CN114623489A - 太阳能-土壤复合热泵跨季节蓄能系统的应用方法 - Google Patents

太阳能-土壤复合热泵跨季节蓄能系统的应用方法 Download PDF

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CN114623489A CN202210269630.3A CN202210269630A CN114623489A CN 114623489 A CN114623489 A CN 114623489A CN 202210269630 A CN202210269630 A CN 202210269630A CN 114623489 A CN114623489 A CN 114623489A
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Abstract

本发明公开了一种太阳能‑土壤复合热泵跨季节蓄能系统的应用方法，跨季节蓄能系统包括控制器、太阳能集热器、地埋管换热器、热泵机组、岩土热物性测试设备、循环水泵和中间换热器，太阳能集热器的集热量通过热泵机组、中间换热器间接输送至地埋管换热器，并将太阳能热能储存在地下土壤中；循环泵连通岩土热物性测试设备与地埋管换热器来测试土壤数据；该系统应用方法包括以下步骤：估算累积取热量与累积排热量、判断累积取热量与累积排热量的差值，若累积取热量大于累积排热量则计算弥补热失衡所需的太阳能集热器面积，岩土热物性参数测试，设计地埋管换热器。本发明采用太阳能与土壤源相结合的供热系统，通过设计太阳能集热器来实现跨季节蓄热。

Description

太阳能-土壤复合热泵跨季节蓄能系统的应用方法
技术领域
本发明属于可再生能源应用技术领域，尤其涉及一种太阳能-土壤复合热泵跨季节蓄能系统的应用方法。
背景技术
目前，太阳能与地热能是建筑领域应用最广泛的新能源，但太阳能与土壤源热泵单独应用在建筑供暖方面效果并不理想。其中，土壤源热泵系统的应用已非常成熟，但是土壤源热泵在北方寒冷地区长年运行下，会产生土壤温度场失衡问题。因此，急需研发如何结合太阳能与土壤源来实现太阳能对土壤进行辅助补热，以解决土壤热失衡问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能-土壤复合热泵跨季节蓄能系统的应用方法，旨在解决上述现有技术中单独应用土壤源热泵系统供暖会造成土壤热失衡的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种太阳能-土壤复合热泵跨季节蓄能系统的应用方法，所述跨季节蓄能系统包括控制器、太阳能集热器、地埋管换热器、热泵机组、岩土热物性测试设备、循环水泵和中间换热器，太阳能集热器的集热量通过中间换热器间接输送至地埋管换热器，并将热量储存在地下土壤中；循环泵连通岩土热物性测试设备与地埋管换热器来测试土壤数据；所述跨季节蓄能系统的应用方法包括以下步骤：
A、分析建筑负荷，结合供暖与制冷负荷的计算情况和热泵机组性能参数，估算跨季节蓄能系统的累积取热量与累积排热量；
B、判断累积取热量与累积排热量的差值，若累积取热量大于累积排热量则进行步骤C，若累积取热量小于累积排热量则不需要进行补热；
C、计算弥补热失衡所需的太阳能集热器面积；
D、岩土热物性参数测试：获取岩土体综合导热系数、容积比热容、初始温度；
E、设计地埋管换热器：将岩土热物性参数，集热器建筑的累积排热量、累积吸热量，太阳能集热器的集热量及地埋管换热器参数输入地源热泵计算软件中，确定地埋管换热器的长度和钻孔数量。
优选的，步骤B中，所述跨季节蓄能系统的累积取热量与累积排热量计算公式如下：
Figure BDA0003554109700000021
Figure BDA0003554109700000022
式中：
Qh、Qc-跨季节蓄能系统累积取热量与累积排热量(kWh)；
Figure BDA0003554109700000023
-建筑累积热负荷(kWh)，qhi为逐时热负荷，n为供暖小时数；
Figure BDA0003554109700000024
-建筑累积冷负荷(kWh)，qci为逐时冷负荷，n为制冷小时数；
COPs-热泵机组供暖工况下的季节能效系数；
EERs-热泵机组供冷工况下的季节能效系数；
累积取热量与累积排热量的比值用综合指标
Figure BDA0003554109700000025
表示如下：
Figure BDA0003554109700000026
式中：
Figure BDA0003554109700000027
表示跨季节蓄能系统累积取热量大于累积排热量，则有采用太阳能跨季节蓄热的必要性；
Figure BDA0003554109700000031
