太阳能跨季节储热系统非供热季运行参数的试验与模拟可行性研究报告.docx
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太阳能跨季节储热系统非供热季运行参数的试验与模拟可行性研究报告
太阳能跨季节储热系统非供热季运行参数的试验与模拟可行性研究报告
1绪论
1.1课题研究背景及意义
1.1.1发展背景
能源是国民经济的重要基础，社会的进步和科技的发展都与之息息相关。
虽然我国的能源储量较为丰富，但是它的分布不均，东多西少，在地域上的利用受到了极大的限制。
而且资源利用率较低，人均占有量少，使得传统能源的储量越来越少。
如果人们不加节制的开采、滥用，总有一天，化石能源会枯竭，全球经济发展也会受到致命的冲击。
解决能源危机显得刻不容缓。
大力发展可再生能源是目前解决能源问题的有效方案。
而同时，建筑能耗在能源消耗中占得很大比例。
龙惟定教授经过分析得出，我国建筑能耗在总能耗中的比例大致应在20%左右，其中10～13%是采暖能耗，7～10%是其他能耗[1]。
清华建筑节能研究中心建立的建筑能耗模型数据也显示，2006年我国建筑总商品能源消耗占当年全社会一次能源消耗的23.1%[2]。
由这些数据，我们可以知道，要想降低整个社会的能源消耗，建筑节能必定占有一个非常重要的地位。
而将可再生能源应用到建筑上面，是新时期缓解能源危机的一个重要措施，将会推动全社会健康、持续的发展。
从而可再生能源中的地热能和太阳能在建筑上的利用受到越来越多的重视，但它们单独利用中都存在着很多缺点。
利用浅层地热能的地源热泵在运行过程中会随着使用年数的增加而导致地温逐渐降低，蒸发温度也会降低，从而使系统整体的性能系数下降。
太阳能利用过程中易受气候条件的影响，特别是晴天和阴天的太阳辐射量差别很大，对集热装置和蓄热装置的合理性设计提出了难题。
而且太阳能不易储存，造成大量太阳能资源的浪费。
因而人们对太阳能地源热泵联合使用技术的研究逐渐增多。
1.1.2课题研究的目的及意义
而近年来发展的新技术，太阳能地源热泵系统的跨季节蓄热，更是推动了可再生能源的利用。
因为太阳能资源分布均匀，在冬季的时候太阳辐射不是很强，但是在夏季的太阳辐射较强。
因此，把除冬季外的太阳能通过蓄热装置储存到土壤中，可以减小太阳能利用所受到的限制，降低系统的投资。
太阳能跨季节地源热泵系统的利用是有很多的优点，而一些实验和模拟研究也初步证明了系统运行的优越性，但是进一步探讨太阳能跨季节储热系统的运行策略也是有必要的。
本文针对太阳能跨季节系统非供热季进行研究，通过实验和模拟找到合适的运行参数，进一步提高太阳能的储热效率，使地温得到提升，进而使系统的蒸发温度提高，从而提高整体系统的性能系数，对建筑节能、缓解环境污染和推动社会经济发展都有重大意义。
1.2课题的研究现状
1.2.1国外研究现状
彭德罗在20世纪50年代提出组合埋地盘管和太阳能集热器的思想。
在60年代末，他又给出了包括整体的太阳能-地源热泵体系的设计过程[3]。
随着环境压力的增大和能源危机，太阳能地源热泵的利用技术受到越来越多人的重视。
特别是进入21世纪以来，应用和研究变得日益增多。
V.Badescu[4]对有储能设备的太阳能热泵供暖系统进行了模拟研究，系统中太阳能向压缩机供给工作能量。
加入储热设备使得能量的供给更加稳定。
同时初步的结果表明储能装置的尺寸大小对压缩机能量的供给有比较大的影响，并且储能装置对系统的稳定性也有利。
OnderOzgener[5]等对用于温室加热的太阳能辅助地源热泵系统进行了实验性能方面的研究，并且对这种系统的热力损失以及成本两者之间的关系做了进一步的调查。
Trillat-berdal[6]等对建立在180m2住宅中的太阳能地源热泵系统进行了TRNSYS研究模拟，同时对它进行了实验性能分析。
系统本身满足当地的供冷热需求和生活用水。
当水温达到一定的要求，剩下的太阳热量经过地埋向地下储存。
