案例：太阳能-地源热泵季节性蓄热供热系统
本文以上海地区复合式太阳能-地源热泵季节性蓄热供热系统为研究对象，在蓄热模式和供热模式这两种运行模式下，利用TRNSYS软件建立系统模型，研究该系统在一个完整的蓄热季和供热季下，土壤温变特性、系统能量损失和系统热效率随时间的变化规律。
太阳能作为最具发展潜力的可再生能源之一，近年来已在我国广泛利用。但由于太阳能受昼夜、季节以及天气等随机因素影响较大，太阳能供暖系统的稳定性和可靠性差，需要增加辅助热源或者蓄热装置，目前研究以太阳能-空气源热泵复合系统和太阳能-吸收式机组复合系统为主，另外也有太阳能-地热能系统。
国内对于太阳能+地热能方面的研究集中于太阳能与土壤跨季节蓄热加热生活热水，或者过渡季蓄热冬季供热，缺乏夏热冬冷地区长期蓄热供热的研究。国外虽然有一部分针对太阳能与地源热泵跨季节蓄热供热的研究，但大多数集中于北欧和北美气候严寒且地热能异常丰富的地区，与我国夏热冬冷地区运行特性存在较大差别。针对夏热冬冷地区建筑供暖时间不长，同时考虑到利用太阳能供热和提高系统效率等方面，本文提出了一种上海地区复合式太阳能-地源热泵季节性蓄热供热系统，并利用TRNSYS软件模拟系统运行特性，分析了在一个完整的蓄热季和供热季下，土壤的温变特性和系统的能量及效率随时间的变化规律，为夏热冬冷地区太阳能-地源热泵季节性蓄热供热系统的设计提供参考。
复合式太阳能-地源热泵季节性蓄热供热系统原理如图1所示。该系统由太阳能集热器、蓄热水箱、地埋管、地源热泵机组和系统末端组成，通过地埋管将集热器收集的热量存储在土壤中，当末端出现供暖需求时，再将存储的热量提取出来向用户供热。
该系统可分为集热子系统、蓄热子系统和供热子系统3个子系统。太阳能集热器通过集热循环泵将热量蓄存在蓄热水箱中的循环为集热循环，集热器面积为200 m2，水箱容积为12 m3；蓄热水箱通过地埋管将热量蓄存到土壤中的循环为蓄热循环，地埋管为单U型管，每两根管串联为一组，4组并联，共8根U型管；供热循环包括蓄热水箱供热、地埋管直接供热和地源热泵供热3种供热方式。蓄热水箱的作用一是在蓄热过程中保持地埋管的输入温度较为稳定，二是可以在供热季为用户直接供热。用户侧是上海地区200 m2的住宅建筑，考虑到一栋建筑的地埋管数量太少，蓄热效果不明显，故本文用户侧采用3栋建筑，建筑面积共600 m2，设计供热温度为20 ℃。
系统的运行模式分为蓄热模式和供热模式，夏季和过渡季节蓄热，冬季供热。蓄热时集热器的热量通过水箱蓄存到地埋管周围的土壤中。系统的运行通过温差控制，为保证系统效率，当集热器出口水温与蓄热水箱回水温度的温差大于8 ℃时，集热循环泵开启，当两者温差小于3 ℃时，集热循环泵关闭，集热子系统停止运行。蓄热子系统的控制方式与集热子系统相同。供热子系统共有3种运行模式：
1）当白天光照较好时，蓄热水箱中的水温较高，蓄热水箱可以直接向末端供热；
2）在光照不好的白天或是夜晚，当水箱中的水温不足40 ℃时，若地埋管出口温度高于40 ℃，由地埋管直接向末端供热；
3）以上两者都不能满足需求的情况下，通过地源热泵供热。
图1 复合式太阳能-地源热泵季节性蓄热供热系统原理
根据系统原理，在TRNSYS平台上搭建系统模型。系统模型包括建筑模块、太阳能集热模块、地埋管蓄热模块和控制系统模块。该模型的主要参数设置如表1所示。