表示跨季节蓄能系统累积排热量大于等于累积取热量，不适宜采用太阳能跨季节蓄热。
优选的，步骤C中，太阳能集热器面积的计算公式如下：
Figure BDA0003554109700000032
ΔQ＝Qh-Qc (5)
A＝α×Ac (6)
式中：
Ac-所需太阳能集热器面积(m2)；
ΔQ-系统累积冬季取热量与夏季排热量差值(kWh)；
f-太阳能保证率，对于跨季节蓄热太阳能-土壤复合热泵系统，取1；
JT-当地太阳能集热器采光面上的年平均太阳辐照量(MJ/m2)；
ηcd-太阳能集热器的年平均集热效率，根据经验取值宜为0.45～0.50，或者取太阳能集热器产品的实际测试结果或产品生产企业提供的数据；
ηl-贮水箱和管路的热损失，根据经验取值宜为0.20～0.30。
A-安装太阳能集热器所需要的面积(m2)；
α-考虑集热器类型和布置方式的修正系数。
优选的，步骤D中，岩土体的综合导热系数、岩土体的容积比热容由以下两公式得出：
Figure BDA0003554109700000033
Figure BDA0003554109700000034
式中：
Tf——地埋管换热器进出水平均温度(℃)；
Tff——岩土体初始平均温度(℃)；
ql——单位长度埋管释放的热流量(W/m)；
Rb——测试孔内热阻(m·K/W)；
db——测试孔直径(m)；
ρscs——埋管周围岩土体的平均容积比热容(J/(m3·℃))；
τ——时间(s)；
di——地埋管内径(m)；
do——地埋管外径(m)；
λp——地埋管管壁导热系数(W/(m·K))；
λb——测试孔回填材料导热系数(W/(m·K))；
λs——埋管周围岩土体的导热系数(W/(m·K))；
h——循环水与地埋管管壁之间的表面传热系数(W/(m2·K))；
Tff即为岩土体初始温度，经测量即得；
其中，τ为设定数据，db、di、do、λp及λb均为已知数据，Tf、ql均为测试数据；公式(7)中λs及ρscs为未知参数，λs即为岩土体的综合导热系数，ρscs即为岩土体的容积比热容，结合所测量出来的流量、温度以及钻孔尺寸、回填材料、埋管材料及埋管形式等，通过反推法，即可得出2个未知数。
优选的，步骤E中地源热泵计算软件选用EED程序或GLD地下环路等设计软件。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明首先通过估算热泵机组的累积取热量和累积排热量来判断建筑是否需要采用太阳能与土壤源相结合的供热系统；再结合累计取热量与累计排热量的差值、项目特点和当地太阳能辐射气象参数，计算所需的太阳能集热器面积和占地面积，最后，将太阳能集热器的得热量作为基础数据输入地源热泵设计软件，最终确定所需的地埋管换热器总长度。本发明利用太阳能能够实现跨季节蓄热，有效解决地源热泵长期运行时造成的土壤热失衡问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例提供的一种太阳能-土壤复合热泵跨季节蓄能系统的应用方法的设计流程图；
图2是本发明实施例中建筑逐时冷热负荷变化曲线图；
图3是本发明实施例中地埋管换热器埋管进、出口平均水温变化曲线图；
图4是本发明实施例中太阳能-土壤复合热泵跨季节蓄能系统的结构示意图；
图中：1-太阳能集热器，2-地埋管换热器，3-热泵机组，4-水泵，5-中间换热器。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种太阳能-土壤复合热泵跨季节蓄能系统的应用方法，如图4所示，所述跨季节蓄能系统包括控制器(图中未画出)、太阳能集热器1、地埋管换热器2、热泵机组3、中间换热器5、岩土热物性测试设备、循环水泵及管路(图中未画出)等，利用太阳能集热器1转换太阳能并收集的集热量通过水泵4及中间换热器5间接输送至地埋管换热器2，并将热量储存在地下土壤中；其中，中间换热器5设置在太阳能集热器1与地埋管换热器2之间、热泵机组与地埋管换热器2之间起到置换热量的作用，在现有技术中已有类似设备，在此不再赘述，以下就该系统的具体应用展开描述。
太阳能集热器将太阳能转换为热能，通过热泵机组将热量依次传递至中间换热器及地埋管换热器，通过循环水泵连通岩土热物性测试设备和地埋管换热器来测试土壤数据；利用控制器控制太阳能集热器、地埋管换热器、中间换热器、热泵机组及循环水泵的动作，实现系统的自动控制。
上述跨季节蓄能系统的应用方法的设计流程如图1所示，具体包括以下步骤：
A、分析建筑负荷，结合供暖与制冷负荷计算情况和热泵机组性能参数，估算跨季节蓄能系统的累积取热量与累积排热量；
B、判断累积取热量与累积排热量的差值，若累积取热量大于累积排热量则进行步骤C，若累积取热量小于累积排热量则不需要进行补热。所述跨季节蓄能系统的累积取热量与累积排热量计算公式如下：
Figure BDA0003554109700000061
