（哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028）

0 引言

随着经济的发展，人们对于建筑内环境舒适性的标准也在提高，致使用在建筑供能的一次能源消耗量与日俱增［1］。针对这一现状，有学者提出采用土壤源热泵系统供能的清洁能源利用方式，但将其应用在供暖需求大、土壤平均温度偏低的严寒地区将导致严重的依靠土壤自身无法恢复的热失衡问题［2］，从而系统无法长期高效运行［3］。为此将太阳能作为辅助热源引入到土壤源热泵系统中，以期解决土壤热失衡问题成为中外学者的研究热点［4-5］。

近年来，相关学者将太阳能辅助土壤源热泵系统与传统供暖系统进行了比较，发现该系统运行成本较低［6］，但初投资较大［7］，而太阳能集热器是导致系统初投资较大的主要因素［8］。同时，部分学者对系统运行模式及控制策略等方面开展了研究［9］。另外，Mohammad 等［10］通过模拟得出太阳能辅助土壤源热泵系统、土壤源热泵系统冬季热泵机组COP最高分别可达6.2，4.6。但由于该耦合系统在严寒地区的实际工程案例较少，加之试验成本较高，故通过试验的方法优化系统中集热器面积的研究较少，这也是其未在严寒地区推广应用的重要因素之一。

鉴于此，本文以哈尔滨松北区某太阳能辅助土壤源热泵系统为研究对象，自行搭建热泵试验台，采用TRNSYS软件按照试验台设计参数搭建系统模型，利用实测数据验证模型可靠性，并以土壤热失衡率不超过1%为评价标准确定相对最优集热器面积，进而得出适用于本文研究对象的集热器面积与换热器长度的关系。本文研究工作将为后续更为深入的系统配置优化研究提供一定的借鉴作用

1 试验台

1.1 建筑概况

本文以哈尔滨松北区某小型办公建筑的太阳能辅助土壤源热泵系统为研究对象，建筑面积为462 m2，全年最大冷热负荷按面积热指标法进行计算［11］，经计算得知最大热负荷为34.65 kW，总热负荷为2 032.36 kW。最大冷负荷为28.72 kW，总冷负荷为949.47 kW。

1.2 系统设计

系统原理如图1所示。

图1 系统原理

依据最大热负荷选取热泵型号，选用一台LFKT-30S热泵机组，额定制热量为35 kW，采用R22作为制冷剂。采用工程该算法得出冬夏季垂直单U型地埋管换热器取放热量分别为1 596.9，1 171 kW，通过岩土热响应试验测得试验地点土壤初始温度为8.6 ℃、换热器单位延米换热量为30 W/m，试验装置原理如图2所示，随后确定出满足建筑冷热负荷需求的埋管长度为1 200 m，共布置12个单孔深度为100 m的换热井。真空管太阳能集热器布置在楼顶，依据换热器全年取放热量之差得出所需太阳能蓄热量为425.9 kW，根据 GB50 495-2009［12］结合文献［13］计算得出集热器面积为43 m2，蓄热水箱容积为2.4 m3，热水水箱容积为0.3 m3。

图2 岩土热响应试验装置原理

1.3 试验数据监测

试验中温度测量仪器主要布置在室外、集热器、埋管换热器、及用户侧供水进出口处以及沿钻井 10，30，50，70，95 m 处。功耗测量仪布置在热泵机组及循环水泵处。各测量仪器安置好后，分多次前往试验地点采集所需数据，并剔除试验坏值。

2 试验方案

本文中，热源侧采用太阳能辅助土壤源热泵系统，负荷侧采用风机盘管加新风系统。在8：00～18:00期间若热水不满足用户需求时开启辅助加热设备加热生活热水水箱。土壤源热泵系统开启时间为7：00～18:00，负荷侧系统开启时间为8：00～18:00。本文提出在供冷间歇运行及过渡季时加入太阳能对土壤蓄热模式，以期太阳能利用率最大化。热源侧系统运行模式按季度进行划分：冬季（10月15日～次年4月15日）、夏季（6月15日～8月15日）、过渡季（4月15日～6月15日，8月15日～10月15日），具体运行方案见表1。

3 系统仿真模块选取与验证

本文以瞬态系统仿软件TRNSYS作为模拟平台，该软件具有模块化、形象化的独特特点。依据试验台系统设计搭建太阳能辅助土壤源热泵供暖系统，按照试验台的参数以及试验测得的数据设置各模块参数，随后对所选部件设置相应的控制信号，进而完成系统模拟。由于该软件涉及到的各部件数学模型现已成熟，文中只对各模块进行简要概述。