热泵机组的外部选用某热泵机组样本。控制系统模块主要包括温差控制、时间控制和温度控制。温差控制器主要控制集热系统和蓄热系统的启停，当温差大于8 ℃时开启，低于3 ℃时停止；时间控制主要是蓄热季和供热季的控制，蓄热季节为4月1日至10月31日，供热季节为11月1日至次年3月31日；3种供热模式之间的切换通过温度控制，当蓄热水箱出水温度高于40 ℃时采用水箱供热；当水箱出水温度低于40 ℃，而地埋管出水温度高于40 ℃时，采用地埋管直接供热；当以上两者均不满足时，采用热泵供热。
模拟时间设定为4月1日至次年的3月31日，时间步长为1 h，模拟分析经过一个蓄热季和一个供热季后，土壤温度的变化特性及系统的能量损失和效率变化。系统的热效率指标包括土壤蓄热率、系统蓄热率、集热器热效率和蓄热水箱热效率。土壤蓄热率为土壤蓄热量与土壤输入能量的比值：
3.1 土壤温度变化分析
图2所示为土壤全年日平均温度随时间的变化。本次模拟中土壤的初始温度设定为18 ℃。从图2可以看出，经过6个月的蓄热季，土壤平均温度由最初的18 ℃上升到45.7 ℃，温度升高了27.7 ℃，其中9月14日土壤温度达到最高值为48.5 ℃，9月15日至10月31日，随着气温的降低，蓄热量减少，土壤的散热量大于蓄热量，故温度略有下降。供热季随着土壤直接供热和热泵供热，蓄热体土壤的温度逐渐降低，由45.7 ℃降至20.5 ℃，相比于初始的18 ℃，温度升高2.5 ℃，因此随着运行年数的增加，蓄热土壤的温度将逐年升高。
3.2 蓄热土壤能量变化及损失
图3所示为蓄热季当月土壤蓄热量和热损失随时间的变化。土壤蓄热量与热损失之和即为土壤的输入能量，集热量与土壤输入能量的差值为经过蓄热水箱的热损失。由图3可知，集热器集热量和土壤得热量均随辐射量而变化，7月份达到最大值。
蓄热季开始时，由于土壤初始温度低，地埋管换热器与蓄热土壤的换热温差大，而蓄热体与周围土壤的温差相对较小，故4月份蓄热土壤内能变化最大，热损失最少。随着蓄热土壤温度的升高，与地埋管换热器的传热温差逐渐减小，与周围土壤的传热温差逐渐增大，因此内能变化逐月减小，热损失逐月增大。10月份时，随着气温降低和太阳辐射的减少，集热器集热量小于蓄热土壤的散热量，故10月份内能变化为负值。
蓄热土壤的热损失包括蓄热体底部散热量、侧面散热量和顶部散热量，供热季蓄热体的供热量主要包括通过地埋管的直接供热量和地源热泵机组的吸热量。
图4所示为蓄热季和供热季的土壤能量分布。蓄热季土壤的蓄热率为42.70%，其余能量均通过蓄热体的顶部、侧面和底部散失，其中侧面为蓄热体的主要散热面，故侧面散热量远远大于顶部和底部散热量，占输入能量的54.01%；顶部和底部的散热面积较小，故散热量少，但顶层土壤受空气温度变化影响，底层土壤相对于顶层土壤来说温度稳定，故底部散热量占输入能量的1.50%，小于顶部1.79%的散热量。
供热季输出能量为散热量、直接供热量和热泵吸热量。由图2可知，供热季蓄热体平均温度高于40 ℃的时间较短，故土壤直接供热量较少，占输出能量的1.24%；大部分供热量为地源热泵机组的吸热量，占输出能量的80.67%；相较于供热量，顶部散热量、侧面散热量和底部散热量之和较小，仅占18.09%，这是因为当蓄热体温度降低时，与周围土壤的温差变小，故散热量减少。
3.3 蓄热季系统热效率分析