Figure BDA0003554109700000062
式中：
Qh、Qc-跨季节蓄能系统累积取热量与累积排热量(kWh)；
Figure BDA0003554109700000063
-建筑累积热负荷(kWh)，qhi为逐时热负荷，通过DEST等建筑能耗模拟软件计算得出；n为供暖小时数；
Figure BDA0003554109700000064
-建筑累积冷负荷(kWh)，qci为逐时冷负荷，通过DEST等建筑能耗模拟软件计算得出；n为制冷小时数；
COPs-热泵机组供暖工况下的季节能效系数；
EERs-热泵机组供冷工况下的季节能效系数；
累积取热量与累积排热量的比值用综合指标
Figure BDA0003554109700000071
表示如下：
Figure BDA0003554109700000072
式中：
Figure BDA0003554109700000073
表示跨季节蓄能系统累积取热量大于累积排热量，则有采用太阳能跨季节蓄热的必要性；
Figure BDA0003554109700000074
表示跨季节蓄能系统累积排热量大于等于累积取热量，不适宜采用太阳能跨季节蓄热。
C、计算弥补热失衡所需的太阳能集热器面积，确认是否满足所需太阳能集热器布置空间，满足布置空间后进行步骤D。
太阳能集热器面积的计算公式如下：
Figure BDA0003554109700000075
ΔQ＝Qh-Qc (5)
A＝α×Ac (6)
式中：
Ac-所需太阳能集热器面积(m2)；
ΔQ-系统累积冬季取热量与夏季排热量差值(kWh)；
f-太阳能保证率，对于跨季节蓄热太阳能-土壤复合热泵系统，取1；
JT-当地太阳能集热器采光面上的年平均太阳辐照量(MJ/m2)，河北省各地区太阳能辐照量可参考如下表1；
ηcd-太阳能集热器的年平均集热效率，根据经验取值宜为0.45～0.50，或者取太阳能集热器产品的实际测试结果或产品生产企业提供的数据；
ηl-贮水箱和管路的热损失，根据经验取值宜为0.20～0.30。
A-安装太阳能集热器所需要的面积(m2)；
α-考虑集热器类型和布置方式的修正系数。
表1河北省各地区太阳辐照量
Figure BDA0003554109700000081
若项目无法提供足够的太阳能集热器的安装空间，那么将无法保证跨季节蓄能系统太阳能集热器所需的安放空间，则不能采用该方案。
D、岩土热物性参数测试：获取岩土体综合导热系数、容积比热容、初始温度。
其中，岩土体综合导热系数、岩土体综合比热容由以下两公式得出：
Figure BDA0003554109700000082
Figure BDA0003554109700000083
式中：
Tf——地埋管换热器进出水平均温度(℃)；
Tff——岩土体初始平均温度(℃)；
ql——单位长度埋管释放的热流量(W/m)；
Rb——测试孔内热阻(m·K/W)；
db——测试孔直径(m)；
ρscs——埋管周围岩土体的平均容积比热容(J/(m3·℃))；
τ——时间(s)；
di——地埋管内径(m)；
do——地埋管外径(m)；
λp——地埋管管壁导热系数(W/(m·K))；
λb——测试孔回填材料导热系数(W/(m·K))；
λs——埋管周围岩土体的导热系数(W/(m·K))；
h——循环水与地埋管管壁之间的表面传热系数(W/(m2·K))；
其中，τ为设定数据，db、di、do、λp及λb均为已知数据，Tf、ql均为测试数据；公式(7)中含有λs及ρscs两个未知参数，利用公式(7)和公式(8)，结合所测量出来的流量、温度以及钻孔尺寸、回填材料、埋管材料、埋管形式等，通过反推法，即可求出2个未知数。
E、设计地埋管换热器：将岩土热物性参数，跨季节蓄能系统的累积排热量和累积吸热量，太阳能集热器的集热量及地埋管换热器参数输入地源热泵计算软件中，确定地埋管换热器的长度和钻孔数量。其中，地源热泵计算软件可选用瑞典隆德Lund大学开发的EED程序或GLD地下环路设计软件。
以下为一个具体实施例：
以某公共建筑为计算对象，采用DEST软件进行模拟计算，将结果作为设计计算的基础数据。该建筑位于河北省张家口市，总建筑面积为5680m2，空调面积为5284m2。
模拟时，设置供暖季室温为20℃，制冷季室温为26℃，换气次数为0.5h-1，供暖时间为11月15日～3月31日，制冷时间为6月1日～8月31日，系统采用间歇运行的方式，空调开启时间为7:00～20:00。建筑逐时冷热负荷变化曲线见图2。
模拟结果表明，该建筑热负荷为706.77kW，单位面积热负荷为133.75W/m2，冷负荷为448.80kW，单位面积热负荷为84.93W/m2。
表2建筑累积冷热负荷和系统累积取热量和排热量统计
Figure BDA0003554109700000101
注：机组冬季COPs取3.5，夏季EERs取4.0.
