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摘要：在已有针对太阳能-土壤源热泵（SESHPS）的运行策略的基础上，提出更适用实际工程的太阳能热水梯级利用运行模式，并且对太阳能-土壤源热泵在各种运行策略下运用trnsys进行了数值模拟，以系统具体运行情况、系统运行总能耗及土壤温度变化为指标，进行分析比较，结果表明，太阳能热水梯级利用的运行策略具有明显优势。同时对于在太阳能-土壤源热泵系统中热水的梯级利用的地区适用性做了相关讨论，得出该运行策略更适合在太阳能资源丰富地区采用。
关键词：太阳能-土壤源热泵；热水梯级利用；trnsys；适用性
1.前言
太阳能-土壤源热泵系统（SESHPS）是将太阳能集热系统和土壤源热泵系统相结合的复合式系统，该系统不仅克服了太阳能集热系统受天气、温度等环境因素影响的不稳定的缺点，而且可以缓解土壤源热泵长期运行造成的土壤温度逐渐下降的问题，从而提升了整个系统的稳定性、节能率。而目前对于太阳能-土壤源热泵系统的运行策略的研究多数是建立在太阳能集热器与地埋管换热器串并联方式的基础上，例如杨卫波等人提出了集热器和地埋管的三种连接形式，并进行了数值模拟，提出最佳运行模式为集热器与地埋管串联，载热流体先流经集热器后流经地埋管，并进行了系统的优化设计；余延顺等人提出了系统运行工况和运行时间分配与实际的建筑负荷、当地的气象条件有关，并根据这些相关因素去优化太阳能保证率，从而最终优化运行工况和各工况的时间分配。而冯晓梅等人以北京某实际工程为例，提出了对太阳能热水的梯级利用，尽量增大太阳能集热器面积，以加大对太阳能热水的直接利用率。
本文主要是对冯晓梅提出的太阳能热水的梯级利用进行了工程优化及数值模拟，以验证其在土壤温度恢复率及系统总能耗上的优势，并且对其地区适用性做了讨论。
2.系统模型的建立
2.1系统负荷模拟
本文选取了银川市某实际小型建筑为模型，采用DEST软件进行了该幢建筑全年逐时负荷的模拟，得出该建筑夏季冷负荷为63kW，冬季热负荷为105kW，模拟结果如下：
从图1可以看出该建筑的冬季热负荷明显比夏季冷负荷大，如果采用单一的地源热泵系统进行制冷制热，长时间运行后，土壤的取热量将大于排热量，导致土壤温度下降，从而导致地源热泵系统的运行能效下降。
2.2系统原理及构成
根据杨卫波等人提出的太阳能板与地埋管的最优连接方式所构建的系统流程1如图2：太阳能热水将直接进入地埋侧板换，与地源侧水进行换热，地源侧水先与太阳能热水进行换热，再进入地埋管进行换热。
根据冯晓梅等人提出的太阳能热水梯级利用，热水的利用分为四个温度梯级，这样的利用方式当然有其节能优点，但是控制上过于复杂，阀门过多，系统切换频繁，因此本文借鉴其控制思路，简化其运行策略，提出如图系统流程2：当水箱内太阳能热水温度大于50℃时，直接利用其热量供暖，此时热泵机组是处于关机状态，太阳能热水直接进入负荷侧板换加热负荷侧热水；当热水温度低于50℃时，系统运行如流程1。
根据朱家玲等人的研究，系统原理流程2中地埋管内的水会将部分太阳能热水的热量带入土壤中，而这样的热量会在土壤的渗流等因素的影响下很快散失掉，造成热量的损失，因此对流程2进行改进，如图4，让地埋管内的水先经过地埋侧板换，吸收太阳能热水的热量，当水箱内水温低于25℃时，再切换成普通的地埋管换热系统。
3.系统数值模拟
本文采用TRNSYS软件对上述的三种系统形式进行数值模拟，图5是根据以上三种运行模式在TRNSYS中所搭建的模拟流程，可以调整相关阀门以及增减修改少量的部件来实现以上三种流程，为了验证软件可靠性，参考文献中的实验流程进行相应模拟，得出结果与其实验值的比较见表1。
