第 1 章 绪论
1.1 课题研究来源及背景和意义
近年来，我国新能源的开发使用如雨后春笋般蓬勃发展，能源结构也由单一逐渐向多元化发展。但是，据不完全统计，2019 年能源生产比例中，原煤占比依然较大为 68.8%，原油、天然气占比分别为 6.9%、5.9%，水电、核电、风电等仅占 18.4%。“十二五”以来，原煤与原油的生产占比都有所下降，仅 2010 至 2019 年期间，分别下降 7.4%、2.4%。天然气和水电、核电、风电等清洁能源生产占比逐年增加。总体来说能源结构转型初见成效，传统能源占比持续下降。但是煤炭等化石能源的占比依然巨大。近年来环境污染不容乐观，如何有限减少煤炭等化石能源的消耗，依然是噩待解决的问题。
地源热泵主要是将土壤中的低品位热能经过蒸发器、冷凝器等转化为高品质热能的装置。建筑采暖期间将地下土壤中的热量提取出来，经处理过后供给室内供暖所需。待建筑室内需要降温时，又将建筑室内的热量转移到地下土壤中。通过这两个季节的取热和放热过程，地源热泵系统得以稳定运行。但是，建筑所需的冷量和热量并不相同，即地源热泵的取热量和蓄热量不匹配。所以长期运行必然导致土壤温度的失衡，从而影响换热效果。众所周知，寒冷地区建筑物采暖负荷一般大于夏季供冷的负荷，因此需要寻找合理的辅助热源向地下补充热量，以维持地源热泵稳定运行，而分布广泛、较容易获取的太阳能成为地源热泵辅助热源的的一个不错的选择。本课题将太阳能作为辅助热源，来缓解寒冷地区地源热泵供暖空调系统中冷热负荷不均的问题。利用太阳能和地源热泵两种清洁能源为建筑提供供暖所需热量，不仅节约了不可再生能源，也减少了建筑供暖带来的环境污染问题。
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1.2 地埋管季节性蓄热的研究现状
1.2.1 地埋管季节性蓄热在国外的研究现状
国外对于地埋管季节性蓄热的研究较早，经过长期的研究，地埋管季节性蓄热技术也越来越先进。保加利亚的 Emil Toshkov 开发并测试了一种地源热泵与太阳能集热器混合系统，该系统包括日储和季储，并支持五种不同的运行模式，根据普洛夫迪夫地区典型的土壤和气候条件，获得了不同系统模式的高质量数据。通过对三种供暖方式的比较，表明地源热泵供暖具有明显的优越性[3]。德蒙特福特大学能源与可持续发展研究所利用 TRNSYS 程序对 PVT 太阳能辅助地源热泵系统进行建模，并分析其灵敏度，结果表明，板式换热器的蓄热量和换热效率对系统和 PVT 的热效率贡献最大。热效率的高低取决于各参数的变化，而发电量主要受集热器倾斜的影响[4]。伊朗德黑兰大学为了满足热用户采暖、制冷和热水的需求，提出了不同结构的太阳能真空管式集热器和地源热泵系统的组合。经过在 TRNSYS 上模拟，比较各种结构的功耗和 COP，得出 COP 最大的最佳结构为间接展开（并联），通过将环境和天然气出口成本加上常规系统的运行成本分析，得出回收期缩短至 6 年，证明这种系统在伊朗北部气候寒冷地区是可行的[5]。
1.2.2 地埋管季节性蓄热在国内的研究现状
国内对地埋管季节性蓄热的研究与国外相比起步较晚。天津商学院作为我国第一所研究太阳能耦合地源热泵系统的学校，在 1945～1955 年冬季供暖期间，对太阳能热泵、地源热泵和太阳能地源热泵复合系统的供暖运行过程进行了实验研究[6]。此外，作为最早进行此项研究的机构之一，哈尔滨工业大学主要以太阳能供暖系统为主，土壤供暖系统为辅。结果表明，在我国寒冷地区，利用季节性土壤蓄热进行冬季供暖是一种有效的方法，可以大大提高系统的性能。北京大学在太阳能土壤源热泵耦合系统的基础上提出双埋管系统，可以实现两套埋管相互串联蓄热、串联供暖、一蓄一供等运行模式。通过模拟和对实际土壤温度的检测得出结论，论证了太阳能土壤源耦合系统在严寒地区的实用性[7]。
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第 2 章 建筑物能耗分析
2.1 建筑信息及室内外设计参数
2.1.1 建筑概况
本次研究选用保定安国市某农家自建房为研究对象。该建筑的采暖建筑面积为127.2 ㎡，地上一层，建筑高度为 3.6 米。房间功能主要有：厨房、餐厅、卧室、客厅、卫生间等。考虑到保定地区日照充足，且本建筑有农家小院，为地源热泵系统地埋管的敷设提供了有利的条件，所以选用此建筑作为太阳能耦合地源热泵供暖系统研究对象。
2.1.2 建筑室外空气计算参数
安国市属于保定市的管辖市，建筑室外气象参数选用保定市建筑室外气象参数作为计算依据。保定市位于河北省中部，北纬 39°48′东经 115°31′，热工分区属于寒冷地区。主要室外空气计算参数见表 2-1：
表 2-1 保定地区建筑室外空气计算参数
2.2 建筑能耗模拟
