引言土壤源热泵系统满足建筑的供冷供暖需求[1-2]，与传统的燃煤、燃气系统相比，土壤源热泵仅消耗电能，是清洁的供能系统[3-4]。严寒地区建筑的全年供暖时长大于制冷时长，土壤源热泵长期运行会导致土壤温度下降。因此，需要使用其他热源抵消不平衡的部分[5-6]。太阳能属于清洁能源，对环境的污染极低[7]。传统的太阳能热水系统功能单一，太阳能辐射强度达到直接制备生活热水温度时开启，温度不达标时关闭，忽视了太阳能提升热泵机组低位热源温度的能力[8]。以沈阳地区建筑为例，在土壤源热泵基础上，设计1套符合该地区实际情况的太阳能辅助土壤源热泵系统，为建筑供冷、供暖、提供生活热水。利用TRNSYS软件模拟运行，验证太阳能辅助对土壤源热泵供热效率的改善情况和保持土壤热平衡的能力。1研究概况及原理1.1建筑基本信息建筑基本信息如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.007.T001表1建筑基本信息类别数据建筑层数/层5单层高度/m4.2建筑总面积/m24 100外墙传热系数/[W/(m2·K)]0.55供暖设计温度/℃20制冷设计温度/℃26建筑位于辽宁省沈阳市，为商业建筑。建筑制冷日期为7月1日至8月31日。供暖日期为11月1日至次年3月31日。沈阳地区的气象参数如图1所示。图1沈阳地区的气象参数10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.007.F1a1（a）室外气温10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.007.F1a2（b）太阳辐射强度使用DeST软件进行模拟计算，建筑全年逐时负荷如图2所示。全年总热负荷约225 505 kW，总冷负荷约142 931 kW，热负荷约为冷负荷的1.58倍。全年负荷的不平衡性是严寒地区供暖、供冷系统面临的主要问题。土壤的热传递过程需要时间，热量常年以不平衡的方式使用时，会引起局部区域的低温堆积，造成系统供热效率下降。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.007.F002图2建筑全年逐时负荷1.2系统运行原理土壤源热泵夏季制冷时向土壤中补充热量，冬季制热时从土壤获取热量。太阳能设备能效受天气和时间影响，在不同季节和一天中的不同时间段制备的热水温度不同，因此可以为不同季节的不同热水赋予不同的使用功能。太阳能辅助土壤源热泵系统运行原理如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.007.F003图3太阳能辅助土壤源热泵系统运行原理选用1台61XW-A1110A型热泵机组，机组的额定制热功率为88 kW，额定制冷功率为55 kW，额定制热量为436 kW，额定制冷量为404 kW。太阳能辅助土壤源热泵系统工作方案如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.007.T002表2太阳能辅助土壤源热泵系统工作方案月份建筑负荷/kWh太阳能系统使用功能土壤源热泵系统使用功能176 053与热泵机组串联为建筑供暖251 935与热泵机组串联为建筑供暖316 825与热泵机组串联为建筑供暖40直供生活热水停止运行50直供生活热水停止运行60直供生活热水停止运行7-84 364直供生活热水为建筑制冷8-58 567直供生活热水为建筑制冷90直供生活热水停止运行100直供生活热水停止运行1114 941与热泵机组串联为建筑供暖1265 741与热泵机组串联为建筑供暖太阳能集热器被布置于屋顶，总面积400 m2；地埋管方式采用垂直单U形管，埋管深度100 m。系统的运行控制策略对系统的性能至关重要，将太阳能产生的热量以两种方式使用，与热泵机组串联运行，提升热泵机组内部蒸发器一侧的进水温度，进而提升制热COP；其余时间直接提供生活热水，代替建筑原有的电加热热水器，达到降低运行初投资和运行费用的目的。太阳能辅助土壤源热泵系统中转换阀1的作用是在直供生活热水和与热泵串联运行两种模式之间切换；转换阀2的作用是当太阳能产生热水的温度不足以提升热泵机组低位热源温度时，关闭太阳辅助部分，单独运行土壤源热泵。2TRNSYS仿真模型搭建使用TRNSYS软件对单独土壤源热泵系统和太阳能辅助土壤源热泵系统进行探究。土壤源热泵系统模拟如图4所示。太阳能辅助土壤源热泵系统模拟如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.007.F004图4土壤源热泵系统模拟10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.007.F005图5太阳能辅助土壤源热泵系统模拟模型中有两个环路，地埋管换热器和热泵机组之间为一个环路，地埋管从土壤中取热，作为热泵机组的低位热源；热泵机组和负荷末端作为第二个环路，向室内输送热量或冷量。在原有单独土壤源热泵系统模型基础上增加太阳能部分。太阳能可以直接提供生活热水，也可以与热泵机组串联运行。增加的主要模块包括太阳能集热器模块、水箱模块等。3结果与分析3.1系统COP对比单独系统COP 10年模拟结果如图6所示。联合系统COP 10年模拟结果如图7所示。传统的土壤源热泵系统冬季平均COP约4.05，并且供热性能呈现出逐年降低的态势。太阳能的辅助部分的冬季制热COP提升，提升至约5.19，提升幅度为28.1%。严寒地区的建筑供暖时间远大于制冷时间，所以供热COP的提升有利于改善系统全年运行情况。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.007.F006图6单独系统COP 10年模拟结果10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.007.F007图7联合系统COP 10年模拟结果3.2土壤热平衡对比土壤之间的传热具有延时性，某一地区的热量被取走后，需要一定的时间恢复，长时间的不平衡取热会造成土壤局部温度逐年降低。过低的土壤温度会影响冬季的制热效率，不利于系统的长期使用。维持土壤的热平衡至关重要。两种系统作用下土壤平均温度10年变化趋势如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.007.F008图8两种系统作用下土壤平均温度10年变化趋势由图8可知，单独土壤源热泵系统长期运行时，出现土壤温度逐年降低的情况，10年后温度降低约1.45 ℃，下降幅度约17.2%。有太阳能辅助时，土壤可以维持较好的热平衡。试验使用单U形管，使用双U形管时的土壤的传热效果出现不同的变化趋势，埋管深度和距离也会影响热平衡效果。同时不同地区的土壤条件的不同，也会造成供热效果的差异。3.3环境效益分析太阳能系统仅水泵需要电能消耗，是各种辅助能源中消耗电能最小的一种，产生的污染物排放最低。采用户式电热水器或额外的热泵机组制备热水时，运行费用远高于太阳能系统。使用太阳能系统可以降低生活热水的制备成本。太阳能系统使用阶段的能耗较低，但初投资相对较高，建议使用者详细计算系统的静态回收期和动态回收期，以便合理作出选择。不同型号的太阳能集热器的效率不同，不同的集热器在不同纬度地区存在不同的使用效果，需要根据本地区的条件进行综合对比。4结语计算目标建筑的全年逐时负荷，建筑全年的总热负荷约为冷负荷的1.58倍，负荷不平衡性会导致土壤温度逐年下降。使用TRNSYS软件进行模拟运行，单独土壤源热泵系统运行时，供热性能系数约4.05；太阳能辅助土壤源热泵系统运行时，供热性能系数提升至约5.19，提升幅度约23.7%，有利于节约能源。单独土壤源热泵系统运行10年，土壤平均温度下降约1.45 ℃，下降幅度约17.2%。加入太阳能系统可以缓解土壤温度逐年降低的情况。太阳能系统虽然增加了部分初投资，但运行费用大大降低，并且几乎不产生污染物，具有良好的环境效益。建筑不供暖时，太阳能可以直接制备生活热水，抵消部分室内户式电热水器的能耗，降低运行费用。