研究的结果表明：
系统有利于增长太阳能集热器的运行时间，防止太阳能集热器出现过热现象，有利于土壤保持平衡。
另外，结果得到在供暖模式的情况下，系统的热泵平均COP值达到3.75。
R.Yumrutas等[7]对具有季节性地下蓄能装置的太阳能热泵系统进行了分析研究。
并用编程分析计算了水箱水温的变化和地下土壤周围的温度场的变化。
研究的结果表明：
土壤类型会对整个系统的性能和土壤的储热区域的温度场产生影响。
由这由这些发展历程可以看出，国外的研究较早，研究国外发展现状有助于我们对先进技术的把握。
1.2.2国内研究现状
我国开始对地源热泵系统的研究较晚。
从上个世纪80年代开始，我国的一些科研工作者才开始了大量的研究，通过研究掌握了一定的技术，并有一部分工程在实际中得到应用，取得一定的成功。
而对于太阳能地源热泵系统的很多研究是在近些年来。
天津商学院最先对太阳能热泵与土壤热源热泵系统进行了研究。
他们对太阳能-土壤热源热泵系统交替供暖的性能进行了实验研究，研究表明：
太阳能热泵的平均供热率为2334W，平均供热系数为2.73；土壤热泵的相应参数为2298W和2.83；太阳能-土壤热泵的相应参数为2316W和2.78[8]。
而进入21世纪以来，很多学者和大学都开始了对太阳能地源热泵系统的研究。
而很多研究都集中在系统试验性能和运行模式的研究上，并对影响系统性能的因素作了分析，例如有无蓄热水箱的影响，蓄热水箱体积大小的影响等。
王如竹、旷玉辉等[9]，在最冷月的气候条件下，针对太阳能热泵供暖的情况作了实验研究，并且把太阳能热泵的供蓄热作为基本的运行方式。
研究得出运行系统在冬天供暖的情况下，其中的蓄热水箱起到热平衡的作用，让系统运行起来更加稳定。
而同样在2002年，哈尔滨工业大学的余延顺等[10]对寒冷地区的太阳能地源热泵系统，建立土壤模拟模型，对比分析了运行比和土壤的温度恢复率之间的关系。
通过对比热泵不同启停比和地下温度场的恢复情况，得出了周期性最佳的运行时间和太阳能保证率，进一步对集热器面积的确定提供依据。
杨卫波、董华等[11]对太阳能土壤源热泵系统不同联合供暖模式作了大量的模拟研究。
模式一是在地埋管与集热器串联的情形下，流体先通过埋管之后再经过太阳能集热器；模式二的流经顺序与模式一相反；模式三则是在两者并联的情况下。
针对在有无蓄热水箱的三种模式，对它们的水箱蓄放热、集热器集热量和效率以及地埋管的吸热量进行了研究。
结果表明：
相对于单独供暖的情形，联合供暖的运行模式显示出它的优势，在节能方面显示了很好的效果。
联合供暖模式二比其它模式效果更佳。
有蓄热水箱的情况与没有水箱的情况节能率分别为14.5%和10.4%，有蓄热水箱供暖的情况下比没有蓄热水箱供暖的效果更好。
2008年李朝佳等[12]对太阳能辅助地源热泵联合供暖运行形式进行了分析。
研究得出：
增加太阳能的辅助供热，有利于使系统向地下得排热过程与取热过程保持平衡。
因此，使得运行机组和地下土壤温度场更加稳定。
而近十年内，对太阳能跨季节储热的研究也逐渐增多。
2007年，天津大学的赵军等[13]对天津地区某项目建立了计算模型，建立在实验的基础上，用软件模拟了跨季节蓄热的效果，并对不同的运行模式作了对比。
又对跨季节蓄热的可行性以及不同运行模式对土壤温度场的影响作了研究。
结果表明：
不同的运行模式有着不相同的热利用效果，蓄热场在温度恢复的方面也存在较为明显的差异。
交叉运行比部分运行模式更具有优势，两种交叉模式中是更具有优势的是从外围先取热的情况。
哈尔滨工业大学的韩宗伟等[14]对太阳能季节性土壤蓄热热泵供暖系统和系统在冬、夏两季的主要运行模式进行了研究，经过建立模型确定了系统各个不同运行模式下的转换条件。
之后张文雍等[15]针对严寒地区太阳能—地源热泵系统在冬季初期土壤温度过低问题，在原有的系统基础上提出了跨季节储热的方案，把除冬季外收集的热量通过地埋管储存在土壤中，在冬季把储存的热量取出进行供暖。
