基于TRNSYS 模拟的太阳能与地源热泵
复合供暖系统的运行评价
吕涛，鲁月红，张样，刘雪梅，季海霞(安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山243032)
摘要：为缓解夏热冬冷地区供暖能耗普遍偏高的问题，采用太阳能产热辅助地源热泵系统进行联合供暖。以合肥市某建筑为供暖对象，利用TRNSYS 软件搭建建筑负荷计算模型，以供回水温度、机组运行部分负荷率(PLR)、制热性能系数(COP)及运行能耗为评价指标，比较分析传统地源热泵系统、太阳能集热器与热泵机组串联与并联系统的供暖运行情况。结果表明：供暖季节3种系统的供暖温度均满足需求，与传统地源热泵供暖系统相比，太阳能集热器与热泵机组串并联供暖系统的COP 分别提升了48.61%，8.33%；能耗分别降低了，84.02%，75.26%，机组运行PLR 明显降低；复合供暖系统尤其是串联连接方式的系统具有明显节能优势。
关键词：地源热泵；部分负荷率；制热性能系数；节能；复合供暖系统中图分类号中图分类号：TU 832
文献标志码：A
doi ：10.3969/j.issn.1671-7872.2022.01.013
Operation Evaluation of Solar Energy and Ground Source Heat Pump
Combined Heating System Based on TRNSYS Simulation
LYU Tao,LU Yuehong,ZHANG Yang,LIU Xuemei,JI Haixia
(School of Architectural Engineering ，Anhui University of Technology ，Maanshan 243032，China)
Abstract ：To alleviate the problem of generally high heating energy consumption in hot-summer and cold-winter areas,a solar heat production-assisted ground source heat pump system is used for combined heating.Taking a building in Hefei as the heating object,a building load calculation model was built using TRNSYS software,and the supply and return water temperature,unit operation partial load rate (PLR),heating performance coefficient (COP)and operation energy consumption were used as evaluation indexes to compare and analyze the heating operation of traditional ground source heat pump system,solar collector and heat pump unit in series and parallel system.The results show that the heating temperature of the three systems can meet the demand during the heating season.Compared with the traditional ground source heat pump heating system,the COPs of the solar collector and heat pump unit in series and parallel heating systems increase by 48.61%and 8.33%respectively,and the energy consumptions decrease by 84.02%and 75.26%respectively,and the PLR of unit operation are significantly reduced.The composite heating system,especially the system connected in series,has obvious energy-saving advantages.
Key words ：ground source heat pump;partial load rate;heating performance coefficient;energy saving;combined
heating system
收稿日期：2021-05-07
基金项目：国家自然科学基金项目(51608001)
作者简介：吕涛(1998—)，男，安徽六安人，硕士生，研究方向为建筑节能。
通信作者：鲁月红(1987—)，女，安徽合肥人，博士，副教授，研究方向为零能耗建筑。
引文格式：吕涛，鲁月红，张样，等.基于TRNSYS 模拟的太阳能与地源热泵复合供暖系统的运行评价[J].安徽工业大学学
报(自然科学版)，2022,39(1):79-85.