从表1可以看出，该模型的模拟结果与实验值的偏差是在可接受的范围内的，因此该模型可用来进行相关模拟，本文的模拟条件为：
①末端系统采用上述模拟的逐时负荷；
②热泵机组2台，标准工况下（夏季空调侧供回水温度为7/12℃，地埋侧供回水温度为30/25℃，冬季空调侧供回水温度为45/40℃，地埋侧供回水温度为5/10℃），制冷量59.08kW，制冷功率15.90kW，制热量71.97kW，制热功率25.16kW；
③土壤初始温度为12℃，导热系数为4.68W/m·K，土壤热容为2016kJ/m2/K，地埋管管深100m，水平管埋深2m，钻孔直径140mm，每延米换热量按当地土壤热响应测试报告冬夏季分别为45W/m和60W/m，数量按冬季热负荷计算，105kW/（45W/m*100m）≈24个；
④太阳能集热器面积根据文献结论“尺寸比例13.8m（埋管）/m2（集热器）”选取，2400/13.8≈174m2，水箱体积按照工程经验值估算，1m2集热器配50L水箱，故采用9m？不锈钢保温水箱两个，水箱内的水交替加热，隔天使用，以实现太阳能系统最大蓄能量，忽略水箱自身的热损失。
⑤当太阳能热水供水温度大于50℃时，流程2与流程3太阳能热水经过负荷侧板换与空调水进行换热，利用太阳能热水直接供暖；当太阳能热水供水温度在50℃到27℃时，太阳能热水经过地埋侧板换与地源水进行换热；当太阳能热水供水温度低于27℃时，不利用其热量。
从图6中可以看出：1.第一天和第四天流程3的系统COP最大，流程2和流程1基本相当；2.第二天流程3和流程2的COP为0，此时机组并未启动；3.第三天流程3和流程2的COP起初为0，而后增大；4.第五天流程3的COP起初显著大于其他流程，而后三者COP又趋于相同；5.横向比较发现第二天流程1的COP相比第一天呈现急剧上升和急剧下降的趋势。 产生这些变化的原因：①从图7中可以看出，第一天和第四天流程3地源侧回水温度整体上要远远大于流程1和2，水温基本维持在25℃左右，这也是地源水只和太阳能热水换热的结果，因此流程3机组的COP才会远远大于流程1和2；②第二天流程3和流程2的热泵机组没有开启，从图8中可以看出此时太阳能热水水温在50℃以上，已经实现独立供暖，不需要热泵机组；③从图8中可以看出第三天起初太阳能水温在50℃以上，因此流程2和流程3热泵机组起初没有开启，而后随着持续供暖对太阳能热水热量的消耗，水温降低到50℃以下，热泵机组才开启；④第五天起初太阳能热水温度在27℃到50℃之间，热水经过地埋侧板换换热，但随着热量的释放，热水水温也降到了27℃以下，此时三种流程的地源侧水只经过地埋管，因此呈现出近似的温度水平；⑤从图7可以看出地源侧回水水温也有类似COP的急上急下的特征，这也是导致COP如此变化的表面原因，而通过观察图8可以发现太阳能热水供水温度从原来的60℃左右急剧下降到25℃左右，说明此时地埋侧板换与太阳能热水的换热量大，而如此大的换热量说明地源水经过地埋管和机组水温下降幅度大，从而推导出地源水从板换吸收的热量大部分被地埋管所吸收。
3.2系统能耗水平比较研究
从图9可以看出流程3系统一年总能耗最低，其次为流程2，流程1能耗水平最高，相对于流程1的能耗水平，流程3节能率为13%，流程2节能率为10%。
