空氣-土壤源雙熱源復合熱泵性能分析

張兵兵劉桂義魏建平王德敬刁乃仁

1山東建筑大學熱能工程學院

2山東省地礦工程集團有限公司

土壤源熱泵作為一種清潔節能的空調技術方式，在國內外得到廣泛應用和推廣。但是北方地區土壤源熱泵在運行過程中存在取熱量和排熱量不均的問題，造成土壤熱不平衡，運行一段時間后將導致土壤源熱泵系統性能嚴重衰減甚至無法運行。針對這一問題，目前有兩種解決方案：1）增加土壤源換熱器的鉆孔、深度和間距，該方法通過增大土壤蓄熱體積，可一定程度緩解熱不平衡，但由于未改變系統與土壤的換熱量，并不能從本質上解決這一問題。同時，隨著埋管間距、深度和數量的增加，施工難度和占地面積增大，系統初投資也將隨之增大[1]。2）增設太陽能集熱器、鍋爐等輔助補熱設備。但是太陽能集熱器存在初投資較高且受環境影響較大的問題，而鍋爐存在效率低下和環境污染的問題。為此可以通過系統室外側的復合換熱器將單一的空氣源熱泵和土壤源熱泵融合在一起，通過溫度控制空氣-土壤源雙熱源復合換熱器來實現土壤源熱泵與空氣源熱泵的分階段運行，能夠減少土壤源熱泵的取熱量，從而在一定程度上解決北方地區土壤熱不平衡的問題，使地源熱泵系統能夠穩定高效的長期運行，實現經濟可靠，節能環保的目標。

1 空氣-土壤源雙熱源熱泵的系統組成及工作原理

空氣-土壤源雙熱源熱泵是利用室外空氣與土壤源作為低品位熱源的復合熱源熱泵系統，屬于空氣源與土壤源綜合利用的形式，空氣-土壤源雙熱源復合熱泵系統是在傳統單一土壤源熱泵系統的基礎上，用空氣-土壤源雙熱源復合式換熱器替代傳統土壤源熱泵系統中的換熱器。圖1所示為復合熱泵系統的原理圖，該系統由空氣換熱器，地埋管換熱器，熱泵機組，分水器，集水器，水泵，連接管路及附屬設備等組成。該復合熱泵系統與常規的土壤源熱泵不同，它可以在復合換熱器中實現制冷劑與空氣和水兩種不同狀態熱源的交替換熱，通過溫度對雙熱源復合換熱器的控制使熱泵系統可以交替使用空氣和土壤源兩種可再生能源，根據室外空氣溫度的變化情況及用戶的實際需求和當地的地熱資源狀況，可以實現兩種不同的工作模式：單一的空氣熱源模式、單一的土壤源模式，通過兩種模式的切換可以保證系統在整個運行期內的高效運行。

圖1 空氣-土壤源雙熱源復合熱泵原理圖

2 空氣-土壤源復合式換熱器的結構

空氣-土壤源雙熱源復合熱泵系統是在傳統土壤源熱泵換熱器基礎上增加空氣源換熱器，從而組成空氣-土壤源雙熱源復合式換熱器，該復合換熱器通過套管式換熱器和翅片可以實現對空氣源和土壤源這兩種可再生能源的綜合利用，從而提高熱泵系統的運行效率及穩定性[2]。空氣源-土壤源雙熱源復合式換熱器的結構如圖2所示，由圖2可知，該復合換熱器由外管、內管和翅片組成。如圖2所示內管中為液態熱源通道即地埋管出水流道；外管外側的翅片間隙為空氣熱源通道；內管與外管之間的環形通道則為制冷劑通道。這樣就通過套管式換熱器和翅片在復合換熱器內部形成三個流體通道，分別為制冷劑側通道、水側通道和空氣側通道。該復合式換熱器可以根據用戶的實際需要和室外的環境狀況通過控制復合換熱器水側的閥門和空氣側風機的開與關來實現不同的熱泵運行模式。

