本文是一篇土木工程论文，本课题针对石家庄农村地区单层民居的小型太阳能耦合地源热泵应用性展开研究，通过计算建筑负荷，对系统进行设计、选型与施工，并对系统的运行效果进行了监测分析。
第1章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
能源是人类赖以生存的重要基础。随着经济发展、科技进步，中国正在发生日新月异的变化。目前的中国是世界上第二大经济体，也是世界第一大工业国与农业国。中国从农业大国变为工业大国，正是依靠着能源的更替与改进。我国拥有十分丰富的化石资源，煤炭占据着主导地位。2019年我国一次能源生产总量达39.7亿吨标准煤，是世界能源生产第一大国，而原煤产量约38.46亿吨，煤炭仍是保障能源供应的基础能源。煤炭燃烧是影响环境问题的主要因素，逐步降低煤炭占比，推进可再生能源改革发展是当前我国发展的重中之重。
中国早已意识到高速发展背后显现出的日益严重的能源与环境危机，并通过不断的能源结构改革、新旧能源过渡，逐步形成了以煤炭为主体，以电力为中心，以石油、天然气和可再生能源全面发展的能源供应格局。2012年-2019年中国能源消费结构如图1-1所示，我们可以看到，煤炭在中国能源消费总量中占比正在逐年下降，可再生能源的占比则越来越高。
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1.2 国内外研究现状
本课题主要对太阳能耦合地源热泵系统在中国北方农村某住宅的供暖改造与运行效果进行分析，并对该系统进行模拟优化研究及经济效益分析。太阳能耦合地源热泵跨季节储热是一项较为成熟的技术，国内外学者也从仿真模拟与实际应用等方面对其进行了理论及试验研究，且取得了很多成果。
1.2.1 太阳能耦合地源热泵技术仿真模拟领域国内外研究现状
仿真模拟是研究太阳能耦合地源热泵的重要参考，对该技术的发展起至关重要的作用。对太阳能耦合地源热泵技术的仿真模拟大多利用TRNSYS软件对系统运行能效进行分析，或利用ANSYS软件对土壤热量分布进行分析。
意大利的G.Emmi等利用TRNSYS对寒冷气候下太阳能辅助地源热泵系统供暖效果进行了仿真研究，分析了竖井长度对热泵能效的影响[16]。约旦大学的M.Abu-Rumman等提出了一个利用光伏热的地源热泵(PV/T-GSHP)组成的新系统，利用TRNSYS软件将光伏系统和地源热泵系统在混合系统中耦合，结果表明该混合系统不仅耗电量降低25.7%，且热泵的平均性能系数从4.6增加到6.2[17]。湖南科技大学的刘仙萍等利用TRNSYS研究了夏热冬冷地区的典型居住建筑中光伏/光热-地源热泵联合供热系统的运行性能，结果表明该系统可有效保证土壤热平衡，且对比地源热泵能效比提升了43.8%[18]。
北京工业大学的郭占全等使用ANSYS软件对水平地埋管以及土壤的非稳态换热过程进行了模拟分析，研究了特定范围内的埋管深度、管内流体温度、土壤热物性参数以及埋管间距对土壤蓄热效果的影响，得出了特定情况下最有利于土壤蓄热的相关参数[19]。王丹等利用ANSYS软件针对采用闭式垂直U型地埋管换热器的太阳能耦合地源热泵系统运行性能进行了模拟分析，结果显示土壤温度沿径向的变化较大，且随着半径的增加温度梯度逐渐变小[20]。
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第2章 太阳能耦合地源热泵系统设计
2.1 建筑所处气候条件
本文选取了石家庄某农村一户单层民居进行太阳能耦合地源热泵项目改造试验。石家庄市位于东经113°30′～115°20′，北纬37°27′～38°47′之间，海拔约81米，地处中国北方，光照资源分区属于II类地区，热工分区属于寒冷地区。
2.1.1 光照条件
石家庄位于光照资源II类地区，太阳能资源较为丰富，因为其较为丰富的光照资源，石家庄地区对太阳能进行了全方位多方面的应用[24]。石家庄地区光照情况如表2-1所示。
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2.1.2 土壤条件
石家庄地区土壤条件相对复杂，在施工前对当地的地质结构情况进行了钻孔测试。测试孔径160mm，钻孔深度为50m，钻孔试验所得详细的试验所在地地质构造柱状结构如图2-1所示。经测温，试验所在地地下30m处土壤温度约15.7℃。
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2.2 建筑物基本情况
2.2.1 建筑基础情况
本文选取的建筑位于河北省石家庄市某农村一栋民居，建筑仅地上一层，建筑入口大门为美观进行过加高装潢，整体建筑的层高为3.6米，建筑空调面积约126.2m2，房间类型分为客厅、餐厅、厨房、卧室、卫生间、走廊、储物间等。因目标建筑为农村自建房，没有工程图纸，故本建筑的结构图根据实际测量绘制。建筑的结构图如图2-2所示，建筑实际照片如图2-3所示。目标建筑拥有面积较大的院落，比较适合地源热泵系统的铺设。
2.2.2 建筑围护结构
自2000年起，虽然农村人口总数正随着我国城市化进程的逐年加快而逐渐减少，但农村地区的建筑能耗却逐年增加，据统计，农村地区单位建筑面积能耗年均增长可达到5.96%。在北方地区，供暖能耗作为建筑能耗的重要组成，更是占到农村地区总能耗的60%以上。这不仅因为北方地区气候寒冷，还有一个主要因素是北方地区农村的既有建筑围护结构保温性能与气密性较差[25]。
2.2.3 建筑室内空气设计参数
