山 強(qiáng)， 楊緒飛， 吳小華， 孫東亮， 于長永，3， 劉格含

（1.北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與生命學(xué)部， 北京 100124； 2.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點實驗室， 北京 102617； 3.杭州制氧機(jī)集團(tuán)股份有限公司， 浙江 杭州 310000）

0 引言

近年來， 我國北方地區(qū)大力推進(jìn)清潔供暖工作，其中，使用土壤源熱泵供暖具有良好的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益[1]，[2]。但土壤源熱泵在寒冷地區(qū)農(nóng)業(yè)溫室供暖時只供暖不制冷，存在土壤熱失衡問題[3]，[4]。采用太陽能跨季節(jié)蓄熱對土壤源熱泵井群區(qū)域土壤進(jìn)行補(bǔ)熱增溫， 能夠有效解決土壤熱失衡的問題，同時利用太陽能直供輔助土壤源熱泵供暖，可以充分提升太陽能的利用率[5]。

國內(nèi)外學(xué)者針對太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)已開展了大量研究工作， 主要采用仿真模擬和示范型工程試驗的方法， 對太陽能與土壤源熱泵系統(tǒng)的不同耦合方式與運(yùn)行策略、 系統(tǒng)部件參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響等方面進(jìn)行了研究[6]～[8]。 Wang[9]將太陽能耦合土壤源熱泵系統(tǒng)用于辦公樓的供暖和制冷， 結(jié)果表明， 該系統(tǒng)可以解決土壤熱失衡的問題。 于長永[10]在中國河北省廊坊市開展了太陽能跨季節(jié)蓄熱增強(qiáng)土壤源熱泵農(nóng)業(yè)溫室供暖實驗研究， 驗證了 “土壤源熱泵供暖+太陽能跨季節(jié)蓄熱” 系統(tǒng)在我國華北地區(qū)農(nóng)業(yè)溫室供暖的可行性和有效性。 但由于太陽能跨季節(jié)蓄熱實驗的時間跨度長， 公開報道的文獻(xiàn)中尚無5 a 甚至10 a 以上的長周期運(yùn)行實驗數(shù)據(jù)和性能分析。 針對農(nóng)業(yè)溫室供暖需求， 缺少如何匹配設(shè)計太陽能跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)的基本設(shè)計準(zhǔn)則， 以解決土壤源熱泵土壤熱失衡問題[11]～[13]。

針對上述問題， 本文構(gòu)建了面向農(nóng)業(yè)溫室供暖的SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)TRNSYS 仿真模型，預(yù)測了供暖系統(tǒng)長周期運(yùn)行時地埋管井群區(qū)域土壤溫度和系統(tǒng)COP 變化趨勢， 分析了SSTESGSHP 供暖系統(tǒng)用于農(nóng)業(yè)溫室長期供暖的能效特性， 提出了基于溫室面積和熱泵能效的太陽能跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)集熱器面積匹配設(shè)計準(zhǔn)則， 可為我國北方地區(qū)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域清潔供暖提供技術(shù)參考和理論支撐。

1 供暖系統(tǒng)簡介與模型構(gòu)建

1.1 供暖系統(tǒng)簡介

SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)實驗平臺于河北省廊坊市次安區(qū) （39.5 °N，116.7 °E） 搭建。 SSTESGSHP 供暖系統(tǒng)如圖1 所示。 該系統(tǒng)由負(fù)載末端、土壤源熱泵供暖子系統(tǒng)、 太陽能集熱子系統(tǒng)和土壤取熱-蓄熱子系統(tǒng)4 個部分組成。 其中，負(fù)載末端為Venlo 型玻璃溫室，面積112 m2。 土壤源熱泵額定制熱功率為10.66 kW；熱泵負(fù)載側(cè)水泵P1與熱泵地源側(cè)水泵P2的最大流量均為12 m3/h，額定功率1.35 kW； 太陽能集熱器采用熱管式真空玻璃管集熱器，有效集熱面積為40 m2，蓄熱水箱容積為5.32 m3； 太陽能集熱側(cè)水泵P3對應(yīng)最大流量5 m3/h，額定功率0.55 kW；直供水泵P4最大流量10.8 m3/h，額定功率0.9 kW。地埋管井群由7個120 m 的DN32×3 雙U 型地埋管換熱器并聯(lián)組成，井間距為4 m；土壤蓄熱水泵P5最大流量為10.8 m3/h，額定功率0.9 kW。

