太阳能辅助地源热泵供暖实验研究（校报）4.9

太阳能辅助地源热泵供暖实验研究

赵忠超1，丰威仙1，巩学梅2，米浩君1，成 华1，云 龙1

*

（1. 江苏科技大学 能源与动力工程学院，镇江 212003；2. 宁波工程学院 建筑工程学院，宁波 315016） 摘 要：选取宁波某公用建筑的太阳能-地源热泵复合系统为实验系统，对太阳能辅助地源热泵（Solar Assisted Ground Source Heat Pump，SAGSHP）供暖进行了实验研究。研究结果表明：与单一的地源热泵（Ground Source Heat Pump，GSHP）相比，当太阳能承担41.9%负荷时，热泵机组和整个系统的能效比（Coefficient of Performance，COP）分别提高了15.1%和7.7%，SAGSHP供暖运行模式具有明显的性能优势。 关键词：太阳能辅助地源热泵；实验研究；能效比 中图分类号： TU832.1 文献标志码： A

Experimental study of a solar assisted ground

source heat pump for heating

Zhao Zhongchao1, Feng Weixian1, Gong Xuemei2, Mi Haojun1, Cheng Hua1, Yun Long1

（1.School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China;

2. School of Architecture and Civil Engineering, Ningbo University of Technology, Ningbo 315016, China）

Abstract: An experimental study is performed to determine the performance of the solar assisted ground source heat pump（SAGSHP）by using a solar-ground source heat pump hybrid system in the city of Ningbo. The result shows that comparing with the ground source heat pump（GSHP）, when the ratio of solar energy to the whole energy is 41.9%, the coefficient of performance（COP）of the heat pump and system can improve 15.1% and 7.7%, respectively. Therefore, the solar assisted ground source heat pump has a significant performance advantage according to the experimental study result. Keywords: solar assisted ground source heat pumps; experimental study; coefficient of performance

1 太阳能-地源热泵是一种使用清洁可再生能

泵复合系统的模拟提出了最佳配置和运行方式

[10]

源、环保、低能耗的理想系统。自1956年Penrod提出太阳能集热器与地源热泵组合的设想[1]并于1969年给出系统的设计过程和方法后[2-3]，学者们对该类系统进行了大量研究[4-8]。进入21世纪，随着世界各国对能源与环境问题更加重视，太阳能-地源热泵系统的研究得到了进一步的发展。Andrew D.Chiasson与Cenk Yavuzturk首次以TRNSYS为模拟平台，证明了在寒冷地区，混合地源热泵系统在经济上是可行的，节能效果明显

[9]

。程武山等人设计了太阳能-地源热泵复合控制

系统，该系统实现了多能源的综合互补利用，同时，系统将模糊PID智能算法与自动变频急速相结合，提高了对采暖末端温度的控制精度，降低能耗[11]。

目前，针对太阳能-地源热泵复合系统研究技术手段主要采用理论分析和模拟分析，而采用实验研究较少，缺乏太阳能与地源热泵联合运行的实验数据，对其运行性能缺乏足够的认识。因此对太阳能-地源热泵复合系统进行实验研究，对掌

。在国内，冯晓梅等人通过对太阳能与地源热

收稿日期: 2014-02-25

基金项目: 国家自然基金（51205177）；江苏省自然基金（BK2012277）

作者简介: 赵忠超（1975—），男，山东青岛人，博士，副教授，主要从事建筑节能、强化传热方面的研究. 联系方式：18362890156，E-mail: zhongchaozhao@just.edu.cn

握其运行特性，具有重要意义。本文利用宁波某公用建筑的复合系统，对太阳能辅助地源热泵供暖进行实验研究，获得了SAGSHP供暖运行特性变化规律，验证了太阳能辅助地源热泵供暖性能优于地源热泵单独供暖，SAGSHP供暖在技术上是完全可行的。

相同的独立的太阳能-地源热泵复合系统组成，如图1所示。系统主要包括六个部分：水源热泵机组、地埋管换热系统、空调末端系统、自动控制系统、太阳能集热系统和生活热水系统。其中，两套系统的空调末端相互独立，GSHP系统对该建筑右边9个办公室进行供暖，SAGSHP系统对左边9个办公室供暖，建筑左右两边办公室规格及热负荷皆相同。系统的主要设备及性能参数如表1所示。通过四通换向阀，系统在供暖模式和制冷模式间转换。

