一种太阳能地源热泵系统优化设计方法.pdf

本发明一种太阳能地源热泵系统优化设计方法，其包括如下步骤，1）计算末端用户的冷热负荷并划分冷热负荷区间；2）确定集热器面积A和地埋管深度L的取值范围；3）确定地埋管换热器与土壤的吸放热量；4）计算得出最优集热器面积Adesign和最优钻孔深度Ldesign；5）根据步骤4）中计算得到的最优结果进行太阳能地源热泵系统的优化设计施工。其通过对不同施工情况的模拟计算，在步骤4）中由吸放热量的差值绝对值最小来确定即热器面积和钻孔深度的最优解，因此能够最大限度的稳定土壤的平均温度，保证系统较高的整体运行效率，同时能够使得太阳能地源热泵系统对环境产生的影响降到最低，实现可持续发展，长期充分可靠的运行。

权利要求书
1.  一种太阳能地源热泵系统优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤，
1）计算末端用户的冷热负荷并划分冷热负荷区间；通过模拟计算得出末端用户的逐时冷热负荷，并将逐时冷负荷按照数值分为N个区间，将逐时热负荷按照数值分为M个区间，使得每个区间的负荷变化率不超过300kJ/h2；用每个区间中逐时冷热负荷的最大值做为该区间的冷负荷（Qc，i）或热负荷（Qh，j），并统计每个区间的冷热负荷（Qc，i，Qh，j）对应的时间频数Hc，i或Hh，j，其中i=1，2，…，N；j=1，2，…，M；
2）确定集热器面积（A）和地埋管深度（L）的取值范围；由步骤1）中得到的每个区间的冷热负荷（Qc，i，Qh，j）计算出地埋管换热器的钻孔深度（L）的取值范围[Lmin，Lmax]和太阳能的集热器面积（A）的取值范围[0，Amax]；
3）确定地埋管换热器与土壤的吸放热量；由下列公式（1）和（2）计算得出地埋管换热器全年对土壤的吸放热量（Q吸，Q放）：


式中：qw，max为冬季地埋管换热器从土壤的单位时间设计吸热量；qs，max为夏季地埋管换热器向土壤的单位时间设计放热量；Q吸为地埋管换热器全年从土壤的总吸热量；Q放为地埋管换热器全年向土壤的总放热量；Qh，max为末端用户的最大热负荷；Qc，max为末端用户的最大冷负荷；
4）计算得出最优集热器面积（Adesign）和最优钻孔深度（Ldesign）；根据步骤2）中得到的集热器面积（A）和钻孔深度（L）的取值范围，以及步骤 3）中得到的地埋管换热器对土壤的吸放热量（Q吸，Q放），通过编程计算不同的集热器面积（A）和钻孔深度（L）下地埋管换热器全年对土壤吸放热量（Q吸，Q放），得出全年吸放热量（Q吸，Q放）之差的绝对值最小的一组数据所对应的集热器面积（A）和钻孔深度（L），即为最优集热器面积（Adesign）和最优钻孔深度（Ldesign）；
5）根据步骤4）中计算得到的最优集热器面积（Adesign）和最优钻孔深度（Ldesign），进行太阳能地源热泵系统的优化设计施工。

2.  根据权利要求1所述的一种太阳能地源热泵系统优化设计方法，其特征在于，所述的步骤1）中每个区间的负荷变化率的取值范围为20-200kJ/h2。

3.  根据权利要求1所述的一种太阳能地源热泵系统优化设计方法，其特征在于，所述的步骤1）中区间个数N和M的取值范围均为3-15。

4.  根据权利要求3所述的一种太阳能地源热泵系统优化设计方法，其特征在于，所述的区间个数N的取值为8或9；区间个数M的取值为8或9。

5.  根据权利要求1所述的一种太阳能地源热泵系统优化设计方法，其特征在于，所述的太阳能地源热泵系统为串联系统，步骤2）中的钻孔深度（L）的取值范围[Lmin，Lmax]由以下公式（3）和（4）得到，集热器面积（A）的取值范围[0，Amax]，由以下公式（4）和（5）计算得到；
Lmax=1000Qh,max[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fh+Rsp×(1-Fh)](t∞-tmin)(COP-1COP)---(3);]]>
Lmin=1000Qc,max[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fc+Rsp×(1-Fc)](tmax-t∞)(EER+1EER)---(4);]]>
Lmin=1000(Qh,max-AmaxIη[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fh+Rsp×(1-Fh)])(t∞-tmin)(COP-1COP)---(5);]]>
式中：I为太阳能辐照度；η为集热器效率；tmax为制冷工况下地埋管换 热器中传热介质的设计平均温度；tmin为供热工况下地埋管换热器中传热介质的设计平均温度；t∞为埋管区域岩土体的初始温度；Fc为制冷运行份额；Fh为供热运行份额；Rf为传热介质与U型管内壁的对流换热热阻；Rpe为U型管的管壁热阻；Rb为钻孔灌浆回填材料的热阻；Rs为地层热阻；Rsp为短期连续脉冲负荷引起的附加热阻；COP为热泵机组制热性能系数；EER为热泵机组制冷性能系数。