圖1 SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of SSTES-GSHP

本文SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)基本運(yùn)行原理如圖2 所示。

圖2 SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)控制策略Fig.2 Control strategy of SSTES-GSHP

太陽能集熱子系統(tǒng)全年處于自動運(yùn)行狀態(tài)，通過如圖2（a）所示的溫差控制策略，控制太陽能集熱側(cè)水泵P3啟停，及時將所收集的太陽能轉(zhuǎn)移至蓄熱水箱中，V1～V8為閥門。 其中，T1為集熱器出口溫度，T2為蓄熱水箱內(nèi)溫度， 即集熱器進(jìn)口溫度。在非供暖季，蓄熱水箱中的熱能用于土壤跨季節(jié)蓄熱；在供暖季，蓄熱水箱中的熱能直接用于農(nóng)業(yè)溫室供暖； 在非供暖季進(jìn)行太陽能跨季節(jié)蓄熱，通過如圖2（b）所示的溫差控制策略，控制土壤蓄熱水泵P5啟停，及時將蓄熱水箱中的熱量轉(zhuǎn)移至地埋管井群區(qū)域土壤中，對土壤補(bǔ)熱增溫；在供暖季進(jìn)行太陽能直供輔助土壤源熱泵復(fù)合供暖，通過如圖2（c）所示溫差控制策略，實現(xiàn)兩種供暖方式之間的自動切換，維持農(nóng)業(yè)溫室室溫T0不低于設(shè)定溫度（15 ℃）。 其中，土壤源熱泵機(jī)組運(yùn)行采用負(fù)荷側(cè)回水溫度控制壓縮機(jī)啟停， 使得熱泵制熱功率實時跟隨溫室熱負(fù)荷。 由于太陽能直供僅有水泵耗電，相比土壤源熱泵供暖更省電，可有效提高供暖系統(tǒng)能效。

此外，在進(jìn)行純土壤源熱泵供暖對照實驗時，全年關(guān)閉太陽能集熱循環(huán)， 供暖系統(tǒng)只在供暖季節(jié)運(yùn)行土壤源熱泵供暖。

1.2 供暖系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

為了對比研究SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)的性能， 分別構(gòu)建了純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)仿真模型和SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)仿真模型。 仿真所用的河北廊坊地區(qū)的典型年氣象數(shù)據(jù)由軟件Meteonorm7 導(dǎo)出，所得該地區(qū)典型年逐日氣溫和日總輻照量隨時間變化情況如圖3 所示。 在此之前， 根據(jù)農(nóng)業(yè)溫室實際維護(hù)結(jié)構(gòu)， 利用TRNSYS軟件中的TRNBuild 搭建了農(nóng)業(yè)溫室熱負(fù)荷模型。 其中，溫室側(cè)面面積為164 m2，四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)為5 mm+6 mm+5 mm 中空雙層玻璃，傳熱系數(shù)為4 W/（m2·℃），溫室頂部面積為125.22 m2，采用5 mm 鋼化玻璃，對應(yīng)傳熱系數(shù)6.4 W/（m2·℃），窗墻比取0.9。

圖3 廊坊市當(dāng)?shù)氐湫湍隁庀髤?shù)Fig.3 Meteorological parameters of Langfang in a typical year

根據(jù)供暖系統(tǒng)各部件參數(shù)， 結(jié)合農(nóng)業(yè)溫室熱負(fù)荷模型， 構(gòu)建了純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)仿真模型，如圖4 所示。

圖4 純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulation model of the ground source heat pump heating system

玻璃溫室熱負(fù)荷由負(fù)荷讀取部件載入模型當(dāng)中， 熱泵機(jī)組負(fù)荷側(cè)通過循環(huán)水泵連接負(fù)載末端進(jìn)行供暖，源側(cè)選用豎直地埋管模型type557a 實現(xiàn)與土壤的換熱， 通過對循環(huán)水泵的啟?？刂茖崿F(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)置，最后在主體系統(tǒng)上接入計算器、積分器和顯示打印儀完成運(yùn)行結(jié)果的輸出。