1 实验系统

为了研究太阳能辅助地源热泵的供暖性能，文中对宁波某公用建筑的太阳能-地源热泵复合系统进行实验研究。该实验系统由两套机组参数

图1 太阳能-地源热泵复合实验系统图 Fig.1 Schematic diagram of experimental system

表1 实验系统主要设备与性能参数 Table1 The main characteristics of system

序号 1 2 3 4 5 6 7

设备名称 水-水型热泵机组 冷冻水泵 生活热水泵 太阳能集热器 生活热水箱 地埋侧循环水泵 地埋管换热器

主要性能参数

制冷量：18.5kW，制冷功率：3.9kW；制热量：27.5kW，制热功率：5.1kW，数量：1×2 流量：4.5m3/h，扬程：26m，功率：0.75kW，数量：1×2 流量：1.2m3/h，扬程：10m，功率：160W，数量：1×2 集热面积：9.95m2×2 容积：200L，数量：1×2

流量：5.5m3/h，扬程：22m，功率：0.75kW，数量：1×2

两管制垂直埋管式换热系统，钻孔间距：4m，有效井深：75m，数量：8×2

2 运行模式

通过阀门的开启与关闭，该空调系统可进行

多种运行模式。本文主要研究冬季工况下的GSHP供暖模式和SAGSHP供暖模式。

1）GSHP供暖模式

此时，地埋管换热器与热泵机组的蒸发器相接，空调末端与冷凝器相接，通过制冷剂循环，不断从地下土壤中吸收热量供暖。从图1可看出，当阀门1~2、8、10和15开启，阀门3~7、9及11~14关闭时，地埋侧循环水仅在蒸发器和地埋管间循环流动，热泵只能通过地埋管换热器从土壤中吸收热量，地源热泵单独供暖。若室内供暖要求不高时，负荷侧水泵2驱动地埋管系统内水直接通过风机盘管供暖。此时，阀门3~4、8、10和15开启，阀门1~2、5~7、9和12~14关闭，地埋管换热系统直接供暖。 2）SAGSHP供暖模式

在此模式下，太阳能集热器将太阳能转化为热能并将热量转移至生活热水箱的热水中。太阳能部分的换热采取温差控制，即系统的启停取决于热水温度(Thw)和地埋管回水温度(T2)。当T2

3 实验结果及分析

在冬季工况下，对GSHP供暖以及SAGSHP供暖进行实验研究。实验期为2011年11月30日至2012年2月30日。每天早上8:30同时启动两套系统，分别按GSHP供暖模式以及SAGSHP供暖模式连续运行8个小时，16:30同时关闭系统。计量设备的性能参数见表2，该工程配备一个数据采集装置。运行期间，采集装置每隔30秒自动采集一次负荷侧供回水温度和流量、地埋管侧供回水温度和流量、热泵机组功率及太阳辐照度等模拟信号，通过组态软件中的显示模块将采集数据图形化。由于数据庞大，经过计算分析发现每天系统的参数变化曲线趋势相同，故选取系统运行期间具有代表性时间段（8：30—12：00）进行分析。两系统的地埋管回水温度随时间变化规律如图2所示，图3为热泵机组的某一时段的平均功率。表3为实验数据，其中T1~T6为某一

时段的平均温度（T1为GSHP供暖地埋管供水温度，T2为回水温度；T3为SAGSHP供暖地埋管供水温度，T4为回水温度；T5为室内供水温度，T6为回水温度），v1~v2为某一段时间的平均流量（v1为负荷侧流量，v2为地源侧流量），Whp1~Whp2为某一时段热泵机组的平均功率（Whp1为GSHP供暖时机组的功率，Whp2为SAGSHP供暖时机组的功率），G为某一时段内太阳辐照度。表4为实验研究中获得的太阳能辅助地源热泵的计算结果。