流程2的节能途径主要是利用太阳能直接供暖，而流程3的节能途径主要是利用太阳能的直接供暖和COP的提高。具体说来，可以从图6和图7可以看出，流程3中地源水通过地埋侧板换换得的水温在25℃左右，可以明显提高系统COP，达到节能效果；而从图10可以看出流程3的太阳能直接供暖总量要比流程2更大，原因可以从图8看出，流程3对于热水的梯级利用更加平稳，每天制热结束时水温都都要高于其它流程，这样第二天制取的太阳能热水水温就更高，因而更有利于太阳能热水直接供热，这样流程3太阳能直接供暖总量也就比流程2要大，更加节能。
3.3系统土壤温度变化比较研究
从图11可以看出流程1和流程2的土壤温度变化规律相似，最后的土壤温度分别为11.25℃和11.29℃，土壤一年的温降分别为0.75℃和0.71℃；而流程3的土壤变化趋势与流程1和流程2接近，最后的土壤温度为11.05℃，土壤一年的温降为0.95℃，相比流程1和流程2温降加大。
参考图12可以看出土壤整体的热量变化和温度变化情况一致，流程1的土壤热量减少了40954961kJ，流程2的土壤热量减少了38704686kJ，流程3的土壤热量减少了46460310kJ，可见流程3土壤减少的热量最多，流程1其次，流程2最少。具体来说，土壤整体热量的变化可以分为两部分，一部分是土壤同地埋管的热量交换，另一部分是土壤与周围土壤或其他介质的热量交换。从图13可以看出，流程3的土壤被地埋管吸收的热量也是最大，而流程1和流程2基本相当。其原因可以从图8看出，流程3的太阳能热水热量基本没有排向土壤，而流程1和流程2的太阳能热水热量通过地埋管大部分被土壤所吸收，因此才会出现图13的热量变化情况；而从图14可以看出流程1土壤散失的热量最大，流程2其次，流程3最小，这是因为流程1土壤吸收的太阳能热量越多，土壤自身散失的热量也就越大，文献也可以佐证这一观点。
4.太阳能热水梯级利用适用性
对于太阳能热水的梯级利用的必要条件是热水温度要达到50℃以上，而如果供热期太阳辐射不足将导致热水水温不能达到50℃以上，因此太阳能热水的梯级利用并不是适用于所有地区。就适用性问题本文选取了太阳能资源分布的一二三类地区的代表城市进行太阳能制热水数值模拟（四类五类地区大多属南方地区，一般不需要太阳能土壤源热泵系统）。制热循环选取上述流程中太阳能制热水循环，太阳能资源一类地区选取银川，二类地区选取太原，三类地区选取济南。
从图15图16图17可以看出，银川市太阳能热水箱水温总体分布上要明显高于太原市，而太原市要高于济南市，一年内具体水温超过50℃的时间量可以参考表2。
从表二可以得出：太阳能资源较丰富的地区采用太阳能热水的梯级利用更为合适，具体看来一类和二类地区在太阳能土壤源热泵系统中可以采用太阳能热水的梯级利用，而三类及三类以下的地区应根据实际情况考虑是否采用太阳能热水的梯级利用。
5.结论
5.1在太阳能资源较丰富的地区的太阳能土壤源热泵系统中，太阳能热水的梯级利用不仅可以平衡土壤热量及温度，还可以起到节能的作用，其节能率可达到10%左右。其原因主要在于对于温度高于50℃的这部分热水的热量的利用是不经热泵机组的直接利用，这样更有利于系统的节能。
5.2在太阳能土壤源热泵系统的梯级利用流程中，流程2不仅可以提高热水对于平衡土壤热量及温度的效果，还可以起到一定的节能效果，而流程3相较于流程2节能效果更明显，但是其土壤热平衡性却不如流程2，也不如流程1。当然三者对于以供暖为主的地区而言都不能完全平衡土壤热量及温度，因此实际运行时可根据土壤温度变化情况适当进行过渡季节蓄热运行。
5.3流程1和流程2中太阳能热水的热量都有被土壤所吸收，这也是这两个流程的土壤热平衡性好于流程3的原因，而土壤吸收的热量并没有完全返还给地源水，大部分热量被土壤自身所散失，这也是这两个流程的节能性不如流程3的部分原因。
