基于TRNSYS模擬的太陽能土壤耦合熱泵跨季蓄熱效果影響因素分析
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徐飛，季永明，端木琳
（大連理工大學(xué)，遼寧大連116024）
[摘要]太陽能土壤源耦合熱泵是解決寒冷地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)土壤換熱器取熱放熱不平衡問題的一種方法。土壤蓄熱效果與系統(tǒng)眾多因素有關(guān)。本文利用TRNSYS建立系統(tǒng)模型，通過多次模擬，綜合分析了蓄熱溫度、蓄熱流量和蓄熱水箱體積對蓄熱效果和蓄熱過程中耗電量的影響規(guī)律。得到的結(jié)論是蓄熱流量是蓄熱效果和蓄熱耗電量的主要影響因素，蓄熱溫度為次要因素，而蓄熱水箱體積對蓄熱效果和蓄熱耗電量的影響很小。
[關(guān)鍵詞]熱泵；太陽能；地埋管；蓄熱；TRNSYS
O 引言
太陽能一土壤耦合熱泵主要特點是在過渡季利用太陽能集熱器往蓄熱土壤中補充熱量，將熱量儲存在土壤當中，以促進土壤溫度恢復(fù)，保證系統(tǒng)長期運行后土壤溫度不變或者減弱土壤溫度變化程度。而土壤蓄熱過程存在熱量損失，實際蓄到土壤中的熱量并不等于集熱器集得的熱量，而土壤蓄熱過程還會消耗一定的電能。
土壤實際蓄熱量和蓄熱過程的耗電量與蓄熱流量、水箱體積和蓄熱溫度等因素都有關(guān)，了解太陽能一土壤耦合熱泵蓄熱過程的蓄熱規(guī)律，總結(jié)各種因素對蓄熱效果的影響規(guī)律，將有利于設(shè)計出更合理的系統(tǒng)，即以盡可能少的電耗讓土壤儲存盡可能多的熱量。
文獻[14]對太陽能土壤跨季節(jié)蓄熱中的土壤參數(shù)、地埋管結(jié)構(gòu)、蓄熱啟動溫度、蓄熱策略和流體流速等因素進行研究分析，總結(jié)出了各參數(shù)對跨季蓄熱效果影響的規(guī)律。但研究多采用的是控制變量法，即單獨考慮各種因素對蓄熱的影響效果，而未考慮各因素之間的相互影響作用。因此雖然得到了各個因素對蓄熱效果的影響，但是各因素之間的關(guān)系并不明確，同時，在眾多的因素當中，哪些是主要影響因素，哪些是次要影響也不明確。
本文以TRNSYS軟件為平臺，建立太陽能一土壤耦合熱泵系統(tǒng)模型，采用正交實驗的方法，同時考慮多個影響因素的影響作用，通過模擬分析，討論各種因素對土壤蓄熱效果和蓄熱能耗的影響規(guī)律，分析主要影響因素和次要影響因素，為太陽能土壤耦合熱泵優(yōu)化工作提供參考。
1研究方法介紹
集熱器集得的熱量儲存在蓄熱水箱當中，再通過土壤蓄熱循環(huán)水泵將蓄熱水箱中的熱量儲存到土壤當中。在這個過程中土壤參數(shù)、地埋管數(shù)量、地埋管間距、集熱面積、蓄熱水箱體積、蓄熱流量和蓄熱溫度等因素對蓄熱效果和蓄熱能耗均有一定影響。這些因素相互作用，共同影響著土壤的蓄熱效果。
為了綜合考慮各種因素對結(jié)果的影響，需要在一個完整的太陽能土壤耦合熱泵系統(tǒng)中同時考慮所有的影響因素。為了研究需要，本文以大連市某典型辦公建筑為例，首先建立TRNSYS系統(tǒng)模型，然后采用正交實驗方法對各影響因素進行研究分析。正交試驗以研究多因素多水平問題見長，可實現(xiàn)高效全面的方案研究、有效減少試驗次數(shù)的目的。由于正交試驗的原理、構(gòu)造、設(shè)計方法等內(nèi)容復(fù)雜繁瑣，涉及數(shù)學(xué)原理多，可詳見相關(guān)書籍，本文不作贅述。
