結(jié)合太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱的土壤源熱泵供暖技術(shù)研發(fā)與工程示范進(jìn)展順利
長(zhǎng)期以來(lái)，冬季燃煤采暖是造成我國(guó)北方廣大地區(qū)霧霾的重要原因。近年來(lái)，各地政府部門按照“宜電則電、宜氣則氣”的原則，多措并舉對(duì)傳統(tǒng)燃煤供暖進(jìn)行替代。土壤源熱泵供熱具有供暖能效高、不受環(huán)境溫度影響等優(yōu)點(diǎn)，極具推廣應(yīng)用前景，但是由于我國(guó)北方大部分地區(qū)的冬季熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于夏季冷負(fù)荷，土壤被取走的熱量得不到有效補(bǔ)充，引起土壤層溫度逐年遞減，導(dǎo)致土壤源熱泵供暖運(yùn)行能效逐漸惡化甚至報(bào)廢停機(jī)。
近三年來(lái)，在北京市教育委員會(huì)-市自然科學(xué)基金聯(lián)合資助項(xiàng)目（KZ201810017023）等的支持下，我校能源高效利用與清潔能源工程應(yīng)用研究所孫東亮教授牽頭開展了技術(shù)攻關(guān)。項(xiàng)目組結(jié)合京津冀地區(qū)豐富的太陽(yáng)能資源現(xiàn)狀，引入太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱技術(shù)，在春、夏、秋等非供暖季利用太陽(yáng)能對(duì)土壤進(jìn)行補(bǔ)熱增溫，以解決土壤層溫度逐年遞減的難題。同時(shí)，還可在供暖季通過(guò)太陽(yáng)能直供以分擔(dān)部分供暖負(fù)荷，從而進(jìn)一步提升了系統(tǒng)供暖能效（如圖1所示）。理論研究方面，項(xiàng)目組基于ANSYS Fluent軟件和用戶自定義函數(shù)（UDF）二次開發(fā)，提出了太陽(yáng)能跨季節(jié)土壤蓄熱的簡(jiǎn)化快速計(jì)算方法，大幅縮短了計(jì)算耗時(shí)且具備復(fù)雜工況下的求解穩(wěn)定性。還基于數(shù)值模擬、正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和支持向量機(jī)（SVM）等方法，構(gòu)建了太陽(yáng)能跨季節(jié)土壤蓄熱性能的快速預(yù)測(cè)模型，將該模型與第二代非支配排序遺傳算法相結(jié)合，開發(fā)了“部件-系統(tǒng)”一體化仿真優(yōu)化技術(shù)，指導(dǎo)供暖系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，制定優(yōu)化運(yùn)行策略，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效清潔供暖。
圖1 供暖系統(tǒng)原理圖
工程示范方面，2018年12月底在河北廊坊建成了結(jié)合太陽(yáng)能跨季節(jié)土壤蓄熱的土壤源熱泵供暖示范系統(tǒng)，供暖對(duì)象為1棟112平米的Venlo型玻璃溫室（如圖2所示）。系統(tǒng)主要由玻璃溫室、熱泵機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤管、蓄熱水箱、太陽(yáng)能集熱器及地埋管井群等設(shè)備構(gòu)成，同時(shí)集成了太陽(yáng)能集熱運(yùn)行控制、系統(tǒng)能耗監(jiān)測(cè)、土壤溫度監(jiān)測(cè)等軟件平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)運(yùn)行。
（a）農(nóng)業(yè)溫室供暖示范系統(tǒng)總圖
（b）系統(tǒng)主要設(shè)備和部件
（c）地埋管井群布置方案及工作井結(jié)構(gòu)
（d）系統(tǒng)控制和監(jiān)測(cè)平臺(tái)
圖2 供暖示范系統(tǒng)實(shí)物圖
基于該供暖示范系統(tǒng)，2019年1月1日至2020年3月15日期間，先后開展了單純土壤源熱泵供暖與結(jié)合太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱土壤源熱泵供暖的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，獲得了全面的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，不僅驗(yàn)證了太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱對(duì)解決井群區(qū)域地溫?zé)崾Ш獾挠行?，而且與單純土壤源熱泵供暖相比，新供暖系統(tǒng)的循環(huán)性能系數(shù)（COP）提升10%以上，徹底解決了土壤冷堆積和供暖性能逐年惡化的難題。
該技術(shù)有效克服了單純土壤源熱泵供暖的局限性，為推進(jìn)北京霧霾治理和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供了全新解決方案。2020年3月，項(xiàng)目組已經(jīng)與中能建地?zé)嵊邢薰締?dòng)了校企合作，雙方共同致力于在京津冀地區(qū)開展該技術(shù)的推廣應(yīng)用。
（機(jī)械工程學(xué)院、科學(xué)技術(shù)處）