5.4太阳能土壤源热泵系统中太阳能热水的梯级利用更适用于太阳能资源分布的一类及二类地区，而三类及三类以下的地区因为太阳辐射不足而造成可供直接利用的太阳能热水热量不足，因此要根据实际情况采用相应的运行策略。
关键词：太阳能-土壤源热泵；热水梯级利用；trnsys；适用性
1.前言
太阳能-土壤源热泵系统（SESHPS）是将太阳能集热系统和土壤源热泵系统相结合的复合式系统，该系统不仅克服了太阳能集热系统受天气、温度等环境因素影响的不稳定的缺点，而且可以缓解土壤源热泵长期运行造成的土壤温度逐渐下降的问题，从而提升了整个系统的稳定性、节能率。而目前对于太阳能-土壤源热泵系统的运行策略的研究多数是建立在太阳能集热器与地埋管换热器串并联方式的基础上，例如杨卫波等人提出了集热器和地埋管的三种连接形式，并进行了数值模拟，提出最佳运行模式为集热器与地埋管串联，载热流体先流经集热器后流经地埋管，并进行了系统的优化设计；余延顺等人提出了系统运行工况和运行时间分配与实际的建筑负荷、当地的气象条件有关，并根据这些相关因素去优化太阳能保证率，从而最终优化运行工况和各工况的时间分配。而冯晓梅等人以北京某实际工程为例，提出了对太阳能热水的梯级利用，尽量增大太阳能集热器面积，以加大对太阳能热水的直接利用率。
本文主要是对冯晓梅提出的太阳能热水的梯级利用进行了工程优化及数值模拟，以验证其在土壤温度恢复率及系统总能耗上的优势，并且对其地区适用性做了讨论。
2.系统模型的建立
2.1系统负荷模拟
本文选取了银川市某实际小型建筑为模型，采用DEST软件进行了该幢建筑全年逐时负荷的模拟，得出该建筑夏季冷负荷为63kW，冬季热负荷为105kW，模拟结果如下：
从图1可以看出该建筑的冬季热负荷明显比夏季冷负荷大，如果采用单一的地源热泵系统进行制冷制热，长时间运行后，土壤的取热量将大于排热量，导致土壤温度下降，从而导致地源热泵系统的运行能效下降。
2.2系统原理及构成
根据杨卫波等人提出的太阳能板与地埋管的最优连接方式所构建的系统流程1如图2：太阳能热水将直接进入地埋侧板换，与地源侧水进行换热，地源侧水先与太阳能热水进行换热，再进入地埋管进行换热。
根据冯晓梅等人提出的太阳能热水梯级利用，热水的利用分为四个温度梯级，这样的利用方式当然有其节能优点，但是控制上过于复杂，阀门过多，系统切换频繁，因此本文借鉴其控制思路，简化其运行策略，提出如图系统流程2：当水箱内太阳能热水温度大于50℃时，直接利用其热量供暖，此时热泵机组是处于关机状态，太阳能热水直接进入负荷侧板换加热负荷侧热水；当热水温度低于50℃时，系统运行如流程1。
根据朱家玲等人的研究，系统原理流程2中地埋管内的水会将部分太阳能热水的热量带入土壤中，而这样的热量会在土壤的渗流等因素的影响下很快散失掉，造成热量的损失，因此对流程2进行改进，如图4，让地埋管内的水先经过地埋侧板换，吸收太阳能热水的热量，当水箱内水温低于25℃时，再切换成普通的地埋管换热系统。
3.系统数值模拟
本文采用TRNSYS软件对上述的三种系统形式进行数值模拟，图5是根据以上三种运行模式在TRNSYS中所搭建的模拟流程，可以调整相关阀门以及增减修改少量的部件来实现以上三种流程，为了验证软件可靠性，参考文献中的实验流程进行相应模拟，得出结果与其实验值的比较见表1。
从表1可以看出，该模型的模拟结果与实验值的偏差是在可接受的范围内的，因此该模型可用来进行相关模拟，本文的模拟条件为：
①末端系统采用上述模拟的逐时负荷；