雖然影響土壤跨季蓄熱效果的因素包括系統(tǒng)負荷、系統(tǒng)地點、土壤參數(shù)、集熱面積、地埋管數(shù)量、水箱體積、蓄熱溫度、蓄熱流量等。但對于一個具體的系統(tǒng)而言，系統(tǒng)負荷、系統(tǒng)地點和土壤參數(shù)是確定的，地埋管數(shù)量和集熱面積通過系統(tǒng)的負荷和土壤參數(shù)計算得到，計算方法見參考文獻。因此本文不討論這些因素的影響，而只對蓄熱溫度、蓄熱流量和蓄熱水箱體積的影響進行分析研究。
本文模擬的系統(tǒng)為大連市某典型辦公建筑太陽能一土壤耦合熱泵系統(tǒng)，建筑面積為16 000 m2，設(shè)計熱負荷為700 kW，年累計熱負荷為604 673 kW-h，年累計冷負荷為25 259 kW-h，累計熱負荷與累計冷負荷之比為2. 33。
根據(jù)建筑基本信息，參考設(shè)計規(guī)范對該建筑太陽能一土壤耦合熱泵系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計170根垂直單U型地埋管，地埋管埋深為100 m，間距為5m，埋管距離土壤表面1.5 m，全部并聯(lián)運行。太陽能集熱器面積為480 m2。土壤初始溫度為13.0℃。
圖1為系統(tǒng)原理圖，集熱器集得熱量僅向土壤中蓄熱，熱泵系統(tǒng)根據(jù)建筑負荷情況運行。夏季集熱系統(tǒng)不工作，熱泵按照制冷工況運行；過渡季熱泵不運行，集熱系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)控制策略向土壤中蓄熱；冬季熱泵根據(jù)建筑負荷間歇運行，當熱泵不工作時蓄熱水箱向土壤中蓄熱。
根據(jù)系統(tǒng)原理在TRNSYS軟件中搭建系統(tǒng)模型。2015年1月23~27日，在大連理工大學(xué)土壤源熱泵系統(tǒng)實驗平臺上進行了冬季工況實驗測試，利用實驗數(shù)據(jù)對TRNSYS系統(tǒng)模型冬季制熱工況進行驗證。
圖3和圖4是地埋管進／出口溫度、熱泵高溫側(cè)進／出口溫度的實驗值與模擬值對比圖。表1為實驗值與模擬值對比情況。由結(jié)果可知模擬值與實驗值比較接近，相對誤差均在15%以內(nèi)，模型滿足要求。模擬值與實驗值的誤差主要由測試儀器、人員、環(huán)境以及模型本身與實物的差異造成。
為研究需要，本文定義蓄熱率K和蓄熱耗電H比兩個物理量。蓄熱率為土壤實際蓄熱量與集熱量的比值，該值越大說明集熱器集得的熱量更多的儲存到了土壤當中。蓄熱耗電比為土壤蓄熱量與耗電量的比值，物理意義為單位耗電量的蓄熱量，反應(yīng)單位耗電量的蓄熱熱量，該值越大說明蓄熱更高效。蓄熱率K和蓄熱耗電比H作為評價蓄熱效果的兩個參數(shù)，其計算式如下。其中蓄熱季地埋管蓄熱量為蓄熱過程中蓄熱土壤從循環(huán)流體得到的熱量。
式中：K為蓄熱率；Q。為蓄熱季集熱器總集熱量，kW·h；Qb為蓄熱季地埋管的蓄熱量，kW-h。
式中：日為蓄熱耗電比；Qb為蓄熱季地埋管的蓄熱量，kW-h；W為蓄熱季蓄熱水泵耗電量，kW-h。
2 正交模擬
本文研究蓄熱流量、蓄熱溫度和蓄熱水箱體積對系統(tǒng)蓄熱效果和蓄熱能耗的影響。該問題可以看做多因素多水平實驗問題，本文采用正交實驗原理進行模擬研究，本文的研究方法是根據(jù)正交實驗的原理進行多次模擬，因此在本文中將正交實驗稱為正交模擬。
2.1 正交模擬設(shè)計
根據(jù)研究對象，分別以蓄熱率和蓄熱耗電比為目標，設(shè)計3因素3水平共9個模擬組進行模擬分析。
