太陽能-地下坑槽季節(jié)土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)

檲檲檲檲檲檲檲檲殘供熱熱源太陽能－地下坑槽季節(jié)土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)靖1，鄭茂余2，楊萌3韓(1．機械工業(yè)第六設(shè)計研究檲檲檲檲檲檲檲檲殘供熱熱源太陽能－地下坑槽季節(jié)土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)靖1，鄭茂余2，楊萌3韓(1．機械工業(yè)第六設(shè)計研究院第六工程所，河南鄭州450007;2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090;3．中國市政工程中南設(shè)計研究總院第三設(shè)計院，湖北武漢430010)摘 要:介紹了太陽能－地下坑槽季節(jié)性土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)的組成運行模式建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型編制程序針對北京地區(qū)進(jìn)行了全年動態(tài)模擬。地下坑槽內(nèi)的土壤可以保持以年為周期的熱平衡系統(tǒng)的年平均性能系數(shù)為6．89。關(guān)鍵詞:太陽能;地下坑槽;水平埋管; 季節(jié)性土壤蓄熱;土壤源熱泵中圖分類號:995文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1000－4416(2011)08－001－06lritedGrdrceHetPpHetigtemithelilHettreinerrdPitANing，NGMaoyu，YANGMengtract:hecopoonandoperaonodeofoaraedgroundourceheatpupheangyemwheaonalolheatoragenundergroundptarenroduced．heaheacalodelofheyemseabhedhecacuaonprogramscopedandhewhoeyeardynacuaonofheyemnBengsperored．heolnundergroundptcananananannualheatequbrumandheannualaverageperorancecoecentofheyems6．89．eyors:oarenergy;undergroundpt;horonalburedppe;eaonalolheator-age; groundourceheatpup1 概述太陽能是一種清潔能源但具有能量密度低間歇性和不穩(wěn)定等特點并且與熱負(fù)荷的需求在量和時間上存在差異。土壤源熱泵供熱系統(tǒng)由于其高效節(jié)能的特性而引起了廣泛關(guān)注但必須保證地埋管周圍土壤的熱平衡。對于冷熱負(fù)荷相差不大的地區(qū)地埋管周圍的土壤基本可以保持以年為周期的熱平衡;對于冷熱負(fù)荷相差較大的地區(qū)地埋管周圍的土壤很容易發(fā)生熱失衡1956年enrod等人首先提出了太陽能集熱器與地埋管組合的設(shè)想描述了太陽能－土壤源熱泵的工作原理并給出了設(shè)計過1－］。隨后國內(nèi)外進(jìn)行了廣泛研3－］但地埋管主要采用豎直埋管針對水平埋管的研究較少。夏季和過渡季可以利用太陽能集熱器收集的太陽能向敷設(shè)水平埋管的地下坑槽蓄熱。供暖期太陽能集熱器可以直接供暖太陽能集熱器和地下坑槽也可為熱泵提供熱量進(jìn)行供暖。為此本文提出太陽能－地下坑槽季節(jié)性土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)。先挖掘坑槽在坑槽的四周及底部進(jìn)行絕熱處理然后填入比較理想的蓄熱黏土并敷設(shè)水平埋管最后在適當(dāng)?shù)纳疃葘硬鄣纳喜窟M(jìn)行絕熱處理再在上面覆蓋自然土壤。對地下坑槽進(jìn)行絕熱處理可以減少外界對坑槽內(nèi)土壤溫度的影響。蓄熱后坑槽內(nèi)的土壤可以具有較高的溫度。供暖期坑槽內(nèi)土檲檲殘檲檲煤氣與熱力第1卷第8期w．