各模塊參數(shù)設(shè)置按照實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)設(shè)定。 土壤熱物性由巖土熱響應(yīng)實驗獲得， 土壤平均溫度為14.68 ℃， 綜合導(dǎo)熱系數(shù)1.582 W/（m·℃），容積比熱容2 000 kJ/（m·℃），熱擴(kuò)散率0.986×10-6m2/s； 實驗所得對應(yīng)土壤溫度TG隨土壤深度h 變化關(guān)系式為TG=13.52+0.019h，對應(yīng)土壤溫度梯度為0.019 ℃/m。 熱泵機(jī)組實時能耗則根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合式給定。根據(jù)實驗，熱泵機(jī)組實際運(yùn)行能效COPHP的表達(dá)式為[17]

式中：PG，P為純土壤熱泵系統(tǒng)地源側(cè)水泵耗電量和負(fù)載側(cè)水泵耗電量之和，kW·h。

在純土壤源熱泵仿真模型的基礎(chǔ)上， 構(gòu)建了SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)仿真模型，如圖5 所示。

圖5 SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of SSTES-GSHP

模型采用帶有浸入式換熱器的恒定容積立方體水箱Type531 模塊， 模擬實驗用蓄熱水箱的傳熱流動情況， 選用Type71 真空管集熱器模塊，模擬實驗用內(nèi)插熱管式真空管太陽能集熱器運(yùn)行情況，氣象數(shù)據(jù)仍采用軟件Meteonorm7 導(dǎo)出的河北廊坊地區(qū)典型年氣象數(shù)據(jù)，控制策略根據(jù)實驗平臺進(jìn)行設(shè)置。 該系統(tǒng)模型可以實現(xiàn)太陽能跨季節(jié)土壤蓄熱和太陽能直供輔助土壤源熱泵復(fù)合供暖的運(yùn)行模式，與實驗系統(tǒng)運(yùn)行情況保持一致。

由實驗平臺廠家測試報告確定太陽能集熱器集熱效率η 的計算式為

2 仿真結(jié)果驗證與分析

2.1 仿真模型驗證

2.1.1 農(nóng)業(yè)溫室熱負(fù)荷模型驗證

將溫室室內(nèi)溫度設(shè)定為不低于15 ℃，計算出系統(tǒng)典型年動態(tài)熱負(fù)荷。 模擬所得逐時最大熱負(fù)荷為27.1 kW，相當(dāng)于241.96 W/m2，供暖時段溫室平均熱負(fù)荷為178.57 W/m2，計算得全年總熱負(fù)荷31 588.9 kW·h， 與系統(tǒng)運(yùn)行實際供熱量32 655.6 kW·h 相對誤差為3.26%。 圖6 為系統(tǒng)在2019 年11 月15 日-2020 年3 月15 日供暖季，農(nóng)業(yè)溫室熱負(fù)荷模型所得的系統(tǒng)逐日熱負(fù)荷和累計熱負(fù)荷與實驗值的對比情況。 從圖6（a）可以發(fā)現(xiàn)，模擬所得逐日熱負(fù)荷與實驗值趨勢一致，但由于逐日熱負(fù)荷隨機(jī)性較大，導(dǎo)致模擬值與實驗值并未完全對應(yīng)。 為此圖6（b）對比了兩者的累計熱負(fù)荷，可以看出，模擬累計熱負(fù)荷與實驗值基本一致，表明采用農(nóng)業(yè)溫室熱負(fù)荷模型所得系統(tǒng)典型年動態(tài)熱負(fù)荷作為系統(tǒng)負(fù)載末端的熱負(fù)荷開展仿真計算是準(zhǔn)確可靠的。

圖6 溫室供暖季逐日熱負(fù)荷和累計熱負(fù)荷模擬值與實驗值對比Fig.6 Comparison of simulated and experimental values of daily heat load and cumulative heat load in greenhouse heating season

2.1.2 純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)仿真模型驗證

基于第一個供暖季供暖系統(tǒng)運(yùn)行實測數(shù)據(jù)，對純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行對比驗證，模擬所得系統(tǒng)供熱量、土壤取熱量和總耗電量與實驗值對比如圖7 所示。

圖7 純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)供熱量、取熱量、耗電量模擬值和實驗值對比Fig.7 Comparison of simulation results and experimental results of the ground source heat pump heating system