6.  根据权利要求5所述的一种太阳能地源热泵系统优化设计方法，其特征在于，所述的制冷工况下地埋管换热器中传热介质的设计平均温度（tmax）的取值范围为33℃～36℃；供热工况下地埋管换热器中传热介质的设计平均温度（tmin）的取值范围为-2℃～6℃。

7.  根据权利要求1或5或6所述的一种太阳能地源热泵系统优化设计方法，其特征在于，末端用户最大热负荷（Qh，max）为M个热负荷区间中热负荷（Qh，j）中的最大值；所述的末端用户的最大冷负荷（Qc，max）为N个冷负荷区间中冷负荷（Qc，i）中的最大值。

8.  根据权利要求5或6所述的一种太阳能地源热泵系统优化设计方法，其特征在于，冬季地埋管换热器从土壤的单位时间设计吸热量（qw，max）和夏季地埋管换热器向土壤的单位时间设计放热量（qs，max）由以下公式（6）和（7）计算得到；
qw,max=t∞-tmin1000[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fh+Rsp+(1-Fh)]L-AIη---(6);]]>
qs,max=tmax-t∞1000[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fc+Rsp+(1-Fc)]L---(7).]]>

9.  根据权利要求1或5或6所述的一种太阳能地源热泵系统优化设计方法，其特征在于，所述的步骤4）中的编程计算时，在集热器面积（A）和钻 孔深度（L）的取值范围[Lmin，Lmax]和[0，Amax]中，集热器面积（A）以0.5-3m2为计算步长，钻孔深度（L）以0.5-3m为计算步长，分别对集热器面积（A）和钻孔深度（L）循环取值形成若干组数据，计算得出每组数据对应的全年吸放热量（Q吸，Q放）之差的绝对值。

10.  根据权利要求9所述的一种太阳能地源热泵系统优化设计方法，其特征在于，所述的集热器面积（A）的计算步长为1m2，钻孔深度（L）的计算步长为1m。

说明书一种太阳能地源热泵系统优化设计方法
技术领域
本发明涉及太阳能地源热泵系统的设计方法，具体为一种太阳能地源热泵系统优化设计方法。 
背景技术
由于北方地区土壤温度较低，热负荷大，供暖时间长，单独使用地源热泵系统，地埋管换热器对土壤的吸热量大于放热量，土壤平均温度下降，系统效率下降。太阳能地源热泵系统的提出很好的解决了这个问题。但是我国只有对单独地源热泵系统（《地源热泵系统工程技术规范》）和单独太阳能系统（《太阳能供热采暖工程技术规范》）的设计规范，还未发行相关对于太阳能地源热泵系统的设计规范。实际中对于钻孔深度及集热器面积的选取比较混乱，使得土壤的吸放热量不平衡，系统整体运行效率较低，造成部分设计系统无法正常运行，因而合理的设计钻孔深度及集热器面积对于太阳能地源热泵系统有着重要的意义。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能地源热泵系统优化设计方法，能满足室内冷热负荷的需求，同时保证土壤平均温度的全年稳定，系统运行效率高。 
本发明是通过以下技术方案来实现： 
一种太阳能地源热泵系统优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤， 
1）计算末端用户的冷热负荷并划分冷热负荷区间；通过模拟计算得出末端用户的逐时冷热负荷，并将逐时冷负荷按照数值分为N个区间，将逐时热负荷按照数值分为M个区间，使得每个区间的负荷变化率不超过300kJ/h2； 用每个区间中逐时冷热负荷的最大值做为该区间的冷负荷Qc，i或热负荷Qh，j，并统计每个区间的冷负荷Qc，i或热负荷Qh，j对应的时间频数Hc，i或Hh，j，其中i=1，2，…，N；j=1，2，…，M； 
2）确定集热器面积A和地埋管深度L的取值范围；由步骤1）中得到的每个区间的冷负荷Qc，i或热负荷Qh，j计算出地埋管换热器的钻孔深度L的取值范围[Lmin，Lmax]和太阳能的集热器面积A的取值范围[0，Amax]； 
3）确定地埋管换热器与土壤的吸放热量；由下列公式（1）和（2）计算得出地埋管换热器全年对土壤的吸热量Q吸和放热量Q放： 