trt．m壤煤氣與熱力第1卷第8期w．trt．m壤的溫度較高波動較小從而提高系統(tǒng)的性能系數(shù)。本文對太陽能－地下坑槽季節(jié)性土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)進(jìn)行模擬。2 系統(tǒng)的組成以及主要運行模式太陽能－地下坑槽季節(jié)性土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)流程見圖1。開啟其余關(guān)閉。3 系統(tǒng)模型及運行模式轉(zhuǎn)換條件3．1系統(tǒng)模型① 集熱器模型平板型太陽能集熱器吸熱板內(nèi)的流體(乙二醇水溶液)與太陽輻射進(jìn)行能量交換其性能可用能量平衡方程描述:dθscmAscEscτα=Φu+Csc +AscKL(θscm－θa)dtΦu=qmsccpf(θsce－θsci)Asc—集熱器的有效面積m2式中2Esc—集熱器表面的太陽輻照度W/mτ—蓋板對太陽輻射的透過率α—蓋板對太陽輻射的吸收率Φu—集熱系統(tǒng)的有效集熱量WCsc—集熱系統(tǒng)的當(dāng)量熱容J/Kθscmθsceθsci—集熱系統(tǒng)內(nèi)流體的平均出口進(jìn)口溫度℃t—時間s2KL—集熱器的熱損失系數(shù)W/(m·K)θa—室外空氣溫度℃qmsc—集熱器內(nèi)流體的質(zhì)量流量kg/scpf—集熱器內(nèi)流體的比定壓熱容J/(kg·K)② 地埋管換熱器模型地埋管換熱器采用10個U形水平埋管并聯(lián)組成U形管長度為72mU形管之間的水平間距為2m每個U形管兩管的垂直間距為0．8m。為簡化計算忽略U形管軸向的溫度梯度選用二維直角坐標(biāo)系垂直方向為y軸水平方向為x軸。地下坑槽內(nèi)水平埋管的剖面見圖2。圖1太陽能－地下坑槽季節(jié)性土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)流程系統(tǒng)主要由平板型太陽能集熱器地下坑槽內(nèi)的水平埋管換熱器熱泵機組地板輻射供暖系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)在全年運行中主要有以下4種運行模式:① 模式1:土壤蓄熱。非供暖期閥門125、6開啟其余關(guān)閉把收集的太陽能儲存在地下坑槽的土壤中。②模式2:太陽能直接供暖。供暖過程中當(dāng)太陽輻射較強時集熱器內(nèi)介質(zhì)(乙二醇水溶液)的溫度可滿足直接供暖的要求。閥門7810941、13開啟其余關(guān)閉。③模式3:太陽能熱泵供暖。供暖過程中當(dāng)太陽輻射較強時集熱器內(nèi)介質(zhì)的溫度不能滿足直接供暖的要求但可以滿足熱泵供暖的要求。閥門711149411215開啟其余關(guān)閉。④模式4:土壤源熱泵供暖。供暖過程中當(dāng)室外溫度較低太陽輻射較弱時集熱器內(nèi)介質(zhì)的溫度不能滿足直接供暖的要求也不能滿足熱泵供暖的要求熱泵提取非供暖期儲存在地下坑槽的土壤中的熱量進(jìn)行供暖。閥門2371114961215圖2地下坑槽內(nèi)水平埋管的剖面地埋管換熱器進(jìn)出口流體(乙二醇水溶液)溫控制方程］:θfo=θs－θs－θfiexp－qλsLcmfpf式中 θfoθfi—地埋管換熱器出口進(jìn)口流體溫度℃·A02·w．trt．m韓靖等:太陽能－地下坑槽季節(jié)土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)第1卷第8期θs—地下坑槽內(nèi)土壤的溫度℃λs—土壤的熱導(dǎo)率W/(m·K)L—水平埋管一個支路的管長mqmfw．trt．