安徽工业大学学报(自然科学版)
J.of Anhui University of Technology (Natural Science)
Vol.39No.1January
2022
第39卷第1期2022年
1月
文章编号：1671-7872(2022)01-0079-07
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安徽工业大学学报（自然科学版）2022年随着人口的不断增长以及经济的快速发展，全球能源需求不断增加。从行业构成来看，建筑用能占一次
减能源消耗的20%~40%，某些发达国家甚至高达45%。建筑节能是研究未来解决全球能源困境、实现CO
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排目标的重要途径[1]。合肥地处中国华东地区，地温能等新型能源资源赋存量大。开发利用可再生能
源技术如采用地源热泵技术、太阳能光伏热技术等逐渐成熟，开发前景广阔[2-3]。为更好地响应国家节能减排号召[4]，如何高效利用可再生能源成为学者们研究的热点[5-7]。太阳能供暖作为一种利用可再生能源技术，可充分利用太阳能资源，但其作为供暖唯一热源存在易受天气因素、昼夜间歇性影响的不足。将太阳能与地源热泵系统结合是一种克服太阳能作为唯一供暖热源不足的有效方法，还可改善地源热泵单独运行对浅层土壤的温度扰动[9]。
TRNSYS作为一种瞬态仿真软件被广泛用于建筑系统模拟中，Zhou等[10]基于TRNSYS软件建立水冷机组+冷却塔系统及地源热泵系统，比较分析两种系统运行的能效，结果表明，地源热泵系统的能效比高于水冷机组+冷却塔系统，地源热泵机组具有较好的节能优势；Liu等[11]为缓解地源热泵系统长时间运行对土壤热平衡的扰动，采用TRNSYS软件建立过渡季节太阳能与地源热泵储热模型，并将模拟结果与实测数据进行对比，结果表明，模拟结果与实验数据吻合较好，说明基于TRNSYS软件对太阳能与地源热泵复合系统的进行仿真模拟是可行的。在太阳能与地源热泵复合式供暖系统方面，耿磊[12]对不同占地面积比(如0.11，0.20，0.33)的建筑设计对应的复合供暖系统，并从节能性与经济性两方面与常规能源系统进行对比，结果表明，太阳能与地源热泵复合供暖系统最具节能性与经济性的占地面积比；郭春梅等[13]针对广东地区某建筑构建复合供暖和单独热泵供暖系统，并在不同天气条件下进行供暖实验，结果表明，复合供暖系统在全阴天工况相较于单独热泵供暖优势显著；刘杰等[14]针对严寒地区某住宅构建太阳能与地源热泵复合供暖系统，并对其进行运行分析，结果表明，与太阳
能系统联合有利于提升供暖系统的制热性能系数(coefficient of performance，COP)及热泵机组进水温度。
综上可看出，已有较多学者对地源热泵与太阳能耦合系统进行分析，但对太阳能集热器与地源热泵机组连接方式对其运行效果的研究较少。鉴于此，以合肥地区某综合建筑为研究对象，基于TRNSYS软件设计单地源热泵供暖系统、太阳能与地源热泵并串联供暖系统，分析连接方式对供暖效果的影响，以期为工程实际应用提供参考。
1热负荷计算模型
1.1研究对象
选取位于安徽省合肥地区一栋朝南的综合建筑为供暖对象，供暖面积为22500m2，人员密度为1人/m2，围护结构构造及热工参数如表1。
表1建筑围护结构构造及热工参数
parameters
Tab.1Building envelope structure and thermal
1.2建筑热负荷
1.2.1模型构造
结合GB50189—2005[15]以及建筑内人员的实际使用需求，确定冬季室内供暖温度为18℃、供回水温度分别为45，35℃。供暖时间为当年11月15日至次年3月15日。使用TRNSYS软件内的TRNBUILD模块构
第1期吕涛，等：基于TRNSYS 模拟的太阳能与地源热泵复合供暖系统的运行评价
造建筑热负荷模型，如图1。
1.2.2模拟结果
运行热负荷模型得到合肥地区该建筑的逐时热负荷及室外温度，如图2。由图2可知，该建筑逐时热负荷随室外逐时温度升高而降低，最大热负荷为1328kW 。
2太阳能与地源热泵复合供暖系统模型
2.1复合供暖原理
太阳能与地源热泵复合供暖系统原理如图3。由图3可见，太阳能与地源热泵复合供暖系统主要由太阳能集热器、地源热泵机组组成。太阳能集热器主要包括循环水泵、蓄热水箱和平板集热器；地源热泵机组主要由负荷侧、热泵机组、地埋管和水泵等组成。在太阳能集热器侧循环中，蓄热水箱侧出口的循环介质流经太阳能集热器，将吸收得到的太阳能热量传递至蓄热水箱内并加热地源热泵侧循环介质；在地源热泵侧循环内，热泵出口侧循环介质经由地脉管与蓄热水箱共同加热后，使流至地源热泵负荷侧的循环介质温度升高，再由用户侧放热后回到热泵侧。2.2主要部件2.2.1太阳能集热器