图5所示为蓄热季系统各部分月平均热效率随时间的变化。土壤蓄热率为土壤蓄热量与土壤输入能量的比值，系统蓄热率为土壤蓄热量与系统输入能量即集热器集热量的比值。由图5可知，随着蓄热时间的延长，土壤蓄热率和系统蓄热率逐月下降。结合图3的分析，4月份开始蓄热时，蓄热土壤的初始温度只有18 ℃，水箱与蓄热土壤的传热温差大，蓄热土壤的内能增长最大，故土壤蓄热率高；随着蓄热土壤温度的升高，土壤蓄热率逐渐降低，10月份蓄热体的散热量大于得热量，蓄热土壤内能减小，故土壤蓄热率变为负值。同理，系统蓄热率在4月份最高为87.70%，在10月份降为负值。整个供热季土壤的平均蓄热率为42.70%，系统的平均蓄热率为37.70%。
在蓄热季，集热器和水箱热效率相对稳定，集热器热效率在40%~85%之间，水箱热效率在65%~90%之间。结合图3可知，集热器热效率受温度和辐射量的影响逐月减小。蓄热水箱热效率为供热量与得热量之比，故蓄热季影响水箱热效率的因素主要是集热器集热量和蓄热土壤的能量变化。
3.4 供热季系统热效率分析
图6所示为供热季太阳能保证率变化和不同供热方式的运行时间。供热时间段为全天供热。结合图2蓄热体温度与气温的变化，由于供热季蓄热体土壤温度高于40 ℃的时间仅出现在11月份，故土壤直接供热方式仅在11月份运行。水箱供热的运行时间主要受气温和辐射强度的影响，气温越高，太阳辐射强度越好，水箱供热时间越长。而当气温持续较低、辐射强度不够的时候，热泵供热时间便会延长。太阳能保证率是指系统中由太阳能供给的热量占系统总热负荷的百分率，本系统中由太阳能供给的热量主要包括水箱供热和土壤直接供热两部分。
由图6可知，热泵供热时间越长，即水箱供热与土壤直接供热的时间越短，太阳能保证率就越低。11月份时主要供热方式为水箱供热和土壤直接供热，热泵供热时间极短，故11月份的太阳能保证率最高。经计算，整个供热季节的太阳能保证率为0.3。
系统COP是系统供热量与系统能耗的比值，系统的能耗包括泵耗与热泵机组的能耗。图7所示为供热季热泵机组及系统COP的月平均值随时间的变化。热泵机组与系统月平均COP的最大值均出现在11月份，即供热季开始阶段。11月份土壤温度最高，故机组COP最大，之后随着土壤温度的降低而下降。系统中水泵的能耗远小于热泵机组的能耗，故对于整个系统，热泵供热时间越短，系统COP越大，11月份主要以水箱供热和土壤直接供热为主，热泵运行时间极短，因此11月份的系统COP远大于机组COP。供热季机组的平均COP为5.08，系统平均COP为4.81，全年系统COP为系统供热量与全年能耗之比，大小为3.76，因此系统具有良好的节能效果。
本文利用TRNSYS软件对上海地区复合式太阳能-地源热泵季节性蓄热供热系统进行模拟，分析了在一个完整的蓄热季和供热季，土壤的温度变化特性、蓄热土壤的能量变化和分配以及系统热效率和COP随时间的变化，得出如下结论：
1）上海地区复合式太阳能-地源热泵季节性蓄热供热系统在蓄热季可实现土壤蓄热温度45.7 ℃，经过一个供热季后，蓄热土壤的平均温度相比于初始温度升高2.5 ℃；
2）蓄热季土壤的热损失为57.3%，即土壤蓄热率为42.7%，供热季土壤的热损失为18.09%；蓄热水箱在蓄热季的得热量和供热量均大于供热季，热损失相差不大；
3）土壤蓄热率、系统蓄热率、集热器热效率和水箱热效率均随蓄热时间的增加而减小；
4） 供热季11月份太阳能的保证率最大值为0.8，整个供热季节的太阳能保证率为0.3；供热季机组的平均COP为5.08，系统平均COP为4.81，系统全年平均COP为3.76，具有良好的节能效果。