太陽能作為最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉粗?，近年來已在我國廣泛利用。但由于太陽能受晝夜、季節(jié)以及天氣等隨機因素影響較大，太陽能供暖系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性差，需要增加輔助熱源或者蓄熱裝置，目前研究以太陽能-空氣源熱泵復合系統(tǒng)和太陽能-吸收式機組復合系統(tǒng)為主，另外也有太陽能-地熱能系統(tǒng)。

國內對于太陽能+地熱能方面的研究集中于太陽能與土壤跨季節(jié)蓄熱加熱生活熱水，或者過渡季蓄熱冬季供熱，缺乏夏熱冬冷地區(qū)長期蓄熱供熱的研究。國外雖然有一部分針對太陽能與地源熱泵跨季節(jié)蓄熱供熱的研究，但大多數(shù)集中于北歐和北美氣候嚴寒且地熱能異常豐富的地區(qū)，與我國夏熱冬冷地區(qū)運行特性存在較大差別。針對夏熱冬冷地區(qū)建筑供暖時間不長，同時考慮到利用太陽能供熱和提高系統(tǒng)效率等方面，本文提出了一種上海地區(qū)復合式太陽能-地源熱泵季節(jié)性蓄熱供熱系統(tǒng)，并利用TRNSYS軟件模擬系統(tǒng)運行特性，分析了在一個完整的蓄熱季和供熱季下，土壤的溫變特性和系統(tǒng)的能量及效率隨時間的變化規(guī)律，為夏熱冬冷地區(qū)太陽能-地源熱泵季節(jié)性蓄熱供熱系統(tǒng)的設計提供參考。

復合式太陽能-地源熱泵季節(jié)性蓄熱供熱系統(tǒng)原理如圖1所示。該系統(tǒng)由太陽能集熱器、蓄熱水箱、地埋管、地源熱泵機組和系統(tǒng)末端組成，通過地埋管將集熱器收集的熱量存儲在土壤中，當末端出現(xiàn)供暖需求時，再將存儲的熱量提取出來向用戶供熱。

該系統(tǒng)可分為集熱子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和供熱子系統(tǒng)3個子系統(tǒng)。太陽能集熱器通過集熱循環(huán)泵將熱量蓄存在蓄熱水箱中的循環(huán)為集熱循環(huán)，集熱器面積為200 m²，水箱容積為12 m³；蓄熱水箱通過地埋管將熱量蓄存到土壤中的循環(huán)為蓄熱循環(huán)，地埋管為單U型管，每兩根管串聯(lián)為一組，4組并聯(lián)，共8根U型管；供熱循環(huán)包括蓄熱水箱供熱、地埋管直接供熱和地源熱泵供熱3種供熱方式。蓄熱水箱的作用一是在蓄熱過程中保持地埋管的輸入溫度較為穩(wěn)定，二是可以在供熱季為用戶直接供熱。用戶側是上海地區(qū)200 m²的住宅建筑，考慮到一棟建筑的地埋管數(shù)量太少，蓄熱效果不明顯，故本文用戶側采用3棟建筑，建筑面積共600 m²，設計供熱溫度為20 ℃。

系統(tǒng)的運行模式分為蓄熱模式和供熱模式，夏季和過渡季節(jié)蓄熱，冬季供熱。蓄熱時集熱器的熱量通過水箱蓄存到地埋管周圍的土壤中。系統(tǒng)的運行通過溫差控制，為保證系統(tǒng)效率，當集熱器出口水溫與蓄熱水箱回水溫度的溫差大于8 ℃時，集熱循環(huán)泵開啟，當兩者溫差小于3 ℃時，集熱循環(huán)泵關閉，集熱子系統(tǒng)停止運行。蓄熱子系統(tǒng)的控制方式與集熱子系統(tǒng)相同。供熱子系統(tǒng)共有3種運行模式：

1）當白天光照較好時，蓄熱水箱中的水溫較高，蓄熱水箱可以直接向末端供熱；

2）在光照不好的白天或是夜晚，當水箱中的水溫不足40 ℃時，若地埋管出口溫度高于40 ℃，由地埋管直接向末端供熱；

3）以上兩者都不能滿足需求的情況下，通過地源熱泵供熱。

圖1 復合式太陽能-地源熱泵季節(jié)性蓄熱供熱系統(tǒng)原理

根據(jù)系統(tǒng)原理，在TRNSYS平臺上搭建系統(tǒng)模型。系統(tǒng)模型包括建筑模塊、太陽能集熱模塊、地埋管蓄熱模塊和控制系統(tǒng)模塊。該模型的主要參數(shù)設置如表1所示。