由圖7 可知, 仿真模型模擬所得系統(tǒng)累計取熱量為13 789.9 kW·h，實驗值為13 419.3 kW·h，兩者最大誤差相差不超過2.7%，所得累計供熱量和總耗電量模擬值與實驗值基本一致， 說明此仿真模型可以準(zhǔn)確模擬出純土壤源熱泵供暖的運(yùn)行情況。

為了驗證純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)仿真模型對井群區(qū)域土壤溫度預(yù)測的準(zhǔn)確性， 將純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)仿真結(jié)果與井群區(qū)域土壤平均溫度實驗值進(jìn)行對比。圖8 為供暖季期間，模擬所得土壤溫度與土壤平均溫度實驗值隨時間的變化情況。

圖8 純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)供暖土壤溫度模擬值與實驗值對比Fig.8 Comparison of simulated and experimental values of temperature after heating with the ground source heat pump heating system

由圖8 可以看出， 在土壤初始平均溫度相同的情況下， 模擬所得供暖過程中土壤溫度變化與實測值良好吻合。

純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)運(yùn)行至2020 年3 月15 日時，對應(yīng)模擬土壤溫度與實驗值對比見表1。

表1 純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)供暖前后土壤溫度變化Table 1 Soil temperature changes before and after heating with the ground source heat pump heating system

由表1 可知，不考慮土壤溫度梯度時，模擬所得土壤溫度與實測值相差為0.04 ℃，相對誤差為4.5%；考慮土壤溫度梯度（實驗值為0.019 ℃/m）的情況下， 模擬所得供暖結(jié)束后土壤溫度與實測值相差0.03 ℃，相對誤差為3.4%，兩者都具有良好的準(zhǔn)確性， 說明該仿真模型可以用于系統(tǒng)井群區(qū)域土壤溫度變化的分析與預(yù)測。 考慮到土壤溫度梯度所得模擬土壤溫度更接近于實驗值， 且符合土壤實際溫度分布情況， 因此在此后的土壤溫度預(yù)測時均以考慮土壤溫度梯度展開模擬計算。

2.1.3SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)仿真模型驗證

氣象條件對系統(tǒng)太陽能跨季節(jié)蓄熱效果有著至關(guān)重要的影響， 因此需要保證仿真氣象條件盡可能接近實驗條件。 在2020 年8-10 月，系統(tǒng)進(jìn)行太陽能跨季節(jié)蓄熱的階段， 對應(yīng)仿真氣象參數(shù)與實驗條件對比見表2。 由表2 可知，仿真模型所采用的典型年氣象參數(shù)中的月平均溫度和日均輻照量與實驗條件基本一致。

表2 太陽能跨季節(jié)蓄熱階段實驗與仿真氣象條件對比Table 2 Comparison of experimental and simulated weather conditions during seasonal solar thermal energy storage phase

將非供暖季太陽能跨季節(jié)蓄熱、 供暖季太陽能直供輔助土壤源熱泵復(fù)合供暖的模式運(yùn)行下的實驗數(shù)據(jù)，與SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)仿真模型模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗證， 所得系統(tǒng)運(yùn)行全年的累計模擬值與實驗值對比見表3。

表3 SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)運(yùn)行全年各累計量模擬值與實驗值對比Table 3 Comparison of simulated and experimental results of SSTES-GSHP operation for one year kW·h

由表3 可以看出， 仿真模型所得各項模擬值與實驗值偏差相對較小，普遍在±2.5%以內(nèi)。 由于各年太陽能輻照具有不確定性， 太陽能直供熱量相對誤差最大為-4.54%。 對比結(jié)果表明，本文所建立的SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性。

在2020 年6 月18 日-11 月5 日， 系統(tǒng)進(jìn)行太陽能跨季節(jié)蓄熱的階段， 土壤蓄熱量及溫度隨時間變化情況如圖9 所示。

圖9 太陽能跨季節(jié)蓄熱土壤蓄熱量和溫度模擬值與實驗值對比Fig.9 Comparison of simulated and experimental values of heat storage and temperature after seasonal solar thermal energy storage

從圖9（a）可以看出，6-9 月土壤蓄熱量模擬值與實驗值隨時間變化曲線基本重合，9 月10日-11 月5 日模擬值略高于實驗值， 這是由于在此期間實驗日均輻照量較小所導(dǎo)致， 至11 月5日，蓄熱結(jié)束模擬所得土壤蓄熱量為10 237 kW·h，實驗值為10 173 kW·h 相對誤差為0.62%。