太阳能系统的得热量Q 指一天中由太阳能集热器提供的有用热量，可由式(1)计算。
图2供暖季节逐时热负荷与室外温度
Fig.2Hourly heat load and outdoor temperature in heating
season
图1TRNSYS 热负荷模拟模型Fig.1TRNSYS heat load simulation
model
图3太阳能与地源热泵复合系统供暖原理Fig.3Heating principle of composite system of solar
energy and ground source heat
pump
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安徽工业大学学报（自然科学版）2022年
Q =∑i =1n
m i ρw c pw (θd i -θbi )Δt i ×10-6
(1)
式中：n 为总计算时间间隔数；m i 为第i 个时间间隔的集热系统的平均流量；ρw 为集热工质的密度；c pw 为集热
工质的比热容；θd i ，θb i 分别为第i 个计算的时间间隔集热系统进出口温度；
∆t i 为第i 个计算的时间间隔。2.2.2地埋管换热器
设计地埋管换热器的主要任务是为建筑物确定合理的地埋管长度及辅助加热装置的规模。地表浅层热能的换热过程是三维非稳态导热的传热，影响因素复杂，很难用简单的公式计算，实际设计过程中主要利用经验公式设计并校核，即利用建筑的最大冷热负荷估算地埋管参数。对于地埋管换热器的钻孔总长度一般用以下公式计算。
L H =Q H R H θ∞-θmin
()P H -1
P H (2)L C =
Q C R H θmax -θ∞
()
P C +1P C (3)
式中：
L H 为制热工况下的钻孔长度；L C 为制冷工况下的钻孔长度；Q H 为热泵在设计进水温度下的额定制热量；
P C 为热泵在设计进水温度下的额定制冷量；P H 为热泵在制热工况下的性能系数；P C 为热泵在制冷工况下的性能系数；R H ，R C 分别为制热与制冷工况的总热阻；θ∞为地下未受干扰时的平均温度；θmax ，θmin 分别为地埋管换热器的最高和最低进水温度。
文中考虑的运行工况为冬季，按照式(2)计算地埋管设计长度，结合建筑实际设计参数及经济因素，确定地埋管的埋管方式为水平串联单U 型埋管。2.3评价指标
系统运行期间主要的测量参数为水泵、机组等设备的实际功率，热泵机组在不同模式下运行的部分负荷率(partial load rate ，PLR)、制热性能系数(COP)，热泵机组供水管道的温度与流量，太阳能集热系统的热水温度与流量。故选取供回水温度、COP 、PLR 、总能耗作为评价系统的运行指标，通过比较输出系统的供回水温度与前文所述的初始设置温度要求，评价供暖系统是否符合实际供暖要求。2.4模型建立
采用TRNSYS 软件构建单地源热泵供暖系统、太阳能与地源热泵复合供暖系统，根据太阳能与热泵机组连接方式不同，设计3种供暖系统模型，即太阳能与地源热泵串联供暖模型(模型1)、太阳能与地源热泵并联供暖模型(模型2)、单地源热泵供暖模型(模型3)。模型系统设计参数如表2，系统原理如图4。
表2供暖系统的设计参数Tab.2Design parameters of heating
system
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第1期吕涛，等：基于TRNSYS 模拟的太阳能与地源热泵复合供暖系统的运行评价
3供暖系统运行结果评价
3.1供回水温度
为简化计算，文中只选取全年室外最低气温所在日进行分析，图5为3种供暖系统模型的供回水温度。由图5可看出，在全年气温最低日，3种供暖系统的供水温度均达到设计温度(45℃)，回水温度在40℃左右。表明3种系统的设计温度均满足实际使用需求，可正常运行。
3.2制热性能系数
图6为3种供暖系统的月平均COP 。由图6可知：3种系统的最高COP 均出现于1月，模型1~3分别为
图4供暖系统模型Fig.4Model of heating
system
图5各供暖系统供回水温度
Fig.5Temperature of the supply and return water of each heating
system
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