图2 地埋管侧回水温度

Fig.2 The inlet water temperature of ground heat

exchanger

图3 热泵机组的功率 Fig.3 The power of heat pump units

从图2可看出，SAGSHP供暖时的地埋管侧回水温度明显高于GSHP单独供暖。这是由于单一热源的地源热泵系统地埋管侧循环水仅在蒸发器与地埋管间循环流动，而加入太阳能辅助热源后循环水除了与土壤换热外，还可从生活热水箱的热水中吸收热量。地源热泵单独供暖时，地埋管侧回水（进入蒸发器）的平均温度为18℃，而加入太阳能作为辅助热源后，地埋管侧回水平均温度升至20.4℃。

热泵机组的功率随时间的变化规律如图3所示，两种运行模式下的热泵耗功曲线变化基本相同，均是随着运行时间的增加，耗功量逐渐增大，至10:30左右时达到最大值（SAGSHP供暖时，机组功率为4.8kW，GSHP供暖时，机组功率为5.5kW），机组停止运行30分钟，之后重新启动。地源热泵单独供暖时，供暖负荷主要由土壤和电

能承担，而如上所述使用太阳能作为辅助热源后地埋管回水温度升高，故土壤负荷锐减，热泵耗功也随之减少，使用太阳能辅助热源供暖时的耗功量明显少于地源热泵单独供暖时热泵耗功量。地源热泵单独供暖时，热泵机组的平均功率为5.3kW，而加入太阳能作为辅助热源后，热泵机组的平均功率降至4.5kW。

热泵机组COP计算公式：

Q (1)

COP??Whp式中，Q为运行期间供给室内的总热量，J；Whp为热泵机组的瞬时功率，W。

系统COP计算公式：

Q (2) COP??Whp?W?p供给室内热量的计算公式：

Q?c?v(T5?T6) (3) 3600式中，c为负荷侧循环水的比热容，J/（kg.℃）；

v为负荷侧循环水流量，m3/h；?为循环水的密度，kg/m3；T5为负荷侧供水温度，℃；T6为负

荷侧回水温度，℃。

太阳能作为辅助热源，可利用公式（4）计算集热系统总集热量[12]：

Q1??AGt (4) 式中，Q1为太阳能集热器的集热量，J；?为太阳能集热器的效率，??0.8005?5.56Ti；Ti为归一化温差，根据参考文献[13]，Ti?0.0269；A为太阳能集热器采光面积，m2；W/m2；G为辐照度，