通過太陽能跨季節(jié)蓄熱， 井群區(qū)域土壤的蓄熱量不斷增大，可使土壤溫度提升至供暖前水平。從圖9（b）可以看出，從6 月18 日蓄熱開始到11月5 日蓄熱結(jié)束， 土壤溫度模擬值與實驗值均呈不斷上升趨勢， 由起始溫度13.35 ℃均上升至14.35 ℃。在2020 年6-9 月，土壤溫度模擬值略高于實驗值，但相差小于0.05 ℃，這是由于在該時段仿真日均輻照量略低于實驗條件下的日均輻照量；9 月1-14 日土壤溫度實驗值幾乎保持不變，這是由于這兩周為陰雨天氣使得土壤溫度無明顯變化；9 月8 日-10 月5 日，土壤溫度模擬值高出了實驗值， 這是由于此階段前期土壤溫度實驗值并未增長， 同時模擬土壤蓄熱量高于實驗值所導(dǎo)致；10 月6 日-11 月5 日土壤溫度模擬值與實驗值基本一致，相差不超過0.02 ℃。 可以發(fā)現(xiàn)，模擬所得土壤溫度變化情況與實際良好吻合， 說明SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)仿真模型可用于系統(tǒng)土壤溫度變化情況的預(yù)測。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

2.2.1 系統(tǒng)長期運(yùn)行土壤溫度預(yù)測

基于上述模型， 展開對純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)和SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)的長期運(yùn)行特性研究， 主要探究兩系統(tǒng)長年供暖條件下的井群區(qū)域土壤平均溫度變化規(guī)律。 兩系統(tǒng)運(yùn)行10 a 的井群區(qū)域土壤溫度隨時間變化情況如圖10 所示。

圖10 供暖系統(tǒng)運(yùn)行10 a 土壤平均溫度對比Fig.10 Comparison of average soil temperature for 10 years of heating system operation

由圖10 可以看出，純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)對應(yīng)的土壤溫度呈波浪形逐年下降趨勢，第10 個供暖季土壤溫度較初始土壤溫度下降了3.75 ℃，降幅明顯，這是因為該系統(tǒng)沒有補(bǔ)熱措施。 SSTESGSHP 供暖系統(tǒng)在第10 個供暖季土壤溫度較初始土壤溫度下降了1.25 ℃，高于純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)2.50 ℃。 純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)經(jīng)過自然恢復(fù)后其溫度仍低于初始土壤溫度2.69 ℃，而在經(jīng)過太陽能跨季節(jié)蓄熱后的SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)土壤溫度可提升至略高于初始土壤溫度水平， 說明采用太陽能跨季節(jié)蓄熱可以有效解決純土壤源熱泵用于農(nóng)業(yè)溫室供暖所存在的土壤熱失衡問題。

2.2.2 太陽能直供對系統(tǒng)能效的影響

本文分別模擬了在第二個供暖季運(yùn)行首日（2020 年11 月15 日） 系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式的能效， 系統(tǒng)采用純土壤源熱泵供暖、“太陽能跨季節(jié)蓄熱+土壤源熱泵供暖”、“太陽能跨季節(jié)蓄熱+太陽能直供+土壤源熱泵”復(fù)合供暖3 種運(yùn)行模式，如圖11 所示。由圖11 可以看出，系統(tǒng)采用純土壤源熱泵供暖的耗電量最大為106.67 kW·h，“太陽能跨季節(jié)蓄熱+土壤源熱泵” 供暖模式對應(yīng)耗電量次之，“太陽能跨季節(jié)蓄熱+太陽能直供+土壤源熱泵”復(fù)合供暖模式最低為85.35 kW·h。 由于純土壤源熱泵供暖會導(dǎo)致井群區(qū)域土壤溫度下降至初始土壤溫度以下， 而加入太陽能跨季節(jié)蓄熱后對應(yīng)土壤溫度高于初始土壤溫度， 因此后者熱泵機(jī)組COPHP略高， 總耗電量較純土壤源熱泵降低了6.12 kW·h。 加入太陽能直供后系統(tǒng)耗電量較純土壤源熱泵供暖下降了19.98%，這是因為太陽能直供在供暖初期暫時代替了土壤源熱泵，而太陽能直供對應(yīng)耗電量遠(yuǎn)小于土壤源熱泵系統(tǒng)供暖耗電量，由此導(dǎo)致了“太陽能跨季節(jié)蓄熱+太陽能直接供暖+土壤源熱泵” 復(fù)合供暖模式下的系統(tǒng)耗電量顯著減小。