水箱體積主要影響水箱水溫（水箱體積對集熱量也有影響，但根據(jù)本模擬結(jié)果來看影響程度不大），結(jié)合大連地區(qū)日輻射量，按照太陽能水箱日溫升15~ 30℃設(shè)計水箱體積范圍為15~ 25m3。
較高的地埋管流量能增加換熱效果，但是降低了換熱時間；較低的流量雖然增加了換熱時間但是降低了地埋管換熱效果，因此不同的蓄熱流量將影響地埋管的蓄熱量。根據(jù)選定的水箱體積和蓄熱溫度，設(shè)計蓄熱時間為20~ 60 min，則可計算得到對應(yīng)的蓄熱流量范圍為20~ 50m3／h。
蓄熱溫度為跨季蓄熱啟動溫度和停止溫度。較高的蓄熱溫度能夠提高單位管長的換熱能力，減少蓄熱時間，降低蓄熱過程中的耗電量，但同時也會增加蓄熱過程中的熱量損失。參考文獻[3，5，7]研究內(nèi)容，本文蓄熱溫度的跨度為17~ 37℃。
為了對模擬結(jié)果進行對比，本文選定水箱體積20 m 3，蓄熱流量為35 m3/h，蓄熱溫度為32/22℃為參考方案，并將方案記為方案A。為了進一步對比增加集熱器之后對蓄熱土壤溫度的影響，在方案A的基礎(chǔ)上去除集熱器，并將該方案記為方案B。
2.2模擬結(jié)果
2. 2.1 以蓄熱率為目標的正交模擬
表3是以蓄熱為目標的正交模擬結(jié)果，對正交模擬結(jié)果進行極差分析可知：首先，各因素對蓄熱率影響程度從大到小依次是蓄熱流量、蓄熱溫度和蓄熱水箱體積；其次，減小流量有利于蓄熱率的提高，降低蓄熱溫度同樣有利于蓄熱率的提高；而最好的因素水平搭配為A1B1C1。
增加地埋管流量，可以提高管內(nèi)流體流速，雖然這能夠強化傳熱提高對流換熱系數(shù)，這有利于蓄熱。但是過高的流速減少了換熱時間，使地埋管出口溫度提高，降低了進出口溫差，這對蓄熱是不利的。模擬結(jié)果表明流量增加后蓄熱量減少了。
提高蓄熱溫度增加了土壤與流體的換熱溫差，增加了單位時間的蓄熱量，但是較高的蓄熱溫度也增加了蓄熱管路中的熱損失，模擬結(jié)果表明提高蓄熱溫度后總的蓄熱量減少了。
極差分析可以定性的得到各個因素對蓄熱效果的影響規(guī)律。再對正交模擬結(jié)果進行方差分析，可以分析得到各個因素對結(jié)果的影響程度的大小。若某因素的F比> Fo，os (2，2)=19.0時，則表明該因素對結(jié)果有顯著影響；若某因素的F比>F。．(2，2)=9.0，則表明該因素對結(jié)果有較顯著影響；若某因素的F比<F。．(2，2)=9.0，則表明該因素對結(jié)果無顯著影響。下表為蓄熱率正交模擬方差分析表。
由結(jié)果可知，蓄熱流量對蓄熱率的影響較為顯著，在3種影響因素當中蓄熱流量是影響蓄熱率的決定性因素，而蓄熱溫度和蓄熱水箱體積對蓄熱率的影響不顯著。
因此要想保證較高的蓄熱率，首先應(yīng)該考慮的因素是蓄熱流量，而蓄熱溫差和蓄熱水箱體積對蓄熱率的影響不大。本模擬中蓄熱流量應(yīng)該選Bl水平。
2.2.2 以蓄熱耗電比為目標的正交模擬
為分析各因素對蓄熱過程中耗電量的影響，進行了以蓄熱耗電比為目標的正交模擬，模擬結(jié)果見表5。
對模擬結(jié)果進行極差分析可知：首先，各因素對蓄熱耗電比影響從大到小依次是蓄熱溫度、蓄熱流量和蓄熱水箱體積；其次，提高蓄熱溫度有利于提高蓄熱耗電比，減少蓄熱流量有利于提高蓄熱耗電比；而最好的因素水平搭配為A3B1C3。
降低蓄熱流量雖然會增加蓄熱水泵的耗電量，但同時提高了土壤的蓄熱量。而增加的耗電量遠小于增加的蓄熱量，因此降低蓄熱流量有利于提高蓄熱耗電比。