并对哈尔滨市郊区的一幢独立建筑进行了实验研究。
结果证明了跨季节储热的情况是可行的，通过蓄热可以提高地埋管周围的土壤温度，从而提高了系统的供暖系数。
王恩宇、齐承英等[16]对天津某个太阳能跨季节储热系统的供热模式作了研究，并分析了三种供热的模式，其中把跨季节储热的系统作为了试验的模式，另外两种土壤热泵作为对比。
并对储热过程和取热过程的土壤温度进行观察分析，研究发现土壤的自动恢复的能力与取热速率的不同都会对系统的地温变化产生影响。
2010年，杨华等[17]对太阳能跨季节储热耦合热泵系统的性能进行了分析，并使用VB软件建立了仿真模型。
对在运行过程中的许多参数，包括系统的启停温度、水箱体积的大小对系统的影响作了分析。
并提出在对系统进行性能分析时，需要考虑影响性能因素的优化配置。
2012年，王恩宇等[18]利用瞬时系统模拟软件TRNSYS，对太阳能地源热泵联合系统进行了模拟，并对地温的变化进行了分析。
同时，对于太阳能辅助地源热泵系统而言，从土壤中取走的热量比向地下储存的热量少，因此地温会逐渐的提高，有利于提高热泵的性能系数。
研究得出，储热过程的启动温度、停止温度或者温差都会对系统和热泵的性能系数产生影响。
底冰、马重芳等对太阳能跨季节蓄能热泵系统作了实验方面的研究。
研究得出，跨季节土壤蓄热有利于减缓非供暖季节的集热器过热问题，使得系统更加稳定运行。
采用以黏土与粉土为主要介质的地下蓄热体蓄热，使用热泵机组提取跨季节储热时，取热率可达23%[19]。
1.3本课题研究内容和方法
1.3.1研究内容
本课题以河北工业大学节能实验中心的太阳能辅助地源热泵系统为研究对象，对SAGSHP非供热季（即储热季）进行监测，具体研究内容如下：
（1）学习掌握节能楼SAGSHPS的运行原理，了解太阳能跨季节储热过程。
对节能楼的数据进行采集，包括天气数据、集热数据、储热数据、集热泵和储热泵电量消耗数据以及小井群地温数据。
之后，分析集热过程和储热过程的温度变化曲线，了解集热过程和储热过程在不同的不停运行参数控制策略下温度变化的趋势以及运行时间的长短。
从而，分析出从实验结果得出的运行策略。
（2）了解太阳能跨季节储热非供热季节系统的集热过程、储热过程、控制策略以及运行特点，从而利用TRNSYS16仿真模拟软件建立太阳能跨季节储热非供热季节系统的模型。
通过验证使建立的模型尽可能接近实际运行的状况。
在验证的过程中，利用典型天的数据计算及初始参数的输入，得到典型天的模拟曲线，并与实际的数据进行对比分析，从而不断调整参数，得到与实际比较符合模型。
（3）利用已经建立好的太阳能跨季节储热系统非供热季节TRNSYS16仿真模型，输入实际的气象参数、初始地温以及集热循环启动温差、集热循环停止温差、储热循环启动温度和储热循环停止温差初始运行参数等边界条件。
运行模型，观察分析模拟曲线。
改变运行参数，模拟分析不同运行策略下的集热量、储热量以及地温的变化趋势，通过不同运行策略下地温对比分析，得出太阳能跨季节储热系统的运行控制策略。
同时，将模拟的结果与实验的分析结果进行对比，从而给出整个非供热季的最佳给定参数控制策略。
（4）将气象数据、初始地温以及最佳的运行参数输入到TRNSYS16模型中，进而进行下一步预测。
1.3.2研究方法
因为本课题的主要内容是对太阳能跨季节储热系统控制策略的研究，而这个过程以实验为辅，数值模拟为主。
那么主要的研究方法可按照数值模拟的技术路线来安排。
具体的研究方法如下：
（1）建立TRNSYS模型，而在建立模型的过程中首先要分析系统包括哪几部分，建立每一部分模块，如建立太阳能集热器、蓄热水箱和地埋管热交换器等模型，然后按照太阳能跨季节储热系统的运行特点连接各部分。
把初步建立好的模型进行验证，输入典型天数据，可以通过观察集热过程和储热过程的温度变化曲线等来验证模型是否合理。
（2）使建立的TRNSYS模型尽可能接近实际情况。