m韓靖等:太陽能－地下坑槽季節(jié)土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)第1卷第8期θs—地下坑槽內(nèi)土壤的溫度℃λs—土壤的熱導(dǎo)率W/(m·K)L—水平埋管一個支路的管長mqmf—水平埋管一個支路的質(zhì)量流量kg/s地埋管換熱器周圍土壤的控制方程為:的過程本文根據(jù)數(shù)值模擬和實驗擬合所得的公式］計算地板單位面積的散熱量:2λ3(θm－θn)q=·ss∑Cii+∑Cisnhi44AB2h2h h22i=1i=1x2+yθsλs θs θs000t=ρcδi25h0=∑λ3spsλii=13式中 ρs—地下坑槽內(nèi)土壤的密度kg/mδi5d'2cps—地下坑槽內(nèi)土壤的比定壓熱容J/(kg·K)地埋管外壁處的邊界條件為:h=∑λ3－λii=12式中q—地板單位面積的散熱量W/mλ1～λ5—地面層找平層填充層絕熱層、基礎(chǔ)層的熱導(dǎo)率W/(m·K)θm—地板輻射供暖系統(tǒng)供回水平均溫度℃θn—室內(nèi)空氣溫度℃s—管間距mCACB—擬合系數(shù)h0h—計算系數(shù)δ1～δ5—地面層找平層填充層絕熱層、基礎(chǔ)層的厚度md'—加熱管外徑m⑤ 房間熱力模型房間的逐時熱負(fù)荷Φ可以由分析軟件EST進(jìn)行計算室內(nèi)溫度變化可由下式計算:qz θs－λsr=πdqmfcpf(θfo－θfi)qz=10L式中 r—地埋管外半徑mqz—單位管長的換熱量W/md—地埋管外徑m③ 熱泵模型本文根據(jù)設(shè)計熱負(fù)荷選取熱泵采用對熱泵樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的方法建立熱泵的數(shù)學(xué)模型。熱泵的制熱量和耗電量一般可以擬合成蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)口溫度和冷凝器側(cè)進(jìn)口溫度的函數(shù)形式:Φc=a1θei+b1θci+c1Php=a2θei+b2θci+c2式中 Φc—熱泵的制熱量kWa1b1c1a2b2c2—擬合系數(shù)θei—蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)口溫度℃θci—冷凝器側(cè)進(jìn)口溫度℃Php—熱泵的耗電功率kW④ 地板輻射供暖系統(tǒng)模型本文選用的研究建筑(別墅)采用地板輻射供暖方式供熱介質(zhì)為水。地面層為瓷磚厚度為10m加熱管外徑為20m填充層厚度為50m管間距為200m。地板輻射的傳熱是一個比較復(fù)雜θ－θ'=3．6(Φ'－Φ)Cθθ'—當(dāng)前時刻前一時刻的供暖房間溫度℃Φ'—供暖房間的瞬時供熱量WΦ—供暖房間的瞬時熱負(fù)荷WC—供暖房間等效熱容量J/K系統(tǒng)運行模式轉(zhuǎn)換條件式中3．2模式1:θscm≥θs+10℃θsce－θsci1℃開啟停止開啟θn18℃或18℃＜θn20℃(前一刻為供暖工況)模式2: θscm30℃θscm＜30℃或θn＞20℃或18℃＜θn20℃(前一刻為非供暖工況)停止開啟θn18℃或18℃＜θn20℃(前一刻為供暖工況)模式3: 10℃≤θscm30℃θscm＜10℃或θn＞20℃或18℃＜θn20℃(前一刻為非供暖工況)停止·A03·煤氣與熱力第1卷第8期w．trt．mθn18℃或18℃＜θn20℃(前一刻為供暖工況煤氣與熱力第1卷第8期w．trt．mθn18℃或18℃＜θn20℃(前一刻為供暖工況)開啟模式4: θscm＜10℃θscm＞10℃或θn＞20℃或18℃＜θn20℃(前一刻為非供暖工況)停止4 系統(tǒng)的全年運行特性分析4．1 模擬參數(shù)在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及系統(tǒng)運行模式轉(zhuǎn)換條件的基礎(chǔ)上編制程序針對北京地區(qū)某別墅進(jìn)行模擬。該別墅的建筑面積為372．44m2設(shè)計熱負(fù)荷為12．7kW。整個模擬過程分為兩個階段:第一階段為蓄熱階段(3月16日11月14日)第二階段為供暖階段(11月15日—次年3月15日)。主要模擬參數(shù)見表1。提供的建筑熱環(huán)境氣象數(shù)據(jù)集中北京地區(qū)典型年的］氣象數(shù)據(jù) 。全年室外日平均氣溫及水平面日太陽輻射總量見圖34。由圖34可知在非供暖期，室外溫度較高太陽輻射較強可以把這部分太陽能儲存到地下坑槽中供暖期再用熱泵提取進(jìn)行供暖。在供暖期太陽輻射與建筑熱負(fù)荷在時間上不同步供暖初期和末期太陽輻射較強室外平均溫度較高熱負(fù)荷較小;供暖中期室外平均溫度較低，熱負(fù)荷較大太陽輻射較弱。因此在供暖初期和末期優(yōu)先利用集熱器收集的太陽能供暖減少熱泵的耗電量提高系統(tǒng)的性能。