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太阳能辅助地源热泵在加拿大寒冷气候中应用的可能性

摘要

本文呈现了在以加热为主的建筑中使用太阳能集热器作为辅助成分的混合式地源热泵（GSHP）系统的可行性研究。估计了加拿大多伦多的米尔顿市附近一个实际的房子的负载。TRNSYS，一个系统仿真软件工具，被用来模拟一个常规地源热泵系统的逐年性能以及一个假设的混合地源热泵系统。现场采集的实际年度数据对仿真结果进行了审查。这项研究表明，混合式地源热泵系统，结合太阳能集热器对加热为主房子的空间调节是一个可行的选择。它表明，在地面上的太阳能热能存储可以减少大量的地面热交换器（GHX）的长度。总面积

6.81平方米的地源热泵系统组合3个太阳能集热器将使GHX长度减少15％。敏感性分析了加拿大不同城市，结果是温哥华，这个拥有最温和气候的城市相比其他城市，对于太阳能混合动力系统，并且GHX长度减少与太阳能集热器面积比率为7.64米/平方米来说是最佳选择。整个系统的经济可行性是用20年的寿命周期成本分析来评价。分析结果表明，相比较常规地源热泵系统具有小经济好处。基于20年的寿命周期成本分析所提出的混合动力系统的净现值，根据钻井成本，低于传统的地源热泵系统估计在3.7％-7.6％（或1500美元3430美元加元）之间。

1.介绍

地热应用于建筑，100%的加热和冷却大多局限于依赖地下的地热能。虽然具有最低能量和维护成本的优点，在费用上这种做法可行，但空间的限制，高初始成本可能会使一个完整的地热安装收到限制。限制性规定，如强制要求的最小钻孔尺寸，注浆材料，工资率和热交换法，一般会增加这种系统的成本。初始成本可能使该项目超出预算，并且在一些情况下，钻井的条件可以防止使用大的常规闭环钻孔井场。

每年在许多建筑物中，热量从提取并注入到地面的量是不均衡的。大地耦合的一种常见的类型是垂直闭环型，其中大部分是用在有限的土地面积的建筑物。在设计这种类型的系统中，地面的热响应在整个项目预计使用寿命中必须考虑。如果接地回路热交换器不足够长，每年不平衡接地载荷将导致较低的热泵进入流体的温度在热主体建筑物或更高热泵在制冷主体建筑物进入流体的温度，到一个点，设备能力可能会受到损害。这种不平衡或者需要非常大的地面循环热交换器或某些机制协助系统通过补充逆差热或拒绝多余的热量。因为安装一个非常大的接地回路热交换器的成本可能会过多，所以一些地源热泵替代方法可以使用。这些措施包括太阳能集热器，其中注入额外的热量进入地面加热为主的建筑物，和冷却塔，即避免多余的热量散发到大气中并主要用于冷却建筑物。结合了一个系统地下换热器和地上换热器是通常被称为混合式地源热泵。在混合系统，峰值热泵进入流体温度每年应大致相等。在这项研究中，该系统利用太阳能收集器作为地上换热器，被称为太阳能辅助地源热泵系统。 本研究的目的是评价混合地源热泵系统与太阳能热收集器的性能和可行性。这项工作的主要目的是进行系统仿真方法来评估在供热为主的建筑中这种混合动力系统的可行性。实际住宅建筑来建模和结果与在一些特定月份通过监控设备的相关操作收集的实际数据相比较。不同类型和SAGSHP系统的方法已被研究和分析。

这将是理想的，这项研究与其他将吸引设计师和承包商在加拿大以供热为主的建筑中设计并安装这种混合动力系统的兴趣。

2.房间模式简介

建议选择进行研究的房子位于米尔顿镇，在60公里左右（38英里）的西部城市多伦多，安大略省，加拿大。房子是由当地的建设者在2005年建成两个能量效率示范住宅之一。房子是具有498平方米（5360平方英尺）生活区，包括具有下列特征的地下室超脱两层建筑：

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结构: 轻型木结构, 50mm×150mm(2 in.×6 in.),安装在610 mm (24 in.)中心，外墙施工用砖。

绝缘：喷涂泡沫保温墙RSI3.6平方米K / W（R20平方英尺 F/英热单位），RSI7平方米K / W（R40平方英尺 F/ Btu）表示的阁楼绝缘。

窗户：双层玻璃与低辐射涂层/氩科幻LLED带绝缘垫片，乙烯，RSI0.38平方米K / W（R2平方英尺 F/英热单位）。

房客：2名成人和2名儿童的时间50％。

地下室地板：混凝土地板加热板加热下，RSI，2.22平方米K / W（R12 ft2 HR F / BTU）。 按制造商特定网络阳离子，房子温度设置在加热期间为21摄氏度（70 F），在冷却期间为24摄氏度（75 F）。漏气在50帕（0.007磅）为1.41 ACH。按照CAN/ CSA-F326和安大略省建筑规范（OBC）连续文氏0.16 ACH tilation是必需的，通过热回收通风系统的新鲜空气（HRV）是61升/秒（130立方英尺）。用户的内部显热设定为2.4千瓦时/天。两个大人和两个孩子50％的时间在该房子内，并被供给225升/天（59.44 USgal/天）的热水消耗。房子的基本负载被认为是22千瓦时/天，包括照明电器，室外使用等。