因为主要是对非供热季进行储热，可以把储热过程划分不同阶段，分为初期、中期和末期阶段，在每个阶段选出两个或两个以上的典型天气，并把天气数据输入到模型中，也包括一些其它的边界条件。
在给定状况下，输入一些初始运行参数，比如集热循环启动温差10℃，集热循环停止温差3℃，储热循环启动温度50℃，储热循环停止温差5℃。
之后就可以进行试验参数的调节了。
由于运行参数的变量有四个，要想分析影响因素，需要进行单一变量模拟。
第一步：
使储热参数不变，调节集热循环中的集热参数，即集热启动温差和集热停止温差，启动温差的变化数值为6℃、8℃、10℃、12℃和15℃；停止温差变化的数值为1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃和7℃，并把集热量和储热量模拟出来。
第二步：
使集热参数不变，调节储热循环中的储热参数，即储热循环启动时的水箱温度和储热停止温差。
使储热启动温度的参数调节分别是35℃、38℃、40℃、43℃、45℃、48℃、50℃、52℃、和55℃；使储热停止温差变化数值分别为1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃和7℃，最后把集热量和储热量模拟出来。
（3）将得到的数据分析，从相同条件下不同给定参数的运行对地温的影响程度来确定最大限度利用太阳能的优选参数。
将模拟和实验的结果进行分析验证，从而得出太阳能辅助地源热泵非供热季的参数控制策略。
再将控制策略输入到建立的模型中，进一步预测地温的变化。
2太阳能跨季节储热系统非供热季简介
2.1节能楼建筑概况
节能实验中心（如图1）位于天津市北辰区河北工业大学新校区内，地处北纬39.238°，东经117.066°，太阳能资源相对来说较为丰富。
节能楼的建筑面积为4953.4m2，高度为22m，分为上下四层，方向为南北偏东20°。
实验中心可用科研实验研究和教师办公，特别是可作为建筑节能、可再生能源等研究的实验平台。
节能楼于2011年10月投入使用。
图1节能楼建筑外观图
2.2太阳能跨季节储热系统的组成
节能楼的太阳能辅助地源热泵系统（Solar-assistedgroundsourceheatpump，简称SAGSHP），系统主要由太阳能集热器、地埋管换热器、蓄热水箱、地源热泵机组以及集热水泵、储热水泵等组成。
而太阳能跨季节储热系统是SAGSHP的重要组成部分，在非供热季，地源热泵机组没有运行。
2.2.1太阳能集热器
如图2所示，太阳能集热器阵列位于屋顶南向斜面，它的倾角为25°，方向为南偏东21°。
太阳能集热器的阵列是由54组型号为LPC47-1550的真空管集热器并联而成，结构均为横双排，它的采光总面积为280m2。
图2太阳能集热器实物照片
2.2.2蓄热水箱
如图3所示，蓄热水箱位于太阳能集热器和地埋管储热小井群之间，它不但在冬季的时候会起到供热缓冲的作用，在夏季的时候还会有调峰的作用。
蓄热水箱由两个水箱并联组成，每个水箱的尺寸为2m×2.5m×2m，其材质为不锈钢内胆，外包有0.5mm加强钢板，它的壁厚为2mm，底厚为3mm。
图3蓄热水箱实物照片
2.2.3储热地埋管小井群
如图4所示，储热地埋管小井群配置25口井，回填材料为原浆。
钻孔的深度为50米，间距为2.5米，整体形成一个正方形结构。
25个钻孔分为三组，中心9个为一组，外围16个分为两组，每组内并联，各组间串联，使内部温度高而外部温度低形成不同的温度梯度，有利于热量的蓄积。
钻孔内的垂直埋管的管径为32mm，承压1.6MPa，其水平支管位于地下1.6m处。
其中储热井群的土壤温度是m-1#、m-2#、m-3#以及m-4#四口井的平均温度。
图4储热地埋管小井群水平管示意图
2.3太阳能跨季节储热非供热季系统的控制过程
太阳能跨季节储热非供热季系统为太阳能辅助地源热泵系统的一部分，在非供热季通过蓄热装置将太阳能储存到土壤中。
太阳能跨季节储热系统分为两个运行过程，即集热循环过程和储热循环过程（如图3）。
