严寒地区太阳能—季节性土壤蓄热热泵供暖系统的模拟研究

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1、万方数据第29卷第5期加08年5月太阳能学报AGTAENERGIAESOLARISSINICAV01．29．No．5May，2008严寒地区太阳能一季节性土壤蓄热热泵供暖系统的模拟研究韩宗伟，郑茂余，孔凡红(哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090)摘要：为了缓解在严寒地区长期应用土壤源热泵系统(GSHP)进行供暖所出现的系统供暖性能系数逐渐降低、出力不足等问题，同时考虑到冬夏太阳能资源的不均匀性，着重介绍了太阳能季节性土壤蓄热热泵供暖系统(SAG-SHP)以及系统冬、夏两季的主要运行模式，并建

2、立了系统各个部分的数学模型，确定了系统各运行模式的转换条件。在上述基础上，分别对SAGSHP和GSHP供暖系统进行了瞬态数值模拟，并对比分析了这两个系统的全年运行特性。由分析可知，SAGSHP能保持土壤温度场以年为周期的热平衡，同时可以提高系统的供暖性能系数以及供暖可靠性。关键词：土壤源热泵；季节性土壤蓄热；供暖性能系数；数值模拟；热平衡中图分类号：TKSl2文献标识码：A0引言严寒地区冬季供暖期长、热负荷很大，而夏季空调期相对较短，冷负荷较小，土壤的平均温度较低，若单独使用土壤源热泵系统进行供暖、空调，

3、势必会造成系统对土壤取热和补热的不一致，土壤换热器周围的土壤温度将会逐年下降，虽然每年的降幅不大，但是长时间运行换热器周围的土壤温度场会出现不可恢复的恶化，同时随着换热器周围土壤温度逐渐下降，热泵的制热性能系数也逐渐下降，甚至会出现出力不足的现象。因此，土壤源热泵系统主要适用于全年冷热负荷较接近的地区。为了实现换热器周围土壤温度场以年为周期的热平衡，保证热泵机组的高效运行，必须向土壤补充热量。利用太阳集热器收集的太阳热对土壤进行补热，同时间歇作为热泵的低位热源进行供暖是一个很好的选择。由于太阳能资源分布不

4、均匀，夏季太阳辐射较强，而在冬季供暖期时的太阳辐射较弱，因此为了降低系统的初投资，减小集热面积，不能单独利用冬季的太阳热，本文提出将夏季的太阳热蓄储到深层土壤中，冬季以太阳能和土壤热作为热泵的复合热源进行供暖，实验结果表明：该系统在很大程度上提高了整个系统的运行性能系数，实现土壤以年为周期的热平衡，使得系统可连续多年使用，同时提高系统的供暖可靠性[1,23。目前，该项技术在国外有很多类似应用阻7

5、，而在我国应用较少，尚属起步阶段[8-10]。1系统的组成以及主要运行模式如图1所示，系统主要由平板型太阳集热

6、器、垂直U型管土壤换热器、热泵机组、风机盘管等组成。整个系统在全年运行过程中，主要有以下3种运行模式：模式1：太阳能土壤蓄热。主要包括夏季的季节性土壤蓄热以及在供暖期当系统停止供暖时的间歇性土壤蓄热，后者由于蓄取热的间隔较短，虽然蓄热量相对较小，但是取热率较高，在很大程度上提高了整个系统的运行性能系数；模式2：太阳集热器、土壤换热器与热泵机组串联运行，太阳能与土壤共同作为热泵的低位热源。由于加入了太阳热，使得热泵蒸发器进口温度相对较高，提高了热泵的制热系数；模式3：太阳集热器关闭，土壤源热泵供暖。由于模式

7、1、模式2的运行，使得土壤换热器周围土壤收稿日期：2006--12-18通讯作者：韩宗伟(1980一)，男，博士研究生，主要研究太阳能热利用、相变蓄能技术。taiyangshenll22@163．㈣万方数据5期韩宗伟等：严寒地区太阳能一季节性土壤蓄热热泵供暖系统的模拟研究575温度得到一定程度的恢复，在很大程度上缓解了系统连续运行导致的热泵性能系数持续下降、出力不足的问题。A一太阳集热器；B--膨胀水箱；C一土壤换热器；D一蒸发器；E一冷凝器；F一压缩机；G一热力膨胀阀；H一风机盘管图1供暖系统示意图F唔

8、．1SchematicdiagramofSAGSHPh啦system2系统的数理模型及模式转换条件2．1系统的数理模型2．1．1平板太阳集热器模型太阳集热器是一种特殊的热交换器，其换热过程可用能量平衡方程(1)来描述[11J。A。L(磁)。=Q。+G。等+A。巩(t，一t。)(1)假定视集热系统运行时，集热器的集热过程为准稳态过程，即等一o；同时考虑到t，难以通过简单的实验和计算确定，系统运行时集热器的有效集热量Q。通常采用式(2)计算[11】：Q。=m。CDf(￡。一t面)=F。A』，。(m)。一U。(

9、t“一t。)](2)当集热系统停止运行时，集热器的有效集热量Q。=0，同时以吸热板温度t。表征整个集热器温度(t。=t。)，由式(1)得：G。等：A。，。(徽)。一A。UL(tp—t。)(3)假设室外气象参数，小t。在一个时间步长Ar内保持不变，对式(3)积分得：矬黯最嬲一e一半㈤A。，。(r口)。一A。uL(t?’一t。)。、⋯利用式(4)可以计算在集热系统停止运行时吸热板温度的变化。2．1．2土壤换热器模型本系统采用3个U