由于本建筑没有图纸，根据建筑外形现场测量，描绘出 CAD 图纸如图 2-1。该建筑包括：厨房、餐厅、客厅、卧室、储藏间、卫生间，建筑北侧为农家小院。除厨房、储藏间未设置采暖末端，卧室新加装暖风机，其余房间为原有散热器供暖。
图 2-1 保定安国某农家院建筑平面图
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第 3 章 太阳能跨季节储能供暖系统的建立...................... 23
3.1 太阳能跨季节储能供暖系统 ...................................... 23
3.2 太阳能储热方式及储热材料的选择 ................................ 24
第 4 章 系统的模拟与分析...................................... 33
4.1 模型的建立 ............................ 33
4.1.1 地埋管换热器传热模型 ................................... 34
4.1.2 网格划分 ............................... 34
第 5 章 设备选型与系统性能分析.................................63
5.1 设备选型 ....................... 63
5.1.1 太阳能集热器系统选型 .......................... 63
5.1.2 土壤蓄热系统选型 .................................. 66
第 5 章 设备选型与系统性能分析
5.1 设备选型
5.1.1 太阳能集热器系统选型
太阳能集热系统顾名思义就是将分散的太阳能收集起来的装置，通过循环介质（水）将热量暂时储存与集热水箱中。太阳能集热系统由集热水箱、板式换热器、太阳能集热器、循环水泵这四部分组成。下面对各部分分别进行设备选型。
根据之前做的建筑物的能耗分析，计算系统每年所需要太阳能提供的热量。为确保建筑室内供暖效果在设备选型时考虑 10%的富裕量，管路运行及设备接管处热损失考虑 5%，考虑到太阳能储存过程中的能量损失，根据经验增加 10%的富裕值。所以，系统每年所需要太阳能提供的热量为：22024.77x3600x1.25=99.11GJ。
对于直接系统，太阳能保证率应取 1；保定地区的年平均总太阳能辐射量4800-5200MJ/㎡,本系统取值 5000 MJ/㎡；cd 根据经验本系统取 0.40；L 根据经验该系统取值 0.25。
板式换热器起到能量传递的作用，分别根据各系统的水流量、进出口温度，选择合适的板式换热器，本系统中选用板壳式换热器。
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结论
近年来我国环境问题依然严峻，特别是我国北方地区采暖期间大气污染严重。这是因为我国冬季建筑采暖时煤炭的消耗量巨大，而煤炭的燃烧恰恰是环境污染的源头之一。我国地域广阔，太阳能资源丰富，本研究合理的结合了太阳能和地源热泵两种清洁能源，不仅可以有效的缓解能源短缺问题，也可以减少对环境的污染。
本文针对河北省保定市农村住宅，从建筑负荷入手，利用 GAMBIT 建模软件建立埋管模型，最终利用 Fluent 数值模拟软件模拟 4 中不同换热情况，最终分析不同情况所对应的实际埋管情况，对已有太阳能跨季节储能供暖系统进行优化，为工程实践提供借鉴，针对该系统的研究过程得出以下结论：
1)与传统地源热泵系统相比，太阳能跨季节储能供暖系统蓄热完成时土壤温度较高，系统的取热量可以很好的满足建筑需求；取热期间土壤温度变化均匀，有利于地埋管换热器的换热。
2)土壤作为太阳能跨季节储热的储存介质，储热效果较好。在蓄热过程中能很好的与地埋管进行换热，并将热量保存起来，供冬季供暖使用3）系统蓄热温度为 90℃时，直接系统所需太阳能集热板面积为 96.9m2，间接系统所对应太阳能集热板面积为 109.0m2，所对应的埋管深度为 14.5m。
5）系统蓄热温度为 80℃时，直接系统所需太阳能集热板面积为 102.4m2，间接系统所对应太阳能集热板面积为 115.3m2，所对应的埋管深度为 17.9m。
6）系统蓄热温度为 70℃时，直接系统所需太阳能集热板面积为 110.1m2，间接系统所对应太阳能集热板面积为 123.8m2，所对应的埋管深度为 23.9m。
7）太阳能跨季节储能供暖系统蓄热温度为 80℃时既可满足建筑物室内供暖需求，又有稳定的运行工况。所以可以对原有系统进行改造，降低系统蓄热温度，从而优化系统设置，减少系统能耗。
参考文献（略）