3.1 模型假设

因系统各部件之间的能量输运过程较复杂，若要完全还原系统供能情况很难完成。为了使模型简化的同时又具有可靠性，故做如下几点假设：（1）试验地点岩土质地均匀，且无地下水流动；（2）假设岩土温度场对称分布；（3）忽略集热器表面污渍对集热效率的影响；（4）系统整体运行是造成的部件损耗忽略不计。

3.2 太阳能集热器模块

本文采用真空管太阳能集热器，模块型号为Type71，该模块在二次效率曲线和双轴入射角修正值（IAM）基础上建立。使用Hottel-Whillier模型［14］来评估模拟步长内的热力学特性，其数学模型与文献［15］一致。

3.3 热泵机组模块

因本文提出太阳能辅助土壤源热泵系统在夏季供冷间歇运行时加入太阳能蓄热水箱对土壤蓄热模式，故需针对热泵机组全年制冷、制热运行工况进行分析。热泵机组COP数学表达式为：

式中 COP——热泵机组制冷性能系数；

Cap——热泵机组制冷量，kJ/h；

P——制冷工况下热泵耗功量，kJ/h。

3.4 地埋管换热器模块

本文采用基于DST（Duct Ground Heat Storage）的地埋管换热器模型，模块型号为Type557a，埋管内流体进行对流换热，埋管与土壤之间为纯导热，认为埋管是关于中心对称的垂直柱热源。该模型将土壤温度划分为3大部分；总体换热、局部换热以及管内流体流动温度。其数学模型与文献［16］一致。

3.5 模型验证

众所周知，严寒地区建筑全年所需总热负荷远大于总冷负荷，因此本文通过供暖期典型日1月1日某一房间的平均温度、负荷侧供水温度及全年逐月集热器集热量来验证文中所建模型的准确性，并绘制如图3所示的曲线。

图3 模拟值与试验值比较

从图中可看出，各参数的试验值与模拟值之间的误差较小，最大相对误差分别为2.89%，3.00%，9.60%。整体来看误差均在允许范围内，因此该模型具有一定的准确性，可用于后续研究。

4 模拟结果分析与讨论

利用本文所建系统模型，以1月1日0：00时为起点，对太阳能辅助土壤源热泵系统供能后土壤平均温变特性进行为期1a的数值模拟。计算得到埋管侧土壤平均温度由最初的8.60 ℃升高到8.69 ℃。全年土壤平均温度变化如图4所示。

图4 全年土壤平均温度逐时变化情况

由此可以看出，不考虑系统供能建筑所处环境、地理位置以及系统中各主要部件的能量输配过程等因素，直接按照能量守恒原则设计集热器面积大小（即冬季埋管取热量等于夏季及过渡季太阳能蓄热量之和）将导致与实际工程中所需最优集热器面积大小产生误差，这直接影响到系统的初投资，这也是其不被广泛推广的原因之一。

在地埋管换热器埋深设计过程中，是以其完全承担建筑最大冷热负荷为原则，进而系统中太阳能集热器面积的大小可任意选择并不会在很大程度上影响到系统第一年的供能特性。故本文在建筑内环境的舒适性得以保证的前提下，系统其余参数不变，将太阳能集热器面积从43 m2开始以5%的缩小比例递减。从表2可知，当集热器面积下降到38.80 m2后，土壤平均温度下降梯度明显变大，若按土壤热失衡率不超过1%为评判标准，则 40.85，38.80，36.90 m2中之一即为此次试验台的最优集热器面积。因此本文将3种工况依次命名为工况一、二、三，以便后续研究。

表2 不同太阳能集热器面积对应下的土壤平均温度

4.1 确定相对最优集热器面积

4.1.1 热泵机组性能分析

图5示出3种工况的全年逐月热泵机组COP对比，从图中可以看出3种工况在冬季时的热泵机组COP最大值出现在1月份，依次为3.69，3.65，3.20，从供暖初期到结束，整体呈现先增大后减小的趋势。这是由于在系统各主要部件设计选型时，热泵机组是按建筑全年所需最大热负荷进行选取。供暖初末期建筑所需热负荷较少，致使热泵机组偏离最佳工况运行，且频繁启停导致能耗略显增加。相比而言，在热负荷需求较大的12月份及1月份时，有太阳能的辅助，机组在最佳工况下运行，进而热泵机组在整个供暖期呈现先增后减的趋势。夏季热泵机组COP最大值出现在7月份，依次为 6.00，6.12，6.20，整个供冷季同样出现先增后减的趋势，导致这一现象的原因与供暖季相同，这里不再赘述。