??t为系统运行的时间，s。

式中，W?P为水泵等其他设备的瞬时功率，W。

表2 计量设备性能参数

Table 2 The characteristics of measure equipments

设备 温度传感器 流量传感器 功率传感器 数量 4×2 2×2 1×2 安装位置

热源侧和负荷侧总供、回水管 热源侧和负荷侧供水管 热泵机组配电输入端 精度 +0.1℃ +0.1m3/h +0.1kW 表3 实验数据及计算结果

Table 3 The experimental datum and the calculated values 时间 8:30-8:40 8:40-8:50 8:50-9:00 9:00-9:10 9:10-9:20 9:20-9:30 9:30-9:40 9:40-9:50 9:50-10:00 10:00-10:10 10:10-10:20 10:20-10:30 10:30-10:35 10:35-10:40 10:40-10:50 10:50-11:00 11:00-11:10 T1/℃ 14.9 15.6 15.9 15.9 16.3 16.3 16.4 16.5 16.5 16.6 16.5 16.5 17.0 17.3 16.4 16.2 16.2 T2/℃ 17.3 18.0 18.0 17.6 18.0 17.9 18.1 18.0 18.3 18.0 17.9 17.9 17.9 17.9 17.9 18.1 18.1 T3/℃ 17.5 18.3 18.6 18.6 19.1 19.2 19.4 19.7 19.8 20.0 19.9 19.9 20.4 20.8 20.0 19.9 19.9 T4/℃ 18.8 19.7 19.7 19.5 20.0 20.0 20.3 20.3 20.8 20.6 20.6 20.7 20.8 20.8 20.8 21.1 21.1 T5/℃ 31.5 42.4 46.3 46.8 47.0 47.3 47.7 47.8 48.5 48.6 48.9 49.1 46.6 44.1 45.4 46.8 46.9 T6/℃ 27.8 37.5 42.4 43.3 44.0 44.2 44.5 45.0 44.8 44.9 45.1 45.3 43.6 41.9 42.2 43.9 44.0 v1/m3/h 4481 4435 4408 4388 4379 4366 4358 4353 4348 4345 4343 4344 4328 4330 4337 4343 3923 v2/m3/h 6353 6343 6323 6324 6317 6317 6296 6293 6290 6285 6287 6285 6273 6295 6281 6273 6268 Whp1/kW 5.1 5.1 5.2 5.2 5.3 5.3 5.3 5.4 5.4 5.4 5.5 5.5 0.0 4.5 5.0 5.3 5.5 Whp2/kW 4.5 4.4 4.5 4.6 4.5 4.5 4.6 4.7 4.7 4.7 4.8 4.8 4.2 0.0 4.5 4.6 4.3 G/W/m2 298.4 269.3 279.1 278.1 310.7 459.3 448.7 494.1 380.6 336.1 328.9 318.1 400.1 460.3 533.3 821.8 982.5 11:10-10:20 11:20-11:25 11:25-11:30 11:30-11:35 11:35-11:45 11:45-11:50 11:50-12:00 17.1 17.3 16.6 16.6 16.6 16.7 16.8 18.3 18.4 18.0 18.0 18.1 18.1 18.0 20.8 21.1 20.4 20.4 20.4 20.5 20.7 21.4 21.5 21.2 21.2 21.4 21.4 21.4 45.2 44.8 47.0 47.0 49.2 48.3 46.5 43.4 43.2 43.2 43.2 46.0 44.9 42.7 3980 3787 3788 3795 3796 3786 3791 6608 6284 6275 6284 6287 6301 6280 0.0 0.0 5.2 5.4 0.0 0.0 5.3 0.0 0.0 4.7 4.7 0.0 4.7 4.7 1159.8 1354.6 1431.4 1081.6 1276.0 1251.1 1320.5 表4 计算结果

Table 4 The calculated values 埋管吸热量/kJ 集热系统集热量/kJ 热泵吸热量/kJ 热泵耗电能/kJ 系统耗电能/kJ 建筑物实际供热量/kJ SAGSHP供暖时机组的平均COP 2408.69 1736.07 4144.76 1643.00 2220.57 6257.50 3.8 SAGSHP供暖时系统的平均COP GSHP供暖时机组的平均COP GSHP供暖时系统的平均COP 机组COP增量 系统COP增量 建筑物理论供热量/kJ 热不平衡率 2.8 3.3 2.6 15.1% 7.7% 5787.76 7.5% 由表4可以看出，SAGSHP供暖时其机组COP以及整个系统的COP均比GSHP单独供暖高，即SAGSHP供暖运行模式的性能要优于GSHP。SAGSHP供暖时机组和系统的平均COP分别为3.8和2.8，GSHP单独供暖时机组和系统的平均COP分别为3.3和2.6。进一步分析表4可得，当土壤与太阳能所承担的负荷比例分别为58.1%（2408.69kJ）与41.9%（1736.07kJ）时，使用太阳能作为辅助热源，机组和系统的平均COP分别提高了15.1%和7.7%。比较空调系统实际供热量与理论供热量（热泵的能耗与地埋管吸热量之和），获得热不平衡率为7.5%，实验系统设计及实验手段较为合理。总之，增加太阳能辅助加热设备后，冬季地埋管换热器回水温度和能效比均有较大提高。所以，从技术上来讲，增加辅助加热设备是完全可行的。

0.8kW，热泵机组的COP提高了15.1%，整个系统的COP提高了7.7%，SAGSHP运行模式具有明显的性能优势。工程实践研究结果表明SAGSHP供暖节能效果显著，增加辅助加热设备在技术上是完全可行的。

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4 结 论

本文选取宁波某公用建筑的太阳能-地源热泵复合系统作为实验系统，对GSHP单独供暖及SAGSHP供暖进行实验研究。通过上述实验研究以及分析讨论，获得以下结论：与单一的地源热泵相比，当太阳能承担41.9%负荷时，地埋管侧回水温度提高了2.4℃，热泵机组耗功量减少了

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ox38.html