表1主要模擬參數(shù)圖3全年室外日平均氣溫變化圖4全年水平面日太陽輻射總量變化4．2 蓄熱性能分析蓄熱期集熱器內(nèi)流體的日平均進(jìn)出口溫度水平埋管內(nèi)流體的日平均進(jìn)出口溫度地下坑槽內(nèi)土壤的日平均溫度見圖5～7。由圖5可知集熱器內(nèi)流體的日平均進(jìn)出口溫度為7～40℃日平均進(jìn)出口溫差為1～8℃。由圖6可知水平埋管內(nèi)流體的日平均進(jìn)出口溫度為8～35℃日平均進(jìn)出口溫差為1～5℃。由圖7可知，地下坑槽內(nèi)土壤的日平均溫度一直在升高且升高速率逐漸減小這是由于集熱器內(nèi)的流體與地下坑在模擬分析中采用中國氣象局氣象信息中心·A04·集熱器傾角/(°)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土壤初始溫度/℃7．6地下坑槽體積/m310地埋管換熱器L/m2流量/(m3·h－1)3．8乙二醇水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%)密度/(g·m－3)15c/(J·g－1·K－1)pf30熱泵a10．15b1－0．55c10．80a2－0．50b20．29c20．18循環(huán)泵額定功率/W0w．trt．m韓靖等:太陽w．trt．m韓靖等:太陽能－地下坑槽季節(jié)土壤蓄熱熱泵供熱系統(tǒng)第1卷第8期槽內(nèi)土壤的溫差逐漸減小所致。蓄熱結(jié)束時地下坑槽內(nèi)土壤的平均溫度為22．21℃。蓄熱期循環(huán)泵耗電能為0．68J集熱器表面的太陽輻射總量為147．91J集熱器的集熱量為107．57J則集熱器的平均效率為72．73%向土壤蓄熱97．87J。圖8供暖期集熱器內(nèi)流體的日平均溫度圖5蓄熱期集熱器內(nèi)流體的日平均進(jìn)出口溫度圖9供暖期水平埋管內(nèi)流體的日平均進(jìn)出口溫度圖6蓄熱期水平埋管內(nèi)流體的日平均進(jìn)出口溫度圖0供暖期地下坑槽內(nèi)土壤的日平均溫度圖7蓄熱期地下坑槽內(nèi)土壤的日平均溫度取熱性能分析供暖期集熱器內(nèi)流體的日平均溫度水平埋管4．3圖1供暖期地板輻射供暖系統(tǒng)的日平均進(jìn)出口溫度℃。由圖10知地下坑槽內(nèi)土壤的日平均溫度一直在降低且降低速率逐漸減小這是由于蒸發(fā)器內(nèi)的流體與地下坑槽內(nèi)土壤的溫差逐漸減小所致。供暖結(jié)束時地下坑槽內(nèi)土壤的平均溫度為10．86℃高于蓄熱啟動時的溫度說明從地下坑槽的取熱量可完全來自蓄熱期的蓄熱量且地下坑槽為下個供暖內(nèi)流體的日平均進(jìn)出口溫度地下坑槽內(nèi)土壤的日平均溫度地板輻射供暖系統(tǒng)日平均進(jìn)出口溫度日總供熱量與日總熱負(fù)荷室內(nèi)日平均溫度見圖8～13。由圖8可知集熱器內(nèi)流體的日平均溫度為－5～45℃。由圖9可知水平埋管內(nèi)流體的日平均進(jìn)出口溫度為1～16℃日平均進(jìn)出口溫差為1～3·A05·煤氣與熱力第1卷第8期w．trt．煤氣與熱力第1卷第8期w．trt．m參考文獻(xiàn):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．太陽能輔助地源熱泵供熱運行特性研．煤氣與熱力66(9):9－2．董玉平由世俊汪洪軍等．太陽能－地源熱泵綜合系統(tǒng)的經(jīng)濟分．煤氣與熱力33(2):4－7．張文雍鄭茂余王瀟等．嚴(yán)寒地區(qū)太陽能土壤源熱泵季節(jié)性土壤蓄．煤氣與熱力99(8):1－4．RAIIM．rldillisfatrllrtigtmithrrd-ltreinry．lery5(0):5－9．畢月虹陳林根．太陽能－土壤源熱泵的性能研究2］3］圖2供暖期日總供熱量與日總熱負(fù)荷4］5］6］圖3供暖期室內(nèi)日平均溫度變化期儲存了一部分熱量。由圖11～13可知地板輻射供暖系統(tǒng)日平均供回水溫度為18～30℃日平均供回水溫差為1～5℃。日總供熱量的變化趨勢基本與地板輻射供暖系統(tǒng)日平均進(jìn)出口溫度基本一致。整個供暖期室溫均在18℃以上滿足要求。北京地區(qū)的供暖期為121d系統(tǒng)運行1746h。集熱