图5 3种工况全年逐月热泵机组COP对比

尽管3种工况在供暖、供冷时的热泵机组COP波动幅度基本一致，但在冬夏季时呈现出不同的性能优劣。在供暖季时，工况一、二的热泵机组COP相差不大且优于工况三。这是由于在本文设计的温控允许范围内，太阳能集热器收集的热量在冬季可进一步提升地埋管换热器出口温度，进而提升机组蒸发器进口温度，使得机组供能性能有所提升。在供冷季时，3种工况的热泵机组COP相差不大，但其供能优势与冬季恰恰相反。这是由于严寒地区夏季日照强度大，太阳能蓄热效率高，为确保系统连年运行引起的严重土壤热失衡问题能够得到更好的解决，本文提出夏季在供冷间歇运行时加入太阳能进行土壤蓄热模式。正因如此，太阳能集热器面积越大，埋管侧土壤温度越高，导致热泵机组冷凝器进口温度升高，影响了机组供能性能。

4.1.2 系统运行10 a土壤温变特性分析

图6示出系统运行10 a土壤平均温度逐时变化情况。从图中可以看出，太阳能的加入有效缓解了严寒地区采用土壤源热泵系统供能引起的土壤热失衡问题。3种工况引起的土壤热失衡率依次为3.00%，1.16%，7.56%，由此可以得出，在太阳能辅助土壤源热泵系统中，太阳能集热器面积的选取将直接决定该系统在严寒地区长期应用的可行性。

图6 系统运行10 a土壤平均温度逐时变化

综合上述分析得出工况二为本文研究对象的相对最优集热器面积，其数值为38.8 m2，这与系统最初设计时相差10%，此误差可为今后对严寒地区小型太阳能辅助土壤源热泵系统中集热器面积初步估算设计时提供参考。

4.2 地埋管长度与集热器面积的关系

为探究小型太阳能辅助土壤热泵系统中地埋管长度与集热器面积的关系，在4.1节的基础上，利用本文所建系统仿真模型，其他参数不变，将地埋管长度以100 m的比例进行递减，按照相同的评判标准经过多次试算确定相对最优集热器面积见表3。

表3 地埋管长度与相对最优集热器面积的关系

从表3中可以看出，太阳能集热器面积与地埋管长度呈负相关关系。地埋管长度每减少100 m，太阳能集热器面积大约需增16 m2。这是由于整个系统的主要热源来自于土壤，而地埋管换热器正是土壤与机组之间的能量转换装置，若想保持冬季建筑内环境的舒适性，势必会增加单位土壤蓄热体的取热量，这将导致埋管侧土壤平均温度严重失衡，维持土壤热平衡所需的太阳能集热器面积变大。通过对表中数据进行分析，可得到两者之间的变化曲线如图7所示。

图7 地埋管长度与太阳能集热器面积的关系

通过数值分析软件对图中数据点进行拟合，可以得到地埋管长度L与太阳能集热器面积A的数学表达式。

拟合判定系数：R2=0.992 64

拟合方程：L=1 407.097 42-5.411 57A

5 结论

（1）太阳能辅助土壤源热泵系统应用在以供暖为主的严寒地区，夏季系统制冷间歇运行时，可以采取适当的方式利用太阳能对土壤蓄热，这对本文提出的小型复合式热泵系统制冷效果影响不大，还可提高蓄热效率，以期将太阳能利用率最大化。

（2）针对462 m2的小型办公建筑，在哈尔滨松北区条件下，若以能量守恒原则设计系统中太阳能集热器面积大小，可适当缩减10%。由于该值是在模拟情况下得出，利用该值修正时，应综合考虑当地的土壤质地、日照强度等因素是否与本文研究对象一致，避免造成不必要的损失。

（3）在本文的研究背景下，每增加1 m2太阳能集热器可减少5.4 m长的地埋管用量。在进行系统设计计算时应综合考虑当地物价标准，选取两者最优匹配值，以期减少系统初投资。