TRNBuild[11]中，TRNSYS仿真软件的组件用于生成房屋的热负荷廓。TRNBuild已发展为TRNSYS的模拟多区域的建筑物的一部分。这个组件模型建筑物分为不同的热区的热行为。为了使用这个组件，必须首先执行一个单独的预处理程序。The TRNBuild程序读取并处理含有某个文件建筑物描述和产生两个音响莱将用于通过TRNSYS模拟。为了得到总住宅负载的想法，内部TRNBuild设备部件特性被用于后来在这项研究中所用的设备的组件将被从外部连接到房屋模型。trnbuild使用模拟的时间步长，未必等于步骤壁传递函数关系建立时间。最后，光学和热窗口模式，其中太阳能和内部辐射分布的每个区域内的方式，考虑了水分平衡计算和热活性壁综合模型。热活性建筑构件（板或建筑物的墙壁）用于调节buildingsby一个流体系统集成到大规模份建筑本身。一个例子是，已在地下室使用的辐射加热系统。

选择研究多伦多的气候，因为它是最接近已在TRNSYS上拥有气象数据的米尔顿城市。 为了便于比较和验证的目的，房子也仿照加拿大自然资源部开发的软件

HOT2000 v10.12做的做的模型。HOT2000是一个简化的住宅热损失/收益分析程序，它被广泛应用于北美国的建筑商，建筑师，工程师，研究人员，公用事业和政府机构和一些欧洲和日本的用户。利用电流的热损耗/增益和系统的性能模型，在仿真和建筑热效率的设计中，这个系统能够帮助被动式太阳能采暖和操作和性能的加热和冷却系统。

在TRNBuild房子已经分离的三个区域，1 - 地下室，2 - 一楼，和3 - 二楼。最大加热和冷却需求分别是11.5千瓦（39 MBH）和9.5千瓦（32.4 MBH）。从HOT2000和TRNSYS中得到的房子负载如表1.和TRNSYS结果比较可以看出，这两种模型之间良好的一致性。两个模拟之间的差异最可能归因于TRNSYS和HOT2000之间分析方法的差异。正如前面提到的TRNSYS，是每小时模拟程序，用的是传递函数方法，而HOT2000使用的是更简的单箱子法。

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3. SAGSHP模式简介

太阳能辅助地源热泵（SAGSHP）系统的方案图如Fig.1.该系统是由以下主要组件构成：

1. 阿特拉斯AT060，一个18千瓦（5吨）带有减温器的水 - 空气地源热泵，这单位在制冷模式下有15.6的能效比，进入温度为25 C的流体中，在制热模式下有3.6的性能系数，进入温度为0 C的流体中。

2. Enerworks，三个扁平的板太阳能热面板，串联连接，总面积为6.81平方米（73平方英尺），设置于45 角度。

3. 一个0.22 M3（60 USgal）热水箱，罗姆620 T，带有2×4.5千瓦的电加热器。

4. 功率管废水热回收模式R3-60。它是由缠铜排水管铜管构成。注入房子的冷水可以得到高达35％的污水（中水）的热能。

5. Venmar叶片 1.3HE热回收通风器（HRV）。一个空气对空气HRV的风速为62升/秒（130立方英尺）。在制热模式下，单元显热效率在0 C（32 F）时为80％，在制冷模式下，总热量恢复效率在35 C（95 F）时为26％。

地埋管换热器（GHX）系统由四个并联纵向闭环管路组成。每个钻孔直径有0.25米（10英寸），长度55米（180英尺）。它们位于后院，彼此分开3.6米（12英尺），在1.8米

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（6英尺）区域的下方回合如图Fig.2。

地面热交换器回路并联连接到太阳能集热器。太阳能集热器串联连接。太阳能集热器接收从接地回路热交换器的总溢流的百分比。有两个循环泵是热泵系统的一部分，它们分别位于地面热交换器的上游和下游。一个电磁阀和一个控制阀控制到太阳能收集器的溢流速率。

热泵的选择要满足适合地板辐射加热和辐射强迫空气加热的住宅空间加热的要求。该热泵在夏季提供制冷。热泵有一个通过内装有泵的减温器的专门提供家庭热水系统。热水从减温器回路流入水箱。热水箱和热泵都配有辅助电加热器。家用冷水是针对灰水热回收设备然后送至热水箱和/或者减温器。地下室的地板辐射采暖直接由热水箱提供并且有专用泵提供流动压力，这都包含在模型中。整个系统已在TRNSYS模拟环境（工作室）使用标准和非标准的组件模型构建。组件模型和它们的功能描述如下。

3.1 热泵模型

选定的组件组成单级液体源热泵热水加热减温器。热泵通过从地缘交换回路中的乙二醇溶液放热（制冷）或吸热（制热）来限制潮湿的空气流。连接到生活热水水箱二次水流流经减温器。在制冷模式下，减温器从一些放热负荷中减少了流经地缘换热回路的乙二醇溶液流。然而，在加热模式下，过热降温器需要液流吸收比仅加热空间所需的能量更多。这热泵模型适用应用于住宅地源热泵。地源热泵热交换器回路中的流体（盐水）建模为50％的丙二醇

