=10L式中 r—地埋管外半径mqz—单位管长的换热量W/md—地埋管外径m③ 热泵模型本文根据设计热负荷选取热泵采用对热泵样本的数据进行拟合的方法建立热泵的数学模型。热泵的制热量和耗电量一般可以拟合成蒸发器侧进口温度和冷凝器侧进口温度的函数形式:Φc=a1θei+b1θci+c1Php=a2θei+b2θci+c2式中 Φc—热泵的制热量kWa1b1c1a2b2c2—拟合系数θei—蒸发器侧进口温度℃θci—冷凝器侧进口温度℃Php—热泵的耗电功率kW④ 地板辐射供暖系统模型本文选用的研究建筑(别墅)采用地板辐射供暖方式供热介质为水。地面层为瓷砖厚度为10m加热管外径为20m填充层厚度为50m管间距为200m。地板辐射的传热是一个比较复杂θ－θ'=3．6(Φ'－Φ)Cθθ'—当前时刻前一时刻的供暖房间温度℃Φ'—供暖房间的瞬时供热量WΦ—供暖房间的瞬时热负荷WC—供暖房间等效热容量J/K系统运行模式转换条件式中3．2模式1:θscm≥θs+10℃θsce－θsci1℃开启停止开启θn18℃或18℃＜θn20℃(前一刻为供暖工况)模式2: θscm30℃θscm＜30℃或θn＞20℃或18℃＜θn20℃(前一刻为非供暖工况)停止开启θn18℃或18℃＜θn20℃(前一刻为供暖工况)模式3: 10℃≤θscm30℃θscm＜10℃或θn＞20℃或18℃＜θn20℃(前一刻为非供暖工况)停止·A03·煤气与热力第1卷第8期w．trt．mθn18℃或18℃＜θn20℃(前一刻为供暖工况煤气与热力第1卷第8期w．trt．mθn18℃或18℃＜θn20℃(前一刻为供暖工况)开启模式4: θscm＜10℃θscm＞10℃或θn＞20℃或18℃＜θn20℃(前一刻为非供暖工况)停止4 系统的全年运行特性分析4．1 模拟参数在系统数学模型及系统运行模式转换条件的基础上编制程序针对北京地区某别墅进行模拟。该别墅的建筑面积为372．44m2设计热负荷为12．7kW。整个模拟过程分为两个阶段:第一阶段为蓄热阶段(3月16日11月14日)第二阶段为供暖阶段(11月15日—次年3月15日)。主要模拟参数见表1。提供的建筑热环境气象数据集中北京地区典型年的］气象数据 。全年室外日平均气温及水平面日太阳辐射总量见图34。由图34可知在非供暖期，室外温度较高太阳辐射较强可以把这部分太阳能储存到地下坑槽中供暖期再用热泵提取进行供暖。在供暖期太阳辐射与建筑热负荷在时间上不同步供暖初期和末期太阳辐射较强室外平均温度较高热负荷较小;供暖中期室外平均温度较低，热负荷较大太阳辐射较弱。因此在供暖初期和末期优先利用集热器收集的太阳能供暖减少热泵的耗电量提高系统的性能。表1主要模拟参数图3全年室外日平均气温变化图4全年水平面日太阳辐射总量变化4．2 蓄热性能分析蓄热期集热器内流体的日平均进出口温度水平埋管内流体的日平均进出口温度地下坑槽内土壤的日平均温度见图5～7。由图5可知集热器内流体的日平均进出口温度为7～40℃日平均进出口温差为1～8℃。由图6可知水平埋管内流体的日平均进出口温度为8～35℃日平均进出口温差为1～5℃。由图7可知，地下坑槽内土壤的日平均温度一直在升高且升高速率逐渐减小这是由于集热器内的流体与地下坑在模拟分析中采用中国气象局气象信息中心·A04·集热器倾角/(°)0A/m2sc0K/(W·m－2·K－1)L4．8τα0．8C/(MJ·K－1)sc1．2土壤ρ －3s/(g·m)20c/(J·g－1·K－1)ps15λ －1 －1s/(W·m·K)2．4土壤初始温度/℃7．6地下坑槽体积/m310地埋管换热器L/m2流量/(m3·h－1)3．8乙二醇水溶液(质量分数为0%)密度/(g·m－3)15c/(J·g－1·K－1)pf30热泵a10．15b1－0．55c10．80a2－0．50b20．29c20．18循环泵额定功率/W0w．trt．m韩靖等:太阳w．trt．m韩靖等:太阳能－地下坑槽季节土壤蓄热热泵供热系统第1卷第8期槽内土壤的温差逐渐减小所致。蓄热结束时地下坑槽内土壤的平均温度为22．21℃。蓄热期循环泵耗电能为0．68J集热器表面的太阳辐射总量为147．91J集热器的集热量为107．57J则集热器的平均效率为72．73%向土壤蓄热97．87J。图8供暖期集热器内流体的日平均温度图5蓄热期集热器内流体的日平均进出口温度图9供暖期水平埋管内流体的日平均进出口温度图6蓄热期水平埋管内流体的日平均进出口温度图0供暖期地下坑槽内土壤的日平均温度图7蓄热期地下坑槽内土壤的日平均温度取热性能分析供暖期集热器内流体的日平均温度水平埋管4．3图1供暖期地板辐射供暖系统的日平均进出口温度℃。由图10知地下坑槽内土壤的日平均温度一直在降低且降低速率逐渐减小这是由于蒸发器内的流体与地下坑槽内土壤的温差逐渐减小所致。供暖结束时地下坑槽内土壤的平均温度为10．86℃高于蓄热启动时的温度说明从地下坑槽的取热量可完全来自蓄热期的蓄热量且地下坑槽为下个供暖内流体的日平均进出口温度地下坑槽内土壤的日平均温度地板辐射供暖系统日平均进出口温度日总供热量与日总热负荷室内日平均温度见图8～13。由图8可知集热器内流体的日平均温度为－5～45℃。由图9可知水平埋管内流体的日平均进出口温度为1～16℃日平均进出口温差为1～3·A05·煤气与热力第1卷第8期w．trt．煤气与热力第1卷第8期w．trt．m参考文献:1］DEBAKV．infafltltelltrfralrrtht．lrry，26(1):9－2．DEBAKV．Arrefri-iglrrtht．tigiig＆iritiig91(6):7－0．董呈娟王侃宏李保玉．太阳能辅助地源热泵供热运行特性研．煤气与热力66(9):9－2．董玉平由世俊汪洪军等．太阳能－地源热泵综合系统的经济分．煤气与热力33(2):4－7．张文雍郑茂余王潇等．严寒地区太阳能土壤源热泵季节性土壤蓄．煤气与热力99(8):1－4．RAIIM．rldillisfatrllrtigtmithrrd-ltreinry．lery5(0):5－9．毕月虹陈林根．太阳能－土壤源热泵的性能研究2］3］图2供暖期日总供热量与日总热负荷4］5］6］图3供暖期室内日平均温度变化期储存了一部分热量。由图11～13可知地板辐射供暖系统日平均供回水温度为18～30℃日平均供回水温差为1～5℃。日总供热量的变化趋势基本与地板辐射供暖系统日平均进出口温度基本一致。整个供暖期室温均在18℃以上满足要求。北京地区的供暖期为121d系统运行1746h。集热