当建筑室内的空气温度与相对湿度发生变化时，都会对人体的舒适程度造成影响。美国制冷空调工程师学会(ASHRAE)在1998年给出了人体舒适性区域图[26]，如图2-4所示，图中梯形面积代表舒适性区域，热舒适区范围为相对湿度在18%-70%之间，室内温度在21℃-25℃之间，且适用于身着热阻约0.6-0.8clo的服装静坐的人（即室内身着较少衣物的人）。
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第3章 地埋管换热系统数学与物理建模 ····················· 31
3.1 系统的数学建模 ······························· 31
3.1.1 地埋管管内流体换热模型 ······················· 31
3.1.2 地埋管换热器的传热模型 ···················· 32
第4章 太阳能耦合地源热泵系统模拟与运行分析 ························· 47
4.1 系统模拟结果分析 ··························· 47
4.1.1 地源热泵系统供暖的模拟分析 ······························ 47
4.1.2 太阳能耦合地源热泵系统供暖的模拟分析 ······················ 53
第5章 系统环境效益与经济性分析 ··························· 83
5.1 系统经济性分析 ·························· 83
5.1.1 系统初投资与年运行费用 ························ 83
5.1.2 静态投资回收期 ····································· 85
第5章 系统环境效益与经济性分析
5.1 系统经济性分析
根据地源热泵系统工程技术规范，开式系统的设计寿命一般为30年，闭式系统的设计寿命一般为50年，太阳能耦合地源热泵系统采用地下埋管储热，属于闭式系统，设计使用年限为50年。因系统的寿命周期长且系统运行相对稳定，可利用静态的方式计算系统的投资回收期限，而考虑到太阳能耦合地源热泵系统作为一个长期的投资项目，与资金的时间价值[58]等因素，对系统的经济分析方法则使用动态分析法。
5.1.1 系统初投资与年运行费用
系统的初投资主要包括埋管施工费、管材、附件费及设备费用等。年运行费用指系统运行一年所需费用，主要包括水泵与地源热泵机组的耗电费用及设备维护费用等。项目年收益主要为相较燃煤锅炉节省的燃料费等。
(1) 系统初投资
系统各主要部件的选型在上文已详细计算。对于垂直埋管的管道及附属设备费用约为5元/m，垂直埋管采用双U型设置，共有16个钻孔，共约16×30×2=960m。室外埋管施工费主要是指垂直埋管的钻井费用，根据工程经验，垂直埋管的钻孔费约为10元/m，共16×30=480米。太阳能集热器单个面积为6m2，每个成本1200元，通过上文选型计算，系统所需太阳能面积约105m2，共需要18组集热器。循环泵的成本取400元/kW，通过上文选型可知水泵总功率为400+880+720+151=2151W，取整约2.2kW。系统主要设备初投资如表5-1所示，通过计算，系统初投资约为4.608万元。
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结论
在碳中和、碳达峰的双碳号召下我国建筑行业如何减少建筑能耗、做到绿色转型等问题，是目前的研究重点与研究热点。供暖作为建筑能耗的重要构成部分，供暖方式如何从煤炭等传统能源向清洁、可再生能源转变，是本专业的主要研究方向。我国幅员辽阔，拥有丰富的太阳能资源，本课题将太阳能与地源热泵结合，不仅可以有效减少能耗，还可以实现对建筑的稳定供暖。
本课题针对石家庄农村地区单层民居的小型太阳能耦合地源热泵应用性展开研究，通过计算建筑负荷，对系统进行设计、选型与施工，并对系统的运行效果进行了监测分析。同时，利用ANSYS软件进行系统建模，分别模拟了地源热泵与太阳能耦合地源热泵两种系统连续运行五年的土壤温度分布状况，验证了系统的稳定性与可靠性。最终通过对系统有无保温措施的情况下土壤储热与取热效果模拟，以及3种分段式加热方案的模拟对比，对系统进行了优化分析，为小型地埋管换热系统提供借鉴。本课题在研究过程中得出了以下结论：
(1) 太阳能耦合地源热泵系统可在非供暖季将热量储存于土壤，在供暖季将热量取出。经实际运行数据监测可知，土壤作为蓄热体的储热效果十分稳定，系统在非供暖季的储热量可以满足建筑的供暖需求，系统整体运行效果较好。
(2) 相比地源热泵，太阳能耦合地源热泵系统在非供暖季的储能量更多，储能结束后土壤温度更高，温度变化更平缓，地埋管换热器的换热更为充分，供暖季取热量可以较好的满足建筑供暖需求。随着运行年限的增加，土壤的储热能力逐渐减弱，取热能力逐渐增强，根据模拟结果可知在运行4年后土壤会达到相对平衡的状态，此时系统可以稳定运行。
(3) 地埋管储能库顶部在无保温措施的情况下，系统运行第一年的储热取热比为0.48，土壤达到相对平衡后系统的储热取热比为0.71。在有保温措施的情况下，系统运行第一年的储热取热比为0.53，土壤达到相对平衡后系统的储热取热比升高至0.76。在系统有无保温措施的情况下储热取热比相差较大，所以建议小型地埋管换热器施工时设置保温层，可有效提升取热效果。
参考文献（略）