[19]的水溶液，以避免冬季期间极端冷冻情况，尤其是对穿过太阳能收集器的一部分流体。

热泵模块链接到制造性能数据文件中。热泵的输入是来自模型中不同的组件，例如来自热泵的性能数据的参数，控制输入，房子中的数据，包括温度和湿度等。

3.2 接地回路换热器模型

该组件模仿与地面有相互热作用的垂直地下换热器。这个地下换热器模型是常用的地源热泵应用。此子程序机模仿相同的垂直的U形管地面热交换器或相同的垂直套管换热器。一种流体热载体通过地面热交换器循环，放出热量，或从地面吸收热量取决于载热流体与地面的温度。在典型的U形管或套管地下换热器的应用中，有一个垂直井孔钻入地下。然后

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把U形管或套管地下换热器放入井孔中。地面热交换器的顶部通常是在表面下的几英尺。最后，井孔用填充材料填满，或者用荒地土，或用某种类型的水泥浆。该模型假定在地面的圆柱形容积内均匀布置钻孔。在管道中和到储存容器中有对流传热。周围地面的温度从三部分进行计算：一个全球温度，局部解法和稳态通量解法。全局和局部的问题的解决使用明确的无限差分法，稳态通量解决方案用解析获得。将所得的温度，然后用叠加的方法计算出来的。这个子程序是瑞典隆德大学的数学物理系在TRNSYS V.16中地下热交换器动态仿真时写出的。圆筒形存储区域，估计为2470立方米（3231立方码），其中包含了钻孔的体积，所述钻孔被均匀地放置在储存容积内。地面的存储卷中的特性考虑均匀的，同时存储卷外的地面的性质可为几个垂直的层进行说明。在这项研究中，只有一层被考虑，是由于现场的土壤信息不足。在TRNSYS 16节现有的子程序后，其他几个增强地热钻孔分析已开发出可在该系统的未来分析考虑。

3.3 太阳能采集器模型

这部分模仿扁平的板太阳能集热器的热性能。太阳能收集器阵列包括三个串联连接的收集器。一系列模块的数目和每个模块的特性确定收集器阵列的热性能。对于这个组件，二阶二次函数用来计算热效率。函数的系数由ASHRAE或使用等效的测试数据提供。集热器效率相对流体温度系数减去环境温度对太阳辐射的比例标准测试结由制造商（Enerworks）提供。流体温度是入口和出口温度的平均温度。在此组件中，有五可能性来考虑非正常太阳活动的影响。在这种情况下，一个二次函数是用来计算入射角修正数。该函数的系数是由ASHRAE [ 25 ]提供。

3.4 水箱模型

这个组件选定为具有可变进气口和统一损失的分层网络储罐。满载流体显热储存罐的热性能易受热分层网络的影响，该分层网可以通过考虑水罐是由N个充分混合的等体积段来建模，作为每个制造商的信息数据。 N的值决定了分层网络的程度。罐体积选定为0.22立方米（60 USgal），罐的顶部安装两个4.5千瓦电加热元件。罐的特定网络对应于设备制造商（罗姆PRO620T）。热水的消耗被设定为225升/天（60 USgal /天）。热泵过热降温器热水循环是电气元件旁边的水箱的一个热源。热侧流体进口位置在节点，温度与热侧温度最接近。替换水是从混合器进入储水罐，混合器混合了从地板板坯加热回路来的回流和主要来自经过城市灰水回收设备的冷水。

地板板坯中热水的供给通过混合阀来自水罐，设定的温度为35 C（95 F）。考虑55 C（131 F）的开放的直接系统的水罐的工作温度，可能存在的水的停滞和细菌的生长以及交叉污染的机会。因此，在室内环应该通过一个闭合回路的水箱以避免上述风险。但这个系统正在设计与研究。

3.5 地板辐射加热模型

简单的地板加热系统/辐射地板选择了地下室辐射板坯加热。该组件模仿一个简单的辐射板系统，系统操作是在地板可以被视为一个单一等温质量的块状和流体到地板的热量传递可以使用热交换器有效性的方法来模拟的假设下进行的。板坯的表面由自由对流热传递计算为395瓦/ K（749 BTU / F H），对流传热系数为3.87瓦/平方米K时（0.68英热单位/小时英尺2 R）。总传热系数包括辐射是9 W / m2K（1.58 BTU / h为平方英尺 R）。

3.6 灰水热回收模型

灰水热回收系统的工作原理重力液膜换热器，即取超高速率和水液膜和铜的导热性能的优点的机制的原则。这个系统的安装将排水的热量传到城市冷水中。预定的热水处理量放在模型中考虑。预热的水随后被提供给热水箱进行进一步加热。进来的冷水得到的污水（中水）的热能可以高达85％。在TRNSYS模块中恒有效性换热器将是一个简单的选择来模拟灰水