熱泵機組的外部選用某熱泵機組樣本?？刂葡到y(tǒng)模塊主要包括溫差控制、時間控制和溫度控制。溫差控制器主要控制集熱系統(tǒng)和蓄熱系統(tǒng)的啟停，當溫差大于8 ℃時開啟，低于3 ℃時停止；時間控制主要是蓄熱季和供熱季的控制，蓄熱季節(jié)為4月1日至10月31日，供熱季節(jié)為11月1日至次年3月31日；3種供熱模式之間的切換通過溫度控制，當蓄熱水箱出水溫度高于40 ℃時采用水箱供熱；當水箱出水溫度低于40 ℃，而地埋管出水溫度高于40 ℃時，采用地埋管直接供熱；當以上兩者均不滿足時，采用熱泵供熱。

模擬時間設定為4月1日至次年的3月31日，時間步長為1 h，模擬分析經(jīng)過一個蓄熱季和一個供熱季后，土壤溫度的變化特性及系統(tǒng)的能量損失和效率變化。系統(tǒng)的熱效率指標包括土壤蓄熱率、系統(tǒng)蓄熱率、集熱器熱效率和蓄熱水箱熱效率。土壤蓄熱率為土壤蓄熱量與土壤輸入能量的比值：

3.1 土壤溫度變化分析

圖2所示為土壤全年日平均溫度隨時間的變化。本次模擬中土壤的初始溫度設定為18 ℃。從圖2可以看出，經(jīng)過6個月的蓄熱季，土壤平均溫度由最初的18 ℃上升到45.7 ℃，溫度升高了27.7 ℃，其中9月14日土壤溫度達到最高值為48.5 ℃，9月15日至10月31日，隨著氣溫的降低，蓄熱量減少，土壤的散熱量大于蓄熱量，故溫度略有下降。供熱季隨著土壤直接供熱和熱泵供熱，蓄熱體土壤的溫度逐漸降低，由45.7 ℃降至20.5 ℃，相比于初始的18 ℃，溫度升高2.5 ℃，因此隨著運行年數(shù)的增加，蓄熱土壤的溫度將逐年升高。

3.2 蓄熱土壤能量變化及損失

圖3所示為蓄熱季當月土壤蓄熱量和熱損失隨時間的變化。土壤蓄熱量與熱損失之和即為土壤的輸入能量，集熱量與土壤輸入能量的差值為經(jīng)過蓄熱水箱的熱損失。由圖3可知，集熱器集熱量和土壤得熱量均隨輻射量而變化，7月份達到最大值。

蓄熱季開始時，由于土壤初始溫度低，地埋管換熱器與蓄熱土壤的換熱溫差大，而蓄熱體與周圍土壤的溫差相對較小，故4月份蓄熱土壤內能變化最大，熱損失最少。隨著蓄熱土壤溫度的升高，與地埋管換熱器的傳熱溫差逐漸減小，與周圍土壤的傳熱溫差逐漸增大，因此內能變化逐月減小，熱損失逐月增大。10月份時，隨著氣溫降低和太陽輻射的減少，集熱器集熱量小于蓄熱土壤的散熱量，故10月份內能變化為負值。

蓄熱土壤的熱損失包括蓄熱體底部散熱量、側面散熱量和頂部散熱量，供熱季蓄熱體的供熱量主要包括通過地埋管的直接供熱量和地源熱泵機組的吸熱量。

圖4所示為蓄熱季和供熱季的土壤能量分布。蓄熱季土壤的蓄熱率為42.70%，其余能量均通過蓄熱體的頂部、側面和底部散失，其中側面為蓄熱體的主要散熱面，故側面散熱量遠遠大于頂部和底部散熱量，占輸入能量的54.01%；頂部和底部的散熱面積較小，故散熱量少，但頂層土壤受空氣溫度變化影響，底層土壤相對于頂層土壤來說溫度穩(wěn)定，故底部散熱量占輸入能量的1.50%，小于頂部1.79%的散熱量。

供熱季輸出能量為散熱量、直接供熱量和熱泵吸熱量。由圖2可知，供熱季蓄熱體平均溫度高于40 ℃的時間較短，故土壤直接供熱量較少，占輸出能量的1.24%；大部分供熱量為地源熱泵機組的吸熱量，占輸出能量的80.67%；相較于供熱量，頂部散熱量、側面散熱量和底部散熱量之和較小，僅占18.09%，這是因為當蓄熱體溫度降低時，與周圍土壤的溫差變小，故散熱量減少。