圖11 不同運(yùn)行模式供暖首日耗電量對比Fig.11 Comparison of power consumption on the first day of heating by different operating modes

由圖11 可知，在供暖首日，加入“太陽能跨季節(jié)蓄熱+太陽能直接供暖+土壤源熱泵”復(fù)合供暖模式的SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)耗電量最小，對應(yīng)系統(tǒng)能效最高。 本文統(tǒng)計了在整個供暖季內(nèi)該系統(tǒng)單日系統(tǒng)COPS隨太陽能直供占比的變化情況如圖12 所示。

圖12 系統(tǒng)COPS 隨太陽能直供占比變化Fig.12 System COPS changes with the proportion of solar direct supply

由圖12 可以看出，系統(tǒng)COPS隨著太陽能直供占比的增大而增大，當(dāng)太陽能直供占比為0 時，即系統(tǒng)采用純土壤源熱泵供暖， 此時系統(tǒng)COPS等于純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)COPG約為2.7；當(dāng)太陽能直供占比為51%時，系統(tǒng)COPS提升至4.08；整個供暖季太陽能直供占比集中在11%左右，對應(yīng)系統(tǒng)COPS約為2.97， 較純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)提升約10%。 說明加入太陽能直供可以顯著提升系統(tǒng)的綜合能效。

2.2.3 系統(tǒng)長期運(yùn)行能效分析

土壤溫度和太陽能直供對供暖系統(tǒng)能效都具有顯著影響， 而土壤溫度是隨系統(tǒng)長期運(yùn)行逐漸變化的， 為此有必要開展對長期運(yùn)行下供暖系統(tǒng)的能效分析與預(yù)測。圖13 為純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)和SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)運(yùn)行10 a 的逐年累計耗電量和對應(yīng)年份COP 值隨時間的變化情況。

圖13 供暖系統(tǒng)運(yùn)行10 a 逐年耗電量、COP 變化對比Fig.13 Comparison of annual electricity consumption and COP changes of heating system for 10 years

由圖13（a）可知，隨著系統(tǒng)長期運(yùn)行，純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)的耗電量逐年增加，第1～10 年，系統(tǒng)耗電量增幅為1 035.7 kW·h， 這主要是由于隨著供暖的進(jìn)行，土壤溫度不斷下降，使得熱泵機(jī)組COPHP呈下降趨勢，導(dǎo)致系統(tǒng)耗電量有所增加。而SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)耗電量基本維持在10 900 kW·h 左右，這是由于太陽能跨季節(jié)蓄熱使得其土壤溫度可保持在較高水平， 同時其耗電量明顯低于純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)， 這是由于太陽能直供部分時段代替了土壤源熱泵供暖從而減少了系統(tǒng)能耗。

由圖13（b）可以發(fā)現(xiàn)，純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)COPG逐年下降， 第1～10 年下降約8.1%，而SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)COPS始終維持在2.97 左右。 由圖13（b）還可以看出，SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)在運(yùn)行初期， 其COPS就高于純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)，這是由于加入太陽能直供的結(jié)果。運(yùn)行至第10 年，SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)COPS已高出純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)18.8%， 說明采用太陽能跨季節(jié)蓄熱和太陽能直供可以有效保證系統(tǒng)長期供暖過程中的穩(wěn)定高效運(yùn)行。

2.3 太陽能跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)集熱面積匹配設(shè)計準(zhǔn)則

對于SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)而言，保證系統(tǒng)土壤熱平衡的關(guān)鍵在于設(shè)計合適面積的太陽能集熱器陣列。 由于不同的溫室面積和溫室單位面積熱負(fù)荷對應(yīng)系統(tǒng)熱負(fù)荷顯然不同， 因此滿足土壤熱平衡的太陽能集熱器面積也不同。 農(nóng)業(yè)溫室與太陽能集熱器面積配比關(guān)系如圖14 所示。