集热过程是达到集热启动条件后，向蓄热水箱蓄热，经过换热过程后经蓄热水箱集热出口流回到太阳能集热器。
当小于设定的集热停止温差时，集热过程停止。
储热过程是达到储热启动条件后，从蓄热水箱向地埋管储热，当小于设定的储热停止温差后，储热过程停止。
图3太阳能—地源热泵系统示意图
3太阳能跨季节储热系统的试验分析
根据毕业设计内容的要求，对节能楼太阳能跨季节储热系统进行了试验分析，并针对太阳能跨季节储热系统确立了试验方案，之后对采集到的数据进行了分析，最后得出从目前结果来看的优选参数。
3.1试验过程
3.1.1试验目的
节能楼太阳能辅助地源热泵系统分为供热季和非供热季，本课题主要研究非供热季的运行情况。
在非供热阶段，经过供热季的取热，小井群的地温达到最低，而后经过太阳能跨季节储热阶段，小井群地温逐渐升高。
如图4所示，这些数据显示，经过储热过程，小井群地温是缓缓上升的。
所以研究太阳能跨季节储热系统不同阶段的运行策略，有利于提高太阳能的利用率，同时尽可能的提高地温，进而提高系统的性能系数，保证系统的长期运行。
图42013年非供热季小井群井m1温度变换曲线
3.1.2试验方案
在非供热季不同阶段调节运行参数，分别计算出不同阶段的结果，具体的实施步骤如下。
（1）保证储热参数不变，调节集热循环启停温差，得出对应工况下每天的集热量、集热效率、储热量、储热效率、泵耗电量以及井群地温的变化幅度。
（2）保证集热参数不变，调节储热循环启动温度、停止温差，得出对应工况下每天的集热量、集热效率、储热量、储热效率、泵耗电量以及井群地温的变化幅度。
（3）根据1、2得出的结论针对性的试着同时进行集热、储热参数的调节，得出对应工况下每天的集热量、集热效率、储热量、储热效率、泵耗电量以及井群地温的变化幅度。
3.2集热和储热过程的温度曲线分析
在机组运行时，不同运行参数下的集热过程和储热过程温度变化曲线是不同的。
从实验中找出有代表性的几天进行分析。
图5、6、7分别是3月23日、3月25日、3月27日的集储热进出口温度以及水箱温度的变化曲线，三天设置的储热启动温度分别为50℃、55℃、40℃。
对比图6和图7，在55℃的储热启动温度下，储热没有启动，说明设置的储热温度太高。
而在40℃储热启动温度下，储热时间较长，导致泵耗量增加，储热温度设置过高和过低都是不可取的。
因此，应该选择合适的储热启动温度。
图5集热、储热供回水及水箱温度随时间的变化曲线（3月23日）
在23日这一天，设置的运行参数是集热启动温差10℃、集热停止温差3℃、储热启动温度50℃和储热停止温差5℃。
由图5分析得，在9:
20集热循环过程启动。
在集热开始后，集热出口温度下降，水箱温度一直上升，这是由于集热出口水与水箱进行换热的作用。
在经过一段时间后，集热出口和水箱的换热基本达到动态平衡状态，集热出口温度不再下降。
而后，由于太阳能集热器集热的原因，集热出口的温度缓慢上升。
在11:
40左右储热循环开始后，太阳辐射和储热的共同作用，集热出口温度下降。
对于水箱温度变化较为简单，集热开始，水箱温度上升；储热开始，水箱温度下降。
因此，水箱温度的设置对集热和储热过程都有影响。
对于集热回水温度，集热开始后，水箱温度的上升使得出口水温上升；储热开始后，由于水箱温度的下降，集热回水温度也会下降。
之后，由于地埋管换热器与土壤换热作用的减弱，储热回水温度上升，集热回水温度随之上升。
而对于储热出口温度和储热回水温度，随着储热过程的进行，一个下降一个上升。
但是随着储热过程的进行，储热出水温度和回水温度变化较为缓慢，是因为换热过程温度差减小的原因。
图6集热、储热供回水及水箱温度随时间的变化曲线（3月25日）
在25日这一天，设置的运行参数是集热启动温差10℃、集热停止温差3℃、储热启动温度55℃和储热停止温差5℃。
由图6分析可得，系统只有集热过程而没有储热过程，等到集热过程结束时，水箱温度仍然没有达到储热启动温度，说明储热启动温度设置的太高。