式中：qw，max为冬季地埋管换热器从土壤的单位时间设计吸热量；qs，max为夏季地埋管换热器向土壤的单位时间设计放热量；Q吸为地埋管换热器全年从土壤的总吸热量；Q放为地埋管换热器全年向土壤的总放热量；Qh，max为末端用户的最大热负荷；Qc，max为末端用户的最大冷负荷； 
4）计算得出最优集热器面积Adesign和最优钻孔深度Ldesign；根据步骤2）中得到的集热器面积A和钻孔深度L的取值范围，以及步骤3）中得到的地埋管换热器对土壤的吸热量Q吸和放热量Q放，通过编程计算不同的集热器面积A和钻孔深度L下地埋管换热器全年对土壤吸热量Q吸和放热量Q放，得出全年吸热量Q吸和放热量Q放之差的绝对值最小的一组数据所对应的集热器面积A和钻孔深度L，即为最优集热器面积Adesign和最优钻孔深度Ldesign； 
5）根据步骤4）中计算得到的最优集热器面积Adesign和最优钻孔深度 Ldesign，进行太阳能地源热泵系统的优化设计施工。 
优选的，所述的步骤1）中每个区间的负荷变化率的取值范围为20-200kJ/h2。 
优选的，所述的步骤1）中区间个数N和M的取值范围均为3-15。 
优选的，所述的区间个数N的取值为8或9；区间个数M的取值为8或9。 
优选的，所述的太阳能地源热泵系统为串联系统，步骤2）中的钻孔深度L的取值范围[Lmin，Lmax]由以下公式（3）和（4）得到，集热器面积A的取值范围[0，Amax]，由以下公式（4）和（5）计算得到； 
Lmax=1000Qh,max[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fh+Rsp×(1-Fh)](t∞-tmin)(COP-1COP)---(3);]]>
Lmin=1000Qc,max[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fc+Rsp×(1-Fc)](tmax-t∞)(EER+1EER)---(4);]]>
Lmin=1000(Qh,max-AmaxIη[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fh+Rsp×(1-Fh)])(t∞-tmin)(COP-1COP)---(5);]]>
式中：I为太阳能辐照度；η为集热器效率；tmax为制冷工况下地埋管换热器中传热介质的设计平均温度；tmin为供热工况下地埋管换热器中传热介质的设计平均温度；t∞为埋管区域岩土体的初始温度；Fc为制冷运行份额；Fh为供热运行份额；Rf为传热介质与U型管内壁的对流换热热阻；Rpe为U型管的管壁热阻；Rb为钻孔灌浆回填材料的热阻；Rs为地层热阻；Rsp为短期连续脉冲负荷引起的附加热阻；COP为热泵机组制热性能系数；EER为热泵机组制冷性能系数。 
优选的，所述的制冷工况下地埋管换热器中传热介质的设计平均温度tmax的取值范围为33℃～36C；供热工况下地埋管换热器中传热介质的设计 平均温度tmin的取值范围为-2℃～6℃。 
优选的，末端用户最大热负荷Qh，max为M个热负荷区间中热负荷Qh，j中的最大值；所述的末端用户的最大冷负荷Qc，max为N个冷负荷区间中冷负荷Qc，i中的最大值。 
优选的，冬季地埋管换热器从土壤的单位时间设计吸热量qw，max和夏季地埋管换热器向土壤的单位时间设计放热量qs，max由以下公式（6）和（7）计算得到； 
qw,max=t∞-tmin1000[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fh+Rsp+(1-Fh)]L-AIη---(6);]]>
qs,max=tmax-t∞1000[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fc+Rsp+(1-Fc)]L---(7).]]>
优选的，所述的步骤4）中的编程计算时，在集热器面积A和钻孔深度L的取值范围[Lmin，Lmax]和[0，Amax]中，集热器面积A以0.5-3m2为计算步长，钻孔深度L以0.5-3m为计算步长，分别对集热器面积A和钻孔深度L循环取值形成若干组数据，计算得出每组数据对应的全年吸热量Q吸和放热量Q放之差的绝对值。 
优选的，所述的集热器面积A的计算步长为1m2，钻孔深度L的计算步长为1m。 
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果： 
本发明所述的优化设计方法，根据不同施工情况的模拟，得出经分区后的每个区间的冷热负荷，从而能够得出集热面积和地埋管深度的取值范围，最后在不同的集热面积和地埋管深度的取值范围下得到若干组的全年吸放热量，从中得出吸放热量差值的绝对值最小的一组数据，即为集热面积额和地埋管深度的最优解；由于吸放热量的差值绝对值最小，因此能够最大限度的 稳定土壤的平均温度，保证系统较高的整体运行效率，同时能够使得太阳能地源热泵系统对环境产生的影响降到最低，实现可持续发展，长期充分可靠的运行。 