圖14 農(nóng)業(yè)溫室與太陽能集熱器面積配比關(guān)系Fig.14 The area ratio relationship between agricultural greenhouse and solar collector

由圖14（a）可知，隨著溫室面積的增大，溫室單位面積平均熱負(fù)荷逐漸下降，并趨于定值。 對于本文所研究的Venlo 型玻璃溫室， 當(dāng)溫室面積大于1 000 m2后， 單位面積平均熱負(fù)荷趨近于79.095 W/m2。

根據(jù)能量平衡可知，農(nóng)業(yè)溫室熱負(fù)荷與土壤源熱泵系統(tǒng)COPG決定了供暖系統(tǒng)從土壤取熱量，進(jìn)而決定了維持土壤熱平衡的所需的太陽能集熱器面積。 在農(nóng)業(yè)溫室面積大于1 000 m2，單位面積平均熱負(fù)荷約為79.095 W/m2的條件下，維持系統(tǒng)土壤熱平衡的單位面積溫室所需太陽能集熱器面積（A/S）隨熱泵系統(tǒng)COPG變化的情況如圖14 （b） 所示。 可以看出， 隨土壤源熱泵系統(tǒng)COPG的升高，單位面積溫室所需太陽能集熱器面積（A/S）呈線性遞增趨勢。這是因為在熱負(fù)荷不變的情況下，熱泵系統(tǒng)COPG越大，系統(tǒng)向土壤的取熱量就越大，為了維持土壤的熱平衡就需要更大的太陽能集熱器面積來收集太陽能。 基于仿真模型模擬數(shù)據(jù)，可得到太陽能集熱器面積與溫室面積、 土壤源熱泵系統(tǒng)COPG之間的關(guān)聯(lián)式為A/S=0.158+0.021COPG。 該關(guān)聯(lián)式直接適用于廊坊及周邊地區(qū)玻璃溫室供暖系統(tǒng)太陽能集熱器面積選取的設(shè)計準(zhǔn)則。 需要說明的是， 對于其他類型的溫室， 需根據(jù)溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算全年平均熱負(fù)荷進(jìn)行修正。

3 結(jié)論

本文利用TRNSYS 軟件建立了面向農(nóng)業(yè)溫室的SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)仿真模型，并采用實驗數(shù)據(jù)驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性。 基于該仿真模型對系統(tǒng)在長期運(yùn)行條件下的井群區(qū)域土壤溫度和系統(tǒng)COP 變化情況進(jìn)行了分析和預(yù)測，并探究了該系統(tǒng)用于京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)溫室的太陽能集熱器配比關(guān)系，得到如下結(jié)論。

①利用SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)TRNSYS 仿真模型計算各項能量數(shù)據(jù)的誤差大部分在±2.5%以內(nèi)， 仿真計算所得土壤平均溫度與實測值最大相差不超過0.09 ℃，說明所構(gòu)建的仿真模型適用于該供暖系統(tǒng)運(yùn)行特性的分析與預(yù)測。

②SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)長周期運(yùn)行仿真結(jié)果表明，供暖系統(tǒng)運(yùn)行至第10 年，井群區(qū)域土壤溫度在蓄熱結(jié)束后仍可保持在初始地溫14.68 ℃以上， 說明采用太陽能跨季節(jié)土壤蓄熱的方式可以有效解決純土壤源熱泵供暖存在的土壤熱失衡問題。同時，太陽能跨季節(jié)蓄熱增強(qiáng)土壤源熱泵系統(tǒng)COPS較純土壤源熱泵供暖系統(tǒng)高18.8%，表明SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)， 可實現(xiàn)系統(tǒng)長期穩(wěn)定高效運(yùn)行。

③提出了基于溫室面積和熱泵能效的太陽能跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)集熱器面積匹配設(shè)計準(zhǔn)則， 即在溫室單位面積平均熱負(fù)荷約為79 W/m2的情況下， 維持土壤熱平衡的單位面積溫室所需太陽能集熱器面積（A/S）與土壤源熱泵系統(tǒng)COPG關(guān)聯(lián)式為A/S=0.158+0.021COPG。該關(guān)聯(lián)式可作為用于京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)溫室的SSTES-GSHP 供暖系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則， 為我國北方農(nóng)業(yè)領(lǐng)域清潔供暖提供技術(shù)參考和理論支撐。