太阳能辅助加热的土壤源热泵性能分析

河北工程学院  毕文峰 王侃宏

摘要：土壤源热泵试验的初步研究表明：其冬季运行一段时间之后，存在性能降低和出现保护工况。为提高土壤源热泵的性能，在负荷匹配的情况下增加其经济性，本文提出了太阳能辅助加热方法，在原有热泵试验台的基础上增设太阳能系统，组成太阳能－土壤源热泵系统试验装置。介绍了太阳能热泵系统的形式和组成，包括太阳能集热器形式选择、集热面积确定、贮热水槽的要求和换热器的安装位置等。在此基础上，着重进行了冬季供暖工况的研究，在冬季理想供热循环时，得出供热系数与埋管进出口温度、空调热负荷的关系，可知在增设太阳能辅助系统之后供热系数能有较大提高。

关键词：土壤源热泵 太阳能 供热系数 热力循环

1  引言

土壤源热泵冬季运行时，地下埋管的吸热量主要依靠换热器内流体与土壤之间以导热方式运行，地源热泵机组循环性能提高受到限制。在土壤、回填材料特性和远界土壤温度一定的条件下，为满足一定热量交换的要求，需要埋管内流体和土壤之间保持一定的温差，必然导致冬季埋管换热器的进、出水温度较低^[1]。在热泵冬季运行期间，地下埋管换热器平均进水温度为1℃左右，平均出水温度为3℃左右，在某些情况下，如流量变小时，地下埋管换热器进水温度甚至在低于0℃的亚稳定状态运行。地源热泵机组冬季蒸发温度处在较低的水平。较低的埋管换热器进、出水温度，一方面导致了热泵机组蒸发温度的下降和循环性能系数的降低；另一方面，过低的埋管换热器进水温度，有可能产生载冷剂结冻的现象，或者由于机组的低温保护而频繁地自行停机。为解决上述问题，并进一步提高地源热泵系统性能，途径有很多，如：增加钻孔数量，埋管循环流体采用防冻液，加大埋管换热器流体循环流量，增设辅助加热措施等^[2]。本文提出增加太阳能系统作为辅助热源的措施。

2  太阳能－土壤源热泵系统

图1 太阳能－土壤源热泵系统原理图 1集热器；2、6膨胀水箱；3贮热水槽；4、7水泵；5埋地盘管； 8换热器；9蒸发器；10压缩机；11冷凝器；12回热器；13膨胀阀；14风机盘管

试验装置主要由四部分组成：地下埋管换热器循环、热泵机组、空调末端系统和太阳能辅助系统。地下埋管换热器为U型HDPE-100塑料管，埋管井为2口，埋管直径分别为25mm和32mm，埋管深度为120m，另设测试井三口，井深为90 m。热泵机组采用涡旋压缩式水－水热泵，冷凝器和蒸发器为板式换热器，采用热力膨胀阀，制冷剂为R22。末端设风机盘管空调系统。附属设施中，连接管路部分采用PPR管，另外，还装备了采集控制系统和温度、流量等传感器，用来控制机组运行和测量制冷剂温度、流量。

在太阳能辅助系统中，包括集热器、贮热设备、集热泵和控制系统等。在冬季，热泵 机组按供热工况运行，蒸发器通过埋管从土壤中吸热，空调末端装置回水通过冷凝器加热升温。在夏季，通过四通阀换向，热泵系统可以实现制冷循环。下面是太阳能系统冬季供热过程：晴天，载热介质在集热器中集热，然后流过贮热水槽，并通过槽内换热盘管将热量传递给水后，在水泵作用下流回集热器，开始下一次循环。蓄热水槽中热水流经换热器与埋地盘管出口水进行热交换，再返回水槽换热。在阴天或晚上，集热环路停止运行，放热环路运转，为了避免冻结，放热回路进行保温措施。如果蓄热量不足，利用辅助电加热器补充。另外，太阳能系统可以在夏季和过渡季用于供热水，因为有蓄热装置，在夏季可用夜间电力进行蓄冷运转，运转费便宜，且有助于电力错峰。文献[3]中介绍了一个太阳能辅助热泵系统示范房，进行夜间电力蓄冷运转，中期报告表明，效果良好。

3  太阳能利用系统

3.1  系统形式的选择

在太阳能光热转换系统中，按热媒可分为液体集热系统和热风集热系统，热风式集热器虽较便宜，但缺点是集热循环动力大，风道和蓄热槽占据的空间大；液体集热系统中，若采用水作热媒，系统形式简单，对建筑物的适应性好，因此采用热水集热系统。

3.2  集热器

3.2.1  类型选择

太阳能集热器是吸收太阳辐射并向工质传递热量的一种装置。集热器是太阳能供热中最重要的组成部分，按其是否聚光这一基本特征可分为非聚光和聚光两大类。平板集热器是一种不聚光的集热器，它直接受自然阳光照射而加热所需要的工作流体。典型的平板集热器，大体由集热板、透明盖板、隔热层和壳体四部分组成。其有很多优点，如便于安装，能吸收散射辐射等。其缺点是集热效率随着集热温度的增加而急剧降低，主要应用于供热水、供冷暖等方面。表1按集热温度进行分类^[4]。注：θ₀ 为室外气温。