②热泵机组2台，标准工况下（夏季空调侧供回水温度为7/12℃，地埋侧供回水温度为30/25℃，冬季空调侧供回水温度为45/40℃，地埋侧供回水温度为5/10℃），制冷量59.08kW，制冷功率15.90kW，制热量71.97kW，制热功率25.16kW；
③土壤初始温度为12℃，导热系数为4.68W/m·K，土壤热容为2016kJ/m2/K，地埋管管深100m，水平管埋深2m，钻孔直径140mm，每延米换热量按当地土壤热响应测试报告冬夏季分别为45W/m和60W/m，数量按冬季热负荷计算，105kW/（45W/m*100m）≈24个；
④太阳能集热器面积根据文献结论“尺寸比例13.8m（埋管）/m2（集热器）”选取，2400/13.8≈174m2，水箱体积按照工程经验值估算，1m2集热器配50L水箱，故采用9m？不锈钢保温水箱两个，水箱内的水交替加热，隔天使用，以实现太阳能系统最大蓄能量，忽略水箱自身的热损失。
⑤当太阳能热水供水温度大于50℃时，流程2与流程3太阳能热水经过负荷侧板换与空调水进行换热，利用太阳能热水直接供暖；当太阳能热水供水温度在50℃到27℃时，太阳能热水经过地埋侧板换与地源水进行换热；当太阳能热水供水温度低于27℃时，不利用其热量。
从图6中可以看出：1.第一天和第四天流程3的系统COP最大，流程2和流程1基本相当；2.第二天流程3和流程2的COP为0，此时机组并未启动；3.第三天流程3和流程2的COP起初为0，而后增大；4.第五天流程3的COP起初显著大于其他流程，而后三者COP又趋于相同；5.横向比较发现第二天流程1的COP相比第一天呈现急剧上升和急剧下降的趋势。 产生这些变化的原因：①从图7中可以看出，第一天和第四天流程3地源侧回水温度整体上要远远大于流程1和2，水温基本维持在25℃左右，这也是地源水只和太阳能热水换热的结果，因此流程3机组的COP才会远远大于流程1和2；②第二天流程3和流程2的热泵机组没有开启，从图8中可以看出此时太阳能热水水温在50℃以上，已经实现独立供暖，不需要热泵机组；③从图8中可以看出第三天起初太阳能水温在50℃以上，因此流程2和流程3热泵机组起初没有开启，而后随着持续供暖对太阳能热水热量的消耗，水温降低到50℃以下，热泵机组才开启；④第五天起初太阳能热水温度在27℃到50℃之间，热水经过地埋侧板换换热，但随着热量的释放，热水水温也降到了27℃以下，此时三种流程的地源侧水只经过地埋管，因此呈现出近似的温度水平；⑤从图7可以看出地源侧回水水温也有类似COP的急上急下的特征，这也是导致COP如此变化的表面原因，而通过观察图8可以发现太阳能热水供水温度从原来的60℃左右急剧下降到25℃左右，说明此时地埋侧板换与太阳能热水的换热量大，而如此大的换热量说明地源水经过地埋管和机组水温下降幅度大，从而推导出地源水从板换吸收的热量大部分被地埋管所吸收。
3.2系统能耗水平比较研究
从图9可以看出流程3系统一年总能耗最低，其次为流程2，流程1能耗水平最高，相对于流程1的能耗水平，流程3节能率为13%，流程2节能率为10%。
流程2的节能途径主要是利用太阳能直接供暖，而流程3的节能途径主要是利用太阳能的直接供暖和COP的提高。具体说来，可以从图6和图7可以看出，流程3中地源水通过地埋侧板换换得的水温在25℃左右，可以明显提高系统COP，达到节能效果；而从图10可以看出流程3的太阳能直接供暖总量要比流程2更大，原因可以从图8看出，流程3对于热水的梯级利用更加平稳，每天制热结束时水温都都要高于其它流程，这样第二天制取的太阳能热水水温就更高，因而更有利于太阳能热水直接供热，这样流程3太阳能直接供暖总量也就比流程2要大，更加节能。