因此，虽然水箱温度高有利于储热过程进行，但设置太高的话，集热效果较差，达不到储热温度，就有可能不能启动储热。
同时，若是只有集热而没有储热过程的话，水箱的温度较高，水箱的散热量增大，造成了不必要的能量浪费。
图7集热、储热供回水及水箱温度随时间的变化曲线（3月27日）
在27日这一天，设置的运行参数是集热启动温差10℃、集热停止温差3℃、储热启动温度40℃和储热停止温差3℃。
由图7分析可得，集热开始后的短时间内，储热过程就已经启动。
说明储热启动温度设置较低的话，储热过程启动较早，储热过程运行的时间较长，但是泵耗量随之增加。
因此，要仔细权衡泵耗量和储热量之间的关系，才能得出最佳的储热温度。
3.3太阳能跨季节储热系统数据处理
由于实际系统在运行时，运行参数在不断地调整，而参数可能单变量的调整，也可能多变量的调整，而分析数据时，应该对单一变量对结果的不同进行分析，得出最佳的运行策略。
如果观察地温的变化，结果可能不是那么的明显，因此，可以对集热效率和储热效率进行分析，选出储热总效率=集热效率×储热效率最大的参数作为优选参数。
效率的计算公式如下所示：
集热效率=
；储热效率=
按照此方案数据处理后，整理的数据分析如下表所示：
表1不同天集热量、储热量以及储热效率的数据分析表
日期
集热量（kWh）
储热量（kWh）
储热效率
2015/3/23
1308
905
0.6520
2015/3/24
1117
593
0.5309
2015/3/25
747
2015/3/26
1154
973
0.8432
2015/3/27
1033
623
0.6031
2015/3/28
932
513
0.5504
2015/3/29
932
583
0.6255
2015/3/30
880
501
0.5693
2015/3/31
2015/4/1
2015/4/2
2015/4/3
1461
883
0.6044
表1是针对不同天中，某些天储热效率明显较高的分析。
由表分析可得，分析天的储热效率在50%-60%之间。
在3月23日，3月26日和4月3日时，储热效率比较高。
特别是在3月26日这一天，储热效率达到0.8432，这是因为在这前一天，只有集热而没有储热，将剩余的热量保留到第二天，导致蓄热水箱开始时的温度较高。
因此，较高的初始水箱温度容易达到储热启动温度，提早了储热启动的时间，有利于储热过程的进行，进而提高了储热效率。
表2在相同的集热启停参数为6℃、3℃以及储热停止参数3℃下，不同水箱温度的集热量、储热量以及储热效率的分析如下所示。
表2不同水箱温度下储热效率的数据分析表
日期
水箱温度（℃）
集热量（kWh）
储热量（kWh）
储热效率
2015/4/8
35
927
528
0.5696
2015/3/30
40
880
501
0.5693
2015/4/9
1121
611
0.5450
2015/4/10
1150
637
0.5539
2015/4/11
844
472
0.5592
2015/4/16
1601
920
0.5746
2015/4/19
296
0
0
2015/4/12
45
0
0
0
2015/4/13
1454
787
0.5413
2015/4/17
1256
704
0.5605
2015/4/20
1445
905
0.6263
2015/4/18
50
449
255
0.5679
由表2分析可得，在不同的水箱温度下，太阳能跨季节储热系统的储热效率的变化并不大，并且同一设置运行参数下会出现不同的储热效率。
如在2015年4月9日这一天，设置的水箱温度为40℃，储热效率为0.5450。
比4月8日设置35℃时的储热效率0.5696低，但是在4月16日设置水箱温度为40℃的储热效率0.5746又比4月8日的储热效率高，因此，用实验数据
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