进一步的，采用串联的系统设计，能够进一步的提高系统运行和使用效率；通过合理的区间个数的选择和设计平均温度的选择，以及计算步长的选择，能够在保证计算精度的同时减小运算的时间和模拟的难度，进一步的达到了优化的目的。 
附图说明
图1为本发明实例中所述的太阳能地源热泵系统的结构示意图；其中，1为太阳能集热器，2为地埋管换热器，3为热泵机组，4为水箱，5为末端用户。 
图2为本发明实例中的优化设计方法的计算流程框图。 
图3为本发明实例中结构建模模拟后得到的末端用户全年逐时负荷图。 
图4为本发明实例中结构建模模拟后得到的系统运行五年的土壤温度变化图。 
图5为本发明所述方法与现有方法条件下的土壤温度比较图。 
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。 
本发明一种太阳能地源热泵系统优化设计方法，本优选实施例中以串联系统为例，进行优化设计的举例说明，本发明的优化设计方法的步骤和思想也能够用于对并联系统或是其系统进行应用，只需要根据具体的系统，对不同的参数的利用现有技术中的技术手段予以确定。本优选实例所述的串联系 统结构，如图1所示，通过水箱4实现为太阳能集热器1，和地埋管换热器2的串联，通过热泵机组3与末端用户5连接，实现供暖和制冷。 
在对本优选实例所述的系统结构进行优化设计时，计算流程步骤如图2所示，其包括以下步骤。 
1）计算冷热负荷并划分冷热负荷区间；通过模拟计算得出末端用户的逐时冷热负荷，并将逐时冷负荷按照数值分为N个区间，将逐时热负荷按照数值分为M个区间，使得每个区间的负荷变化率不超过300kJ/h2；优选的每个区间的负荷变化率的取值范围为20-200kJ/h2。 
用每个区间中逐时冷热负荷的最大值做为该区间的冷负荷Qc，i或热负荷Qh，j，用于代表对应区间中所有的逐时冷负荷或逐时热负荷；并统计每个区间的冷负荷Qc，i或热负荷Qh，j对应的时间频数Hc，i或Hh，j，其中i=1，2，…，N；j=1，2，…，M；模拟计算时优选的以西安地区的数据为条件，优选的以TRNSYS模拟软件进行模拟，对系统进行全年性能的模拟。相关基本参数名称、缩写、取值和单位如表一所示。对系统进行模拟后得到，如图3所示的末端用户全年逐时负荷图。 
优选的在进行区间个数划分时，N个冷负荷区间和M个热负荷M的取值范围均为3-15。进一步的能够取值为8或9。根据图3所示，本优选实施例以9个冷负荷，8个热负荷为例，并进行取代表值和统计时间频数，冷负荷数值及频数如表二所示，热负荷数值及频数如表三所示。 
2）确定集热器面积A和地埋管深度L的取值范围；由步骤1）中得到的每个区间的冷负荷Qc，i或热负荷Qh，j计算出地埋管换热器的钻孔深度L的取值范围[Lmin，Lmax]和太阳能的集热器面积A的取值范围[0，Amax]。 
针对本优选的串联系统，对钻孔深度L的取值范围[Lmin，Lmax]能够由以 下公式（3）和（4）得到，集热器面积A的取值范围[0，Amax]能够由以下公式（4）和（5）计算得到； 
Lmax=1000Qh,max[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fh+Rsp×(1-Fh)](t∞-tmin)(COP-1COP)---(3);]]>
Lmin=1000Qc,max[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fc+Rsp×(1-Fc)](tmax-t∞)(EER+1EER)---(4);]]>
Lmin=1000(Qh,max-AmaxIη[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fh+Rsp×(1-Fh)])(t∞-tmin)(COP-1COP)---(5);]]>
式中：I为太阳能辐照度；tmax为制冷工况下地埋管换热器中传热介质的设计平均温度；tmin为供热工况下地埋管换热器中传热介质的设计平均温度；t∞为埋管区域岩土体的初始温度；Fc为制冷运行份额；Fh为供热运行份额；Qh，max为末端用户的最大热负荷；Qc，max为末端用户的最大冷负荷；其余参数与表一中给出的参数相同。 
其中，太阳能辐照度I和埋管区域岩土体的初始温度t∞的取值，由具体地区的不同决定，本实施例以西安地区为例；对制冷运行份额Fc，供热运行份额Fh，均由系统设计时的指标设定取值；对制冷工况下地埋管换热器中传热介质的设计平均温度tmax的取值范围，优选的取33℃～36℃；对供热工况下地埋管换热器中传热介质的设计平均温度tmin的取值范围，优选的取-2℃～6℃。末端用户最大热负荷Qh，max就是M个热负荷区间中热负荷Qh，j中的最大值；末端用户的最大冷负荷Qc，max就是N个冷负荷区间中冷负荷Qc，i中的最大值。 
3）确定地埋管换热器与土壤的吸放热量；由下列公式（1）和（2）计算得出地埋管换热器全年对土壤的吸热量Q吸和放热量Q放： 