3.3系统土壤温度变化比较研究
从图11可以看出流程1和流程2的土壤温度变化规律相似，最后的土壤温度分别为11.25℃和11.29℃，土壤一年的温降分别为0.75℃和0.71℃；而流程3的土壤变化趋势与流程1和流程2接近，最后的土壤温度为11.05℃，土壤一年的温降为0.95℃，相比流程1和流程2温降加大。
参考图12可以看出土壤整体的热量变化和温度变化情况一致，流程1的土壤热量减少了40954961kJ，流程2的土壤热量减少了38704686kJ，流程3的土壤热量减少了46460310kJ，可见流程3土壤减少的热量最多，流程1其次，流程2最少。具体来说，土壤整体热量的变化可以分为两部分，一部分是土壤同地埋管的热量交换，另一部分是土壤与周围土壤或其他介质的热量交换。从图13可以看出，流程3的土壤被地埋管吸收的热量也是最大，而流程1和流程2基本相当。其原因可以从图8看出，流程3的太阳能热水热量基本没有排向土壤，而流程1和流程2的太阳能热水热量通过地埋管大部分被土壤所吸收，因此才会出现图13的热量变化情况；而从图14可以看出流程1土壤散失的热量最大，流程2其次，流程3最小，这是因为流程1土壤吸收的太阳能热量越多，土壤自身散失的热量也就越大，文献也可以佐证这一观点。
4.太阳能热水梯级利用适用性
对于太阳能热水的梯级利用的必要条件是热水温度要达到50℃以上，而如果供热期太阳辐射不足将导致热水水温不能达到50℃以上，因此太阳能热水的梯级利用并不是适用于所有地区。就适用性问题本文选取了太阳能资源分布的一二三类地区的代表城市进行太阳能制热水数值模拟（四类五类地区大多属南方地区，一般不需要太阳能土壤源热泵系统）。制热循环选取上述流程中太阳能制热水循环，太阳能资源一类地区选取银川，二类地区选取太原，三类地区选取济南。
从图15图16图17可以看出，银川市太阳能热水箱水温总体分布上要明显高于太原市，而太原市要高于济南市，一年内具体水温超过50℃的时间量可以参考表2。
从表二可以得出：太阳能资源较丰富的地区采用太阳能热水的梯级利用更为合适，具体看来一类和二类地区在太阳能土壤源热泵系统中可以采用太阳能热水的梯级利用，而三类及三类以下的地区应根据实际情况考虑是否采用太阳能热水的梯级利用。
5.结论
5.1在太阳能资源较丰富的地区的太阳能土壤源热泵系统中，太阳能热水的梯级利用不仅可以平衡土壤热量及温度，还可以起到节能的作用，其节能率可达到10%左右。其原因主要在于对于温度高于50℃的这部分热水的热量的利用是不经热泵机组的直接利用，这样更有利于系统的节能。
5.2在太阳能土壤源热泵系统的梯级利用流程中，流程2不仅可以提高热水对于平衡土壤热量及温度的效果，还可以起到一定的节能效果，而流程3相较于流程2节能效果更明显，但是其土壤热平衡性却不如流程2，也不如流程1。当然三者对于以供暖为主的地区而言都不能完全平衡土壤热量及温度，因此实际运行时可根据土壤温度变化情况适当进行过渡季节蓄热运行。
5.3流程1和流程2中太阳能热水的热量都有被土壤所吸收，这也是这两个流程的土壤热平衡性好于流程3的原因，而土壤吸收的热量并没有完全返还给地源水，大部分热量被土壤自身所散失，这也是这两个流程的节能性不如流程3的部分原因。
5.4太阳能土壤源热泵系统中太阳能热水的梯级利用更适用于太阳能资源分布的一类及二类地区，而三类及三类以下的地区因为太阳辐射不足而造成可供直接利用的太阳能热水热量不足，因此要根据实际情况采用相应的运行策略。