由表2可知，跨季节蓄能系统冬季累积取热量为360.52MWh，夏季累积排热量为174.43MWh，累积取热量比累积排热量大186.09MWh，差值部分需要由太阳能集热器来补充。
根据公式4，所需太阳能集热器面积为：
Figure BDA0003554109700000102
计算出所需太阳能集热器面积后，可根据所选择的集热管规格型号和排列布置方式，进一步确认是否能够有足够面积布置太阳能集热器。
岩土热物性测试是进行土壤源热泵设计的基础，下面举例说明其测试过程和计算方法。本次测试时测试孔基本参数见表3。岩土热物性测试设备在加热器启动之前，首先让循环水泵循环2小时，并记录地埋管换热器进出水温度，以此温度作为岩土体初始平均温度。加热测试功率恒定为5.19kW，加热测试时间为48小时。测试时的地埋管换热器进出水温度变化曲线见图3。
表3测试孔基本参数
Figure BDA0003554109700000111
测试结束之后，将测试孔基本参数、埋管形式以及测试得到的地埋管换热器进出水温度、流量、加热功率等参数公式7公式8中，可以计算出岩土体的综合导热系数及比热容，结果如下：
(1)测试地点附近的岩土原始温度为15.05℃。
(2)测试地点附近的岩土综合导热系数在1.39W/(m·K)。
(3)岩土综合比热容为3.55×106J/(m3·℃)。
确定地埋管换热器长度：
将太阳能集热器的集热量作为夏季的排热量输入地源热泵计算软件，系统累积取热量和累积排热量的差值即为每年太阳能集热器应蓄积的有效热量，如果要把年集热量分配到每个月，需要考虑每个月所分配的比例，表4为根据文献《北京地区太阳能辐射资源》(左大康《地理科学》1981，1(1)：44-51)中给出的数据整理而成的，其他地区可以参考本表，也可以根据地区实际情况对系数进行调整。
表4太阳能辐照量月分配系数
Figure BDA0003554109700000121
地埋管换热器计算采用瑞典隆德Lund大学开发的EED程序，首先将岩土体热物性参数输入软件，然后输入钻孔参数，埋管形式与数量、布置形式、深度等，本项目布置100个120米深的双U地埋管换热器。然后输入建筑累积负荷及各月的负荷峰值，太阳能集热器的热量分配到每个月。
本次计算的周期为20年，基础负荷下地埋管典型年换热器进出水平均温度、冬季峰值负荷和夏季峰值负荷下地埋管典型年换热器进出水平均温度分别见表5～表7。
表5基础负荷下地埋管换热器进出水平均温度计算值
Figure BDA0003554109700000122
表6冬季峰值负荷下地埋管换热器进出水平均温度计算值
Figure BDA0003554109700000131
表7夏季峰值负荷下地埋管换热器进出水平均温度计算值
Figure BDA0003554109700000132
由表5～表7可以看出，跨季节蓄热太阳能-土壤复合地源热泵月的进出水平均温度在第20年时基本和第1年运行时相同，没有出现温度的下降，说明系统吸放热量基本平衡。基本负荷下，第20年月最低进出水平均温度为9.65℃，出现在一月份。月最高进出水平均温度为20.76℃，出现在七月份。考虑峰值负荷时，第20年月最低进出水平均温度为4.76℃，出现在一月份。月最高进出水平均温度为27.78℃，出现在七月份。满足系统使用要求。
在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。

Claims (5)

1.一种太阳能-土壤复合热泵跨季节蓄能系统的应用方法，所述跨季节蓄能系统包括控制器、太阳能集热器、地埋管换热器、热泵机组、岩土热物性测试设备、循环水泵和中间换热器，太阳能集热器的集热量通过中间换热器间接输送至地埋管换热器，并将热量储存在地下土壤中；循环泵连通岩土热物性测试设备与地埋管换热器来测试土壤数据；其特征在于，所述跨季节蓄能系统的应用方法包括以下步骤：
A、分析建筑负荷，结合供暖与制冷负荷的计算情况和热泵机组性能参数，估算跨季节蓄能系统的累积取热量与累积排热量；
B、判断累积取热量与累积排热量的差值，若累积取热量大于累积排热量则进行步骤C，若累积取热量小于累积排热量则不需要进行补热；
C、计算弥补热失衡所需的太阳能集热器面积；