提高蓄熱溫度提高了單位時間的蓄熱量，減少了蓄熱時間，因此蓄熱能耗是減少的。表6為蓄熱耗電比正交模擬方差分析。
根據(jù)方差分析結(jié)果可知蓄熱溫度和蓄熱流量對蓄熱耗電比有顯著影響，蓄熱水箱體積對蓄熱耗電比無顯著影響。
因此要想保證較高的蓄熱耗電比，首先應(yīng)該考慮的因素是蓄熱流量和蓄熱溫度，而蓄熱水箱體積對蓄熱耗電比的影響不大。本模擬中蓄熱流量和蓄熱溫度應(yīng)該選B1和C3水平。
2.3最佳蓄熱參數(shù)
通過正交模擬分析可知，蓄熱流量對蓄熱率和蓄熱耗電比都有顯著影響，蓄熱溫度只對蓄熱耗電比有顯著影響，而蓄熱水箱體積對蓄熱率和蓄熱耗電比均無顯著影響。
較小的流量有利于提高蓄熱率和蓄熱耗電比，因此在土壤跨季蓄熱過程中不宜采用過大的流量，但蓄熱流量并不是越小越好。較高的蓄熱溫度有利于提高蓄熱耗電比，不利于提高蓄熱率，但是影響并不顯著。而蓄熱水箱對蓄熱率和蓄熱耗電比的影響均不顯著。
根據(jù)上述分析得出的結(jié)論，對于本系統(tǒng)而言，為保證較高蓄熱率和蓄熱耗電比，各因素的選取水平為A1、B1和C3，對應(yīng)蓄熱水箱體積15 m3，蓄熱流量20m3／h、蓄熱溫度37/27℃。為后文敘述方便，將A1B1C3系統(tǒng)設(shè)計方案記為方案C。
3 結(jié)果分析
通過上述正交模擬分析得到了理論最佳蓄熱方案C，為了比較方案C的蓄熱效果，分別對方案A、B和C進行模擬運行，運行時間為10 a。模擬中每年的負荷情況是相同，3種方案的集熱器面積也相同，因此比較10 a后土壤平均溫度情況，可以反應(yīng)3種方案蓄熱效果的差異。若土壤10 a后土壤溫度高，則說明該中方案蓄熱效率高，即每年將更多的熱量蓄到了土壤當中。圖5是3種方案土壤溫度變化曲線圖，表7是3種方案蓄熱模擬結(jié)果。
由模擬結(jié)果可知，與無蓄熱方案B相比，方案A和方案C均顯著提高了模擬結(jié)束時土壤的溫度。其中方案A提高了1. 15℃，方案C提高了1.47aC。
對比方案A和方案C，二者在過渡季集熱量基本相當，但是方案C的蓄熱量相對于方案A提高了21. 4%，而耗電量卻降低了20. 9%。蓄熱率從66. 75%提高到了80. 73%，蓄熱耗電比從75.9提高到了96. 67。模擬結(jié)束時土壤的溫度也從12. 02℃提高到了12. 34℃。
由模擬結(jié)果可知，通過正交模擬選定的蓄熱方案C，在不增加集熱器面積的情況下，顯著提高了過渡季的蓄熱率和蓄熱耗電比，改善了土壤跨季蓄熱效果。而在提高過渡季蓄熱量的同時并未增加蓄熱耗電量。方案C對系統(tǒng)蓄熱效果改善明顯。
4 結(jié)論
本文對太陽能一土壤源熱泵系統(tǒng)跨季蓄熱效果問題，以蓄熱率和蓄熱耗電比為目標，采用正交模擬的方法對蓄熱水箱體積、蓄熱流量和蓄熱溫度進行了分析，得到的結(jié)論是：
1)在太陽能一土壤耦合熱泵蓄熱過程中，蓄熱量流量不宜過大，相對與大蓄熱流量，較小的蓄熱流量對提高土壤蓄熱效果更為有利。
2)在太陽能一土壤耦合熱泵蓄熱過程中，較高的蓄熱溫度有利于提高蓄熱耗電比而不利于提高蓄熱率。但是蓄熱溫度對蓄熱率的影響并不顯著，而對蓄熱耗電比的影響很顯著。相對于低蓄熱溫度，較高的蓄熱溫度對提高蓄熱效果更為有利。
3)在太陽能一土壤耦合熱泵蓄熱過程中，蓄熱流量是影響蓄熱率和蓄熱耗電比最主要的因素。為保證更優(yōu)的系統(tǒng)，首先應(yīng)該選擇合適的蓄熱流量，其次是蓄熱溫度，而通常蓄熱水箱體積的變化對蓄熱效果無顯著影響。
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