徐飞，季永明，端木琳
（大连理工大学，辽宁大连116024）
[摘要]太阳能土壤源耦合热泵是解决寒冷地区土壤源热泵系统土壤换热器取热放热不平衡问题的一种方法。土壤蓄热效果与系统众多因素有关。本文利用TRNSYS建立系统模型，通过多次模拟，综合分析了蓄热温度、蓄热流量和蓄热水箱体积对蓄热效果和蓄热过程中耗电量的影响规律。得到的结论是蓄热流量是蓄热效果和蓄热耗电量的主要影响因素，蓄热温度为次要因素，而蓄热水箱体积对蓄热效果和蓄热耗电量的影响很小。
[关键词]热泵；太阳能；地埋管；蓄热；TRNSYS
O 引言
太阳能一土壤耦合热泵主要特点是在过渡季利用太阳能集热器往蓄热土壤中补充热量，将热量储存在土壤当中，以促进土壤温度恢复，保证系统长期运行后土壤温度不变或者减弱土壤温度变化程度。而土壤蓄热过程存在热量损失，实际蓄到土壤中的热量并不等于集热器集得的热量，而土壤蓄热过程还会消耗一定的电能。
土壤实际蓄热量和蓄热过程的耗电量与蓄热流量、水箱体积和蓄热温度等因素都有关，了解太阳能一土壤耦合热泵蓄热过程的蓄热规律，总结各种因素对蓄热效果的影响规律，将有利于设计出更合理的系统，即以尽可能少的电耗让土壤储存尽可能多的热量。
文献[14]对太阳能土壤跨季节蓄热中的土壤参数、地埋管结构、蓄热启动温度、蓄热策略和流体流速等因素进行研究分析，总结出了各参数对跨季蓄热效果影响的规律。但研究多采用的是控制变量法，即单独考虑各种因素对蓄热的影响效果，而未考虑各因素之间的相互影响作用。因此虽然得到了各个因素对蓄热效果的影响，但是各因素之间的关系并不明确，同时，在众多的因素当中，哪些是主要影响因素，哪些是次要影响也不明确。
本文以TRNSYS软件为平台，建立太阳能一土壤耦合热泵系统模型，采用正交实验的方法，同时考虑多个影响因素的影响作用，通过模拟分析，讨论各种因素对土壤蓄热效果和蓄热能耗的影响规律，分析主要影响因素和次要影响因素，为太阳能土壤耦合热泵优化工作提供参考。
1研究方法介绍
集热器集得的热量储存在蓄热水箱当中，再通过土壤蓄热循环水泵将蓄热水箱中的热量储存到土壤当中。在这个过程中土壤参数、地埋管数量、地埋管间距、集热面积、蓄热水箱体积、蓄热流量和蓄热温度等因素对蓄热效果和蓄热能耗均有一定影响。这些因素相互作用，共同影响着土壤的蓄热效果。
为了综合考虑各种因素对结果的影响，需要在一个完整的太阳能土壤耦合热泵系统中同时考虑所有的影响因素。为了研究需要，本文以大连市某典型办公建筑为例，首先建立TRNSYS系统模型，然后采用正交实验方法对各影响因素进行研究分析。正交试验以研究多因素多水平问题见长，可实现高效全面的方案研究、有效减少试验次数的目的。由于正交试验的原理、构造、设计方法等内容复杂繁琐，涉及数学原理多，可详见相关书籍，本文不作赘述。
虽然影响土壤跨季蓄热效果的因素包括系统负荷、系统地点、土壤参数、集热面积、地埋管数量、水箱体积、蓄热温度、蓄热流量等。但对于一个具体的系统而言，系统负荷、系统地点和土壤参数是确定的，地埋管数量和集热面积通过系统的负荷和土壤参数计算得到，计算方法见参考文献。因此本文不讨论这些因素的影响，而只对蓄热温度、蓄热流量和蓄热水箱体积的影响进行分析研究。
本文模拟的系统为大连市某典型办公建筑太阳能一土壤耦合热泵系统，建筑面积为16 000 m2，设计热负荷为700 kW，年累计热负荷为604 673 kW-h，年累计冷负荷为25 259 kW-h，累计热负荷与累计冷负荷之比为2. 33。
根据建筑基本信息，参考设计规范对该建筑太阳能一土壤耦合热泵系统设计。系统设计170根垂直单U型地埋管，地埋管埋深为100 m，间距为5m，埋管距离土壤表面1.5 m，全部并联运行。太阳能集热器面积为480 m2。土壤初始温度为13.0℃。
图1为系统原理图，集热器集得热量仅向土壤中蓄热，热泵系统根据建筑负荷情况运行。夏季集热系统不工作，热泵按照制冷工况运行；过渡季热泵不运行，集热系统根据系统控制策略向土壤中蓄热；冬季热泵根据建筑负荷间歇运行，当热泵不工作时蓄热水箱向土壤中蓄热。