表1    平板集热器的集热温度分级和用途

 

作为热泵低温热源用于供冷暖，集热温度确定在10～30℃远能满足要求，因此采用单层玻璃盖板的平板集热器，吸热板表面涂黑色选择膜。

3.2.2  集热面积

集热面积的确定是集热器设计的主要参数，主要根据集热器参数、建筑物所需热负荷、当地的气象条件、集热器安装价格、系统其它辅助设备的投资、燃料价格、预计回收年限等^[5]。本文中所设计集热器的集热面积主要考虑所需的热负荷和当地的太阳辐照度，拟采 用当量室外温度法计算与实测值相比较之后确定，具体将由另文给出。

3.2.3  集热倾角

为了得到最大的年日射量，集热器应面朝向赤道方向。在冬季为获得最佳日射量，倾角应为φ＋10°，在夏季为获得最佳日射量，倾角应为φ－10°。因此确定，集热器朝向正南，倾角随季节调节，冬季为45°，夏季和过渡季为35°^[6]。

3.3  贮热设备

3.3.1  蓄热目的

太阳能利用中蓄热目的是为弥补太阳能的不可靠性和间断性，而把晴天时所收集到的热量贮存起来以供冷暖、供热水用。对于太阳能利用，蓄热是必须条件，它在整个系统中所起的作用，不论是从供热还是从经济上看，都比一般系统大得多。

3.3.2  蓄热方法

蓄热方法一般分为显热储存、潜热储存和化学能储存三类。蓄存材料可为水、岩石、土壤及相变材料等。可用水作为蓄热介质，利用温差较大，费用负担较小。蓄热水槽的单位蓄热量为120～240kJ/kg，与一般的潜热蓄热体相同。采用热水太阳能采暖系统时，每1m²集热器所要求的蓄热水槽容积为0.05～0.1m³。

3.3.3  蓄热水槽的形式

蓄热水槽有单槽式和多槽式两类。单槽式不仅在理论上而且实际应用中都易于掌握，只要注意出入口的安设高度，就能取得较高的效率。蓄热水槽又可分为敞开式或密闭式。密闭式配管系统简单，循环泵需要的动力较少，但容器需要耐压，当集热温度在10～30℃时，采用敞开式比较合适。因此，本文采用为单槽敞开式。

3.4  系统保温

太阳能供冷暖、供热水用时，循环管道和水槽的保温对系统效率的影响很重要，要选择适合于使用温度等级的隔热材料。一般情况下，水槽外的保温层厚度以20～50cm为宜；管道的保温要考虑所用保温材料与周围环境换热的临界半径： 。式中， 为保温材料的导热系数，h₀为管外层对环境的对流换热系数。

3.5  控制系统

控制系统分为手动和自动两种。集热回路中的自动控制有定时控制、太阳控制和差动控制三种方式。定时开关是一种以时间作为指令的控制方式，太阳升起后，循环泵自行启动，日落后关闭，不考虑其它条件。太阳开关是以太阳辐射强度的大小来控制开关。这种方法能随天气变化而控制，但不能与系统蓄热状态相联系。差动控制使用两个温度传感器和一个差动控制器。其中一个温度传感器安装在集热板上传热介质出口处，另一个温度传感器安装在贮热槽收集回路出口处。当第一个传感器温度大于第二个并达到预定的限度时，差动控制器开启，否则关闭。差动控制同时考虑了集热温度和贮热温度，更为合适。

3.6  换热器位置设置

辅助热源在系统中不同的安装位置有不同的工作情况，分别可以设置在埋管出口段和埋管进口段。设在埋管进口段，可以消除埋管进口介质温度过低的情况，但由于进口温度 的升高，使得与地下土壤换热量减少，对于利用地下土壤热量较不利。特别是太阳能热量充足的情况下，有可能使得埋管进口温度大于埋管井边界土壤温度，这就变成向土壤放热。 若设置在埋管出口段，首先可以提高蒸发温度，降低换热温差，最终提高性能系数，并且埋管进口温度也能保持在适当的温度。因此，换热器设置在埋管出口段合适。

4  计算实例

4.1  理论循环

在冬季，室内所需热负荷为30KW，采用R22回热式压缩循环。工作条件为：蒸发温度t₀=0℃，冷凝温度t_k=55℃，压缩机吸气温度t=15℃，压缩机总效率为85％。冷冻水进出口水温4℃/1℃，冷却水进出口水温45℃/50℃。这样压焓图上1→2→3→4→5→6就是在已知条件下压缩供热的理论循环^[7]，如图2所示:

图2 压焓图

h₁=246.6, h₂=260.1, h₃=293.9, h₄=120.2, h₅=h₆=106.7, V₁=0.042m³/kg

单位质量供热能力: q_k =h₃-h₄=293.9-120.2=173.7 kJ/kg

制冷剂的质量流量: M_R =Q_k/q_k=30/173.7=0.173 kg/s

蒸发器热负荷: Q₀=M_R*(h₁-h₆) = (246.6-106.7) × 0.173=24.16 kW

回热器热负荷：Q_R=M_R*(h₂-h₁) = (260.1-246.6) × 0.173=2.336 kW

压缩机理论耗功率：W₁=M_R*(h₃-h₂) = (293.9-260.1) × 0.173=5.847 kW

压缩机实际耗功率：W₁=5.847/85%=6.879 kW

热泵机组供热系数：COP_h=Q_k/W₁=30/6.879=4.36

系统供热系数: COP_h’=Q_k/W=30/ (6.879+1.635) =3.52

其中，W=W₁+W₂，W₂为埋地盘管侧水泵的输入功率，W₂=G*P/(η₁*η₂)；G为用户侧冬季热水流量，由流量计测得G=1.278，η₁为水泵电机效率，由电机样本查得η₁=0.35，η₂为水泵全效率，由水泵铭牌得η₂=0.67，P为水泵扬程由水泵出口压力表测得P=0.3。

4.2  实际负荷热泵循环

由循环分析知：为满足热力循环，蒸发器需吸收的热量为24.16kW。但埋管系统的最大吸热量为14.61kW^[8]。在需求负荷与热泵设计不匹配时系统超负荷运转，此时，

热泵机组供热系数：COP_h=Q_k/W₁=14.61/6.879=2.12

系统供热系数:COP_h’=Q_k/W=14.61/(6.879+1.635)=1.72

4.3  太阳能辅助加热循环

在超负荷运行之后，为改善热泵的性能，必须增加辅助热源来供热，按照理论循环计算，必须由太阳能集热器收集9.55kW热量来补充不足。考虑增加集热水泵的功耗，不考虑集热器的集热效率对整个热泵系统的影响以及太阳能系统的初投资。此时，

热泵机组供热系数不变，COP_h=Q_k/W₁=30/6.879 =4.36

整个系统供热系数: COP_h’=Q_k/W=30/ (6.879+2×1.635) =2.96

5  供热系数分析

   热泵机组供热性能系数用COP_h来表示，考虑水泵耗电，通常用COP_h’来表示热泵系统供热系数。其不仅与蒸发温度和冷凝温度有关，还间接地受埋地盘管进出口水温的影响，正是冷却水和冷冻水温度最终影响着蒸发温度和冷凝温度，使得供热系数随之发生变化，下面是它们之间的关系。由图分析得：

图4出口水温和COPh’、Q的关系图3进口水温和COPh、COPh’的关系空调热负荷与coph的关系

   

图3进口水温和COPh、COPh’的关系空调热负荷与coph的关系

（1）随着埋地盘管进口水温的升高，即蒸发器出口水温升高，COP_h、COP_h’均呈下降趋势；随埋地盘管出口温度升高，COP_h、COP_h’呈上升趋势。

（2）随着地下埋管出口水温越高，蒸发器进、出口水温差越大，蒸发温度升高，此时的换热量增大。

（3）综合考虑能够有效地从土壤取热和合理利用太阳能，兼顾经济性和供热系数，存在一最佳蒸发器进口水温。

（4）在各个参数均不变时，COP_h’随空调热负荷的增大而急剧降低，从而使系统超负荷运转，系统经济性较差，因此埋管数量要和空调负荷相匹配。

6  结论

由计算和分析知：热泵供热系数随着埋管出口水温的降低而降低，当埋管出口水温度低于4℃时，单纯土壤源热泵系统COP_h为2左右，太阳能辅助加热之后的COP_h在3左右，效果比较明显。

在典型工况下，单纯土壤源热泵系统(含水泵等)， COP_h和COP_h’分别为2.12和1.72；太阳能辅助加热之后，热泵系统COP_h’和COP_h’分别为4.36和2.96。

图5空调热负荷与COPh和COPh’的关系

当热泵在冬季高峰负荷下运行时，启动太阳能辅助热源。本实验台中，当太阳能集热器承担40％负荷时，联合运行系统效果较好。

参考文献

[1] 王景刚，马一太，张子平等.地源热泵的运行特性模拟研究[J].工程热物理学报，2003，24（3）：361～366

[2] 侯立泉.U型垂直埋管式土壤源热泵运行特性的试验研究[M]：太原理工大学硕士学位论文，2003

[3] W.C.Moreland. Performance Monitoring of an Off-Peak Heating and Cooling System Utilizing Thermal Storage and Solar Augmented Heat Pump .Interim Report[M]，April 1979

[4] 田中俊六.太阳能供冷与供暖[M].北京：中国建筑工业出版社，1982

[5] 余延顺.寒区太阳能－土壤源热泵系统运行工况模拟研究[M]：哈尔滨工业大学硕士学位论文，2001

[6] 岑幻霞.太阳能热利用[M].北京：清华大学出版社，1995.5

[7] 彦启森.空气调节用制冷技术[M].北京：中国建筑工业出版社，1999

[8] 王景刚，张子平，王侃宏等.涡旋压缩式地源热泵机组循环性能研究[J].河北建筑科技学院学报，2002，19（1）：13～17

[9] 旷玉辉，王如竹，于立强等.太阳能热泵供热系统的实验研究[J].太阳能学报，2002，23（4）：408～413