3.3 蓄熱季系統(tǒng)熱效率分析

圖5所示為蓄熱季系統(tǒng)各部分月平均熱效率隨時間的變化。土壤蓄熱率為土壤蓄熱量與土壤輸入能量的比值，系統(tǒng)蓄熱率為土壤蓄熱量與系統(tǒng)輸入能量即集熱器集熱量的比值。由圖5可知，隨著蓄熱時間的延長，土壤蓄熱率和系統(tǒng)蓄熱率逐月下降。結合圖3的分析，4月份開始蓄熱時，蓄熱土壤的初始溫度只有18 ℃，水箱與蓄熱土壤的傳熱溫差大，蓄熱土壤的內能增長最大，故土壤蓄熱率高；隨著蓄熱土壤溫度的升高，土壤蓄熱率逐漸降低，10月份蓄熱體的散熱量大于得熱量，蓄熱土壤內能減小，故土壤蓄熱率變?yōu)樨撝?。同理，系統(tǒng)蓄熱率在4月份最高為87.70%，在10月份降為負值。整個供熱季土壤的平均蓄熱率為42.70%，系統(tǒng)的平均蓄熱率為37.70%。

在蓄熱季，集熱器和水箱熱效率相對穩(wěn)定，集熱器熱效率在40%~85%之間，水箱熱效率在65%~90%之間。結合圖3可知，集熱器熱效率受溫度和輻射量的影響逐月減小。蓄熱水箱熱效率為供熱量與得熱量之比，故蓄熱季影響水箱熱效率的因素主要是集熱器集熱量和蓄熱土壤的能量變化。

3.4 供熱季系統(tǒng)熱效率分析

圖6所示為供熱季太陽能保證率變化和不同供熱方式的運行時間。供熱時間段為全天供熱。結合圖2蓄熱體溫度與氣溫的變化，由于供熱季蓄熱體土壤溫度高于40 ℃的時間僅出現(xiàn)在11月份，故土壤直接供熱方式僅在11月份運行。水箱供熱的運行時間主要受氣溫和輻射強度的影響，氣溫越高，太陽輻射強度越好，水箱供熱時間越長。而當氣溫持續(xù)較低、輻射強度不夠的時候，熱泵供熱時間便會延長。太陽能保證率是指系統(tǒng)中由太陽能供給的熱量占系統(tǒng)總熱負荷的百分率，本系統(tǒng)中由太陽能供給的熱量主要包括水箱供熱和土壤直接供熱兩部分。

由圖6可知，熱泵供熱時間越長，即水箱供熱與土壤直接供熱的時間越短，太陽能保證率就越低。11月份時主要供熱方式為水箱供熱和土壤直接供熱，熱泵供熱時間極短，故11月份的太陽能保證率最高。經(jīng)計算，整個供熱季節(jié)的太陽能保證率為0.3。

    系統(tǒng)COP是系統(tǒng)供熱量與系統(tǒng)能耗的比值，系統(tǒng)的能耗包括泵耗與熱泵機組的能耗。圖7所示為供熱季熱泵機組及系統(tǒng)COP的月平均值隨時間的變化。熱泵機組與系統(tǒng)月平均COP的最大值均出現(xiàn)在11月份，即供熱季開始階段。11月份土壤溫度最高，故機組COP最大，之后隨著土壤溫度的降低而下降。系統(tǒng)中水泵的能耗遠小于熱泵機組的能耗，故對于整個系統(tǒng)，熱泵供熱時間越短，系統(tǒng)COP越大，11月份主要以水箱供熱和土壤直接供熱為主，熱泵運行時間極短，因此11月份的系統(tǒng)COP遠大于機組COP。供熱季機組的平均COP為5.08，系統(tǒng)平均COP為4.81，全年系統(tǒng)COP為系統(tǒng)供熱量與全年能耗之比，大小為3.76，因此系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果。

本文利用TRNSYS軟件對上海地區(qū)復合式太陽能-地源熱泵季節(jié)性蓄熱供熱系統(tǒng)進行模擬，分析了在一個完整的蓄熱季和供熱季，土壤的溫度變化特性、蓄熱土壤的能量變化和分配以及系統(tǒng)熱效率和COP隨時間的變化，得出如下結論：

1）上海地區(qū)復合式太陽能-地源熱泵季節(jié)性蓄熱供熱系統(tǒng)在蓄熱季可實現(xiàn)土壤蓄熱溫度45.7 ℃，經(jīng)過一個供熱季后，蓄熱土壤的平均溫度相比于初始溫度升高2.5 ℃；

2）蓄熱季土壤的熱損失為57.3%，即土壤蓄熱率為42.7%，供熱季土壤的熱損失為18.09%；蓄熱水箱在蓄熱季的得熱量和供熱量均大于供熱季，熱損失相差不大；

3）土壤蓄熱率、系統(tǒng)蓄熱率、集熱器熱效率和水箱熱效率均隨蓄熱時間的增加而減?。?/span>

4） 供熱季11月份太陽能的保證率最大值為0.8，整個供熱季節(jié)的太陽能保證率為0.3；供熱季機組的平均COP為5.08，系統(tǒng)平均COP為4.81，系統(tǒng)全年平均COP為3.76，具有良好的節(jié)能效果。