D、岩土热物性参数测试：获取岩土体的综合导热系数、容积比热容、初始温度；
E、设计地埋管换热器：将岩土热物性参数，跨季节蓄能系统的累积排热量、累积吸热量，太阳能集热器的集热量及地埋管换热器参数输入地源热泵计算软件中，确定地埋管换热器的长度和钻孔数量。
2.根据权利要求1所述的太阳能-土壤复合热泵跨季节蓄能系统的应用方法，其特征在于：步骤B中，所述跨季节蓄能系统的累积取热量与累积排热量计算公式如下：
Figure FDA0003554109690000011
Figure FDA0003554109690000012
式中：
Qh、Qc-跨季节蓄能系统累积取热量与累积排热量(kWh)；
Figure FDA0003554109690000013
-建筑累积热负荷(kWh)，qhi为逐时热负荷，n为供暖小时数；
Figure FDA0003554109690000021
-建筑累积冷负荷(kWh)，qci为逐时冷负荷，n为制冷小时数；
COPs-热泵机组供暖工况下的季节能效系数；
EERs-热泵机组供冷工况下的季节能效系数；
累积取热量与累积排热量的比值用综合指标
Figure FDA0003554109690000022
表示如下：
Figure FDA0003554109690000023
式中：
Figure FDA0003554109690000024
表示跨季节蓄能系统累积取热量大于累积排热量，则有采用太阳能跨季节蓄热的必要性；
Figure FDA0003554109690000025
表示跨季节蓄能系统累积排热量大于等于累积取热量，不适宜采用太阳能跨季节蓄热。
3.根据权利要求1所述的太阳能-土壤复合热泵跨季节蓄能系统的应用方法，其特征在于：步骤C中，太阳能集热器面积的计算公式如下：
Figure FDA0003554109690000026
ΔQ＝Qh-Qc (5)
A＝α×Ac (6)
式中：
Ac-所需太阳能集热器面积(m2)；
ΔQ-系统累积冬季取热量与夏季排热量差值(kWh)；
f-太阳能保证率，对于跨季节蓄热太阳能-土壤复合热泵系统，取1；
JT-当地太阳能集热器采光面上的年平均太阳辐照量(MJ/m2)；
ηcd-太阳能集热器的年平均集热效率，根据经验取值宜为0.45～0.50，或者取太阳能集热器产品的实际测试结果或产品生产企业提供的数据；
ηl-贮水箱和管路的热损失，根据经验取值宜为0.20～0.30。
A-安装太阳能集热器所需要的面积(m2)；
α-考虑集热器类型和布置方式的修正系数。
4.根据权利要求1所述的太阳能-土壤复合热泵跨季节蓄能系统的应用方法，其特征在于：步骤D中，岩土体综合导热系数、岩土体综合比热容由以下两公式得出：
Figure FDA0003554109690000031
Figure FDA0003554109690000032
式中：
Tf——地埋管换热器进出水平均温度(℃)；
Tff——岩土体初始平均温度(℃)；
ql——单位长度埋管释放的热流量(W/m)；
Rb——测试孔内热阻(m·K/W)；
db——测试孔直径(m)；
ρscs——埋管周围岩土体的平均容积比热容(J/(m3·℃))；
τ——时间(s)；
di——地埋管内径(m)；
do——地埋管外径(m)；
λp——地埋管管壁导热系数(W/(m·K))；
λb——测试孔回填材料导热系数(W/(m·K))；
λs——埋管周围岩土体的导热系数(W/(m·K))；
h——循环水与地埋管管壁之间的表面传热系数(W/(m2·K))；
Tff即为岩土体初始温度，由测量得到；
其中，τ为设定数据，db、di、do、λp及λb均为已知数据，Tf、ql均为测试数据；公式7中λs及ρscs为未知参数，λs即为岩土体的综合导热系数，ρscs即为岩土体的容积比热容，结合所测量出来的流量、温度以及钻孔尺寸、回填材料、埋管材料及埋管形式，由公式7及公式8即可得出。
5.根据权利要求1所述的太阳能-土壤复合热泵跨季节蓄能系统的应用方法，其特征在于：步骤E中，地源热泵计算软件选用EED程序或GLD地下环路设计软件。
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