圖2 復合式換熱器結構示意圖

3 空氣-土壤源雙熱源熱泵分析

3.1 空氣-土壤源雙熱源熱泵最佳復合溫度

空氣源熱泵是以室外空氣為一個熱源，在供熱工況下將室外空氣作為低溫熱源，從室外空氣中吸收熱量，經熱泵提高溫度后送入室內供暖，其特點是系統簡單，初投資較低，缺點是在寒冷地區供熱工況下其蒸發器會出現結霜問題，使蒸發器熱阻增大，與空氣換熱量減小，熱泵效率大大降低。土壤源熱泵系統是利用200 m以內的淺層地殼中儲存的熱能資源對建筑進行供熱與空調，具有良好的節能和環境效益[3]。空氣-土壤源雙熱源復合熱泵主要目的是通過溫度控制空氣源熱泵和土壤源熱泵的間歇運行來實現緩解土壤的熱不平衡，所以空氣源-土壤源雙熱源熱泵的最佳復合溫度應綜合考慮土壤的熱不平衡及空氣源熱泵的運行特性。即在保證土壤的熱不平衡的條件下又要實現整個系統的高效運行，從而達到減少從土壤中的取熱量，實現土壤的取熱量與排熱量平衡，達到長期高效運行的目的。

由濟南市典型年最冷月分布（圖3）可知：濟南地區在典型年的最冷月出現在一月份，其中最冷月中的最低溫度出現在1月18日，日最低溫度為-11.5 ℃。

圖3 濟南典型氣象年最冷月溫度分布圖

研究地點位于山東省濟南市，由DeST軟件獲取了濟南市典型氣象年的逐時室外溫度，統計出供暖季逐時室外溫度，并且通過DeST軟件計算出濟南市一棟供暖面積為183 m2的小別墅供暖季（時間取11月15日-次年3月15日，共121天）的逐時熱負荷和逐時冷負荷，計算結果及供暖季逐時室外溫度，供暖季逐時熱負荷分布情況如表1～2及圖4～6所示：

表1 建筑負荷統計

圖4 供暖季室外溫度逐時變化圖

圖5 供暖季逐時熱負荷變化圖

圖6 供暖季逐時溫度分布時間統計圖

表2 不同室外溫度下的累計負荷統計表

由表1可知累計熱負荷為10746.31 kWh，累計冷負荷為5200.93 kWh，所以計算可得單一土壤源熱泵從土壤中的吸熱量為8450.09 kWh，放熱量為6291.27 kWh，計算出土壤的熱不平衡率為25.5%，土壤源熱泵的吸熱量比排熱量多2158.52 kWh=7.77 GJ，從土壤中吸收7.77 GJ熱量可以向室內提供9.88 GJ的熱量。所以要保持土壤的熱平衡，應由空氣源熱泵向室內至少提供9.88 GJ的熱量。由于空氣源熱泵的COP和制熱量隨溫度的升高而增大。由表2不同室外溫度下的累計負荷統計表可知當室外空氣溫度大于3℃時，其室內累計負荷為2865.38 kWh=10.32 GJ，此時土壤的熱不平衡率為1.5%，基本可以滿足土壤的熱平衡。所以可以將空氣源熱泵開啟的溫度設定為3 ℃，此時空氣源熱泵可以向室內提供約10.32 GJ的熱量，可以滿足室內供熱的需求并且能夠緩解土壤的熱不平衡。所以最終確定濟南地區空氣-土壤源熱泵的最佳復合溫度為3 ℃。所以濟南地區空氣-土壤源雙熱源復合熱泵的運行策略為當空氣溫度低于3℃時，運行土壤源熱泵。當空氣溫度高于3 ℃時，運行空氣源熱泵。通過溫度控制空氣源熱泵和土壤源熱泵的間歇運行，不但能夠滿足室內負荷變化的要求而且能夠保證空氣源熱泵蒸發器不結霜，能夠減少從土壤源的吸熱量，緩解土壤的熱不平衡，實現整個復合系統高效長期運行。

3.2 空氣-土壤源雙熱源復合熱泵運行分析

通過建立空氣源熱泵各部分的數學模型，用MATLAB仿真模擬空氣源熱泵在-14～10 ℃下COP和產熱量，模擬時室外空氣溫度-14～10 ℃，機組進出水溫度為40 ℃和45℃下運行。蒸發溫度通常比室外溫度低8～10 ℃，冷凝溫度通常比進水平均溫度高4～6 ℃。模擬結果如圖7所示。

圖7 空氣源熱泵COP隨室外溫度變化圖

由前文分析得到了空氣-土壤源雙熱源復合熱泵的最佳復合溫度為3℃，所以該復合系統的運行策略為當溫度t＜3 ℃時土壤源熱泵運行，當t≥3 ℃時空氣源