式中：qw，max为冬季地埋管换热器从土壤的单位时间设计吸热量；qs，max为夏季地埋管换热器向土壤的单位时间设计放热量；Q吸为地埋管换热器全年从土壤的总吸热量；Q放为地埋管换热器全年向土壤的总放热量；其余参数与步骤2）中给出的参数相同。 
本优选实施例中，冬季地埋管换热器从土壤的单位时间设计吸热量qw，max和夏季地埋管换热器向土壤的单位时间设计放热量qs，max能够由以下公式（6）和（7）计算得到； 
qw,max=t∞-tmin1000[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fh+Rsp+(1-Fh)]L-AIη---(6);]]>
qs,max=tmax-t∞1000[Rf+Rpe+Rb+Rs×Fc+Rsp+(1-Fc)]L---(7).]]>
式中各参数与式（1）和（2）中的含义相同。 
4）计算得出最优集热器面积Adesign和最优钻孔深度Ldesign；根据步骤2）中得到的集热器面积A和钻孔深度L的取值范围，以及步骤3）中得到的地埋管换热器对土壤的吸热量Q吸和放热量Q放，通过编程计算不同的集热器面积A和钻孔深度L下地埋管换热器全年对土壤吸热量Q吸和放热量Q放，得出全年吸热量Q吸和放热量Q放之差的绝对值最小的一组数据所对应的集热器面积A和钻孔深度L，即为最优集热器面积Adesign和最优钻孔深度Ldesign。 
本优选实例中，按照图2所示流程进行计算，经前述步骤中的参数的取值，以及依步骤的计算，优选的在编程计算时，在集热器面积A和钻孔深度L的取值范围[Lmin，Lmax]和[0，Amax]中，集热器面积A以0.5-3m2为计算步长，钻孔深度L以0.5-3m为计算步长，分别对集热器面积A和钻孔深度L 循环取值形成若干组数据，计算得出每组数据对应的全年吸热量Q吸和放热量Q放之差的绝对值；本优选实例取集热器面积A的计算步长为1m2，钻孔深度L的计算步长为1m。最后得到最优的设计参数为Adesign=28m2，Ldesign=339m。 
5）根据步骤4）中计算得到的最优集热器面积Adesign和最优钻孔深度Ldesign，进行太阳能地源热泵系统的优化设计施工。 
优化设计完成后，通过继续模拟计算，能够得到本优选实例中所设计的结构系统运行五年的土壤温度变化图，如图4所示，能够观察得出土壤平均温度的变化，从而得到第一年土壤的温度变化率最大，为4.65%，到第五年已经降到0.51%，土壤平均温度趋于稳定。 
同时，在优化设计完成后，能够通过继续编程模拟计算，对得到的最优集热器面积Adesign和最优钻孔深度Ldesign，与表四中所列的现有技术中任取的三个集热器面积和地埋管深度条件下土壤温度的变化进行比较，结果如图5所示，能够明显的得出本发明所述方法能够确保土壤的平均温度下降较少，土壤温度较为稳定，结合如图4所示的土壤平均温度的变化，从而都能够得出利用本发明所述的优化设计方法设计施工的太阳能地源热泵系统，能以较好的性能长时间稳定的运行，环境影响小，系统效能高。 
表一 

表二 
冷负荷/kJ/h 56156.1 47686 39950.5 35107.1 31403.4 频数/h 35 107 156 122 145 冷负荷/kJ/h 26711.9 17837.2 6314.6 907.465   频数/h 259 397 204 71  
表三 
热负荷/kJ/h 1059.845 4983.203 10514.14 14280.96 频数/h 58 133 111 78 热负荷/kJ/h 18602.53 24472.34 32040.95 40612.14 频数/h 176 134 174 21
表四 
设计方法 本发明优化方法设计 取值1 取值2 取值3 集热器面积/m228 79 76 76 钻孔深度/m 339 278 271 379