根据系统原理在TRNSYS软件中搭建系统模型。2015年1月23~27日，在大连理工大学土壤源热泵系统实验平台上进行了冬季工况实验测试，利用实验数据对TRNSYS系统模型冬季制热工况进行验证。
图3和图4是地埋管进／出口温度、热泵高温侧进／出口温度的实验值与模拟值对比图。表1为实验值与模拟值对比情况。由结果可知模拟值与实验值比较接近，相对误差均在15%以内，模型满足要求。模拟值与实验值的误差主要由测试仪器、人员、环境以及模型本身与实物的差异造成。
为研究需要，本文定义蓄热率K和蓄热耗电H比两个物理量。蓄热率为土壤实际蓄热量与集热量的比值，该值越大说明集热器集得的热量更多的储存到了土壤当中。蓄热耗电比为土壤蓄热量与耗电量的比值，物理意义为单位耗电量的蓄热量，反应单位耗电量的蓄热热量，该值越大说明蓄热更高效。蓄热率K和蓄热耗电比H作为评价蓄热效果的两个参数，其计算式如下。其中蓄热季地埋管蓄热量为蓄热过程中蓄热土壤从循环流体得到的热量。
式中：K为蓄热率；Q。为蓄热季集热器总集热量，kW·h；Qb为蓄热季地埋管的蓄热量，kW-h。
式中：日为蓄热耗电比；Qb为蓄热季地埋管的蓄热量，kW-h；W为蓄热季蓄热水泵耗电量，kW-h。
2 正交模拟
本文研究蓄热流量、蓄热温度和蓄热水箱体积对系统蓄热效果和蓄热能耗的影响。该问题可以看做多因素多水平实验问题，本文采用正交实验原理进行模拟研究，本文的研究方法是根据正交实验的原理进行多次模拟，因此在本文中将正交实验称为正交模拟。
2.1 正交模拟设计
根据研究对象，分别以蓄热率和蓄热耗电比为目标，设计3因素3水平共9个模拟组进行模拟分析。
水箱体积主要影响水箱水温（水箱体积对集热量也有影响，但根据本模拟结果来看影响程度不大），结合大连地区日辐射量，按照太阳能水箱日温升15~ 30℃设计水箱体积范围为15~ 25m3。
较高的地埋管流量能增加换热效果，但是降低了换热时间；较低的流量虽然增加了换热时间但是降低了地埋管换热效果，因此不同的蓄热流量将影响地埋管的蓄热量。根据选定的水箱体积和蓄热温度，设计蓄热时间为20~ 60 min，则可计算得到对应的蓄热流量范围为20~ 50m3／h。
蓄热温度为跨季蓄热启动温度和停止温度。较高的蓄热温度能够提高单位管长的换热能力，减少蓄热时间，降低蓄热过程中的耗电量，但同时也会增加蓄热过程中的热量损失。参考文献[3，5，7]研究内容，本文蓄热温度的跨度为17~ 37℃。
为了对模拟结果进行对比，本文选定水箱体积20 m 3，蓄热流量为35 m3/h，蓄热温度为32/22℃为参考方案，并将方案记为方案A。为了进一步对比增加集热器之后对蓄热土壤温度的影响，在方案A的基础上去除集热器，并将该方案记为方案B。
2.2模拟结果
2. 2.1 以蓄热率为目标的正交模拟
表3是以蓄热为目标的正交模拟结果，对正交模拟结果进行极差分析可知：首先，各因素对蓄热率影响程度从大到小依次是蓄热流量、蓄热温度和蓄热水箱体积；其次，减小流量有利于蓄热率的提高，降低蓄热温度同样有利于蓄热率的提高；而最好的因素水平搭配为A1B1C1。
增加地埋管流量，可以提高管内流体流速，虽然这能够强化传热提高对流换热系数，这有利于蓄热。但是过高的流速减少了换热时间，使地埋管出口温度提高，降低了进出口温差，这对蓄热是不利的。模拟结果表明流量增加后蓄热量减少了。
提高蓄热温度增加了土壤与流体的换热温差，增加了单位时间的蓄热量，但是较高的蓄热温度也增加了蓄热管路中的热损失，模拟结果表明提高蓄热温度后总的蓄热量减少了。
极差分析可以定性的得到各个因素对蓄热效果的影响规律。再对正交模拟结果进行方差分析，可以分析得到各个因素对结果的影响程度的大小。若某因素的F比> Fo，os (2，2)=19.0时，则表明该因素对结果有显著影响；若某因素的F比>F。．(2，2)=9.0，则表明该因素对结果有较显著影响；若某因素的F比<F。．(2，2)=9.0，则表明该因素对结果无显著影响。下表为蓄热率正交模拟方差分析表。
由结果可知，蓄热流量对蓄热率的影响较为显著，在3种影响因素当中蓄热流量是影响蓄热率的决定性因素，而蓄热温度和蓄热水箱体积对蓄热率的影响不显著。
因此要想保证较高的蓄热率，首先应该考虑的因素是蓄热流量，而蓄热温差和蓄热水箱体积对蓄热率的影响不大。本模拟中蓄热流量应该选Bl水平。
2.2.2 以蓄热耗电比为目标的正交模拟
为分析各因素对蓄热过程中耗电量的影响，进行了以蓄热耗电比为目标的正交模拟，模拟结果见表5。
对模拟结果进行极差分析可知：首先，各因素对蓄热耗电比影响从大到小依次是蓄热温度、蓄热流量和蓄热水箱体积；其次，提高蓄热温度有利于提高蓄热耗电比，减少蓄热流量有利于提高蓄热耗电比；而最好的因素水平搭配为A3B1C3。
降低蓄热流量虽然会增加蓄热水泵的耗电量，但同时提高了土壤的蓄热量。而增加的耗电量远小于增加的蓄热量，因此降低蓄热流量有利于提高蓄热耗电比。
提高蓄热温度提高了单位时间的蓄热量，减少了蓄热时间，因此蓄热能耗是减少的。表6为蓄热耗电比正交模拟方差分析。
根据方差分析结果可知蓄热温度和蓄热流量对蓄热耗电比有显著影响，蓄热水箱体积对蓄热耗电比无显著影响。
因此要想保证较高的蓄热耗电比，首先应该考虑的因素是蓄热流量和蓄热温度，而蓄热水箱体积对蓄热耗电比的影响不大。本模拟中蓄热流量和蓄热温度应该选B1和C3水平。
2.3最佳蓄热参数
通过正交模拟分析可知，蓄热流量对蓄热率和蓄热耗电比都有显著影响，蓄热温度只对蓄热耗电比有显著影响，而蓄热水箱体积对蓄热率和蓄热耗电比均无显著影响。
较小的流量有利于提高蓄热率和蓄热耗电比，因此在土壤跨季蓄热过程中不宜采用过大的流量，但蓄热流量并不是越小越好。较高的蓄热温度有利于提高蓄热耗电比，不利于提高蓄热率，但是影响并不显著。而蓄热水箱对蓄热率和蓄热耗电比的影响均不显著。
根据上述分析得出的结论，对于本系统而言，为保证较高蓄热率和蓄热耗电比，各因素的选取水平为A1、B1和C3，对应蓄热水箱体积15 m3，蓄热流量20m3／h、蓄热温度37/27℃。为后文叙述方便，将A1B1C3系统设计方案记为方案C。
3 结果分析
通过上述正交模拟分析得到了理论最佳蓄热方案C，为了比较方案C的蓄热效果，分别对方案A、B和C进行模拟运行，运行时间为10 a。模拟中每年的负荷情况是相同，3种方案的集热器面积也相同，因此比较10 a后土壤平均温度情况，可以反应3种方案蓄热效果的差异。若土壤10 a后土壤温度高，则说明该中方案蓄热效率高，即每年将更多的热量蓄到了土壤当中。图5是3种方案土壤温度变化曲线图，表7是3种方案蓄热模拟结果。
由模拟结果可知，与无蓄热方案B相比，方案A和方案C均显著提高了模拟结束时土壤的温度。其中方案A提高了1. 15℃，方案C提高了1.47aC。
对比方案A和方案C，二者在过渡季集热量基本相当，但是方案C的蓄热量相对于方案A提高了21. 4%，而耗电量却降低了20. 9%。蓄热率从66. 75%提高到了80. 73%，蓄热耗电比从75.9提高到了96. 67。模拟结束时土壤的温度也从12. 02℃提高到了12. 34℃。
由模拟结果可知，通过正交模拟选定的蓄热方案C，在不增加集热器面积的情况下，显著提高了过渡季的蓄热率和蓄热耗电比，改善了土壤跨季蓄热效果。而在提高过渡季蓄热量的同时并未增加蓄热耗电量。方案C对系统蓄热效果改善明显。
4 结论
本文对太阳能一土壤源热泵系统跨季蓄热效果问题，以蓄热率和蓄热耗电比为目标，采用正交模拟的方法对蓄热水箱体积、蓄热流量和蓄热温度进行了分析，得到的结论是：
1)在太阳能一土壤耦合热泵蓄热过程中，蓄热量流量不宜过大，相对与大蓄热流量，较小的蓄热流量对提高土壤蓄热效果更为有利。
2)在太阳能一土壤耦合热泵蓄热过程中，较高的蓄热温度有利于提高蓄热耗电比而不利于提高蓄热率。但是蓄热温度对蓄热率的影响并不显著，而对蓄热耗电比的影响很显著。相对于低蓄热温度，较高的蓄热温度对提高蓄热效果更为有利。
3)在太阳能一土壤耦合热泵蓄热过程中，蓄热流量是影响蓄热率和蓄热耗电比最主要的因素。为保证更优的系统，首先应该选择合适的蓄热流量，其次是蓄热温度，而通常蓄热水箱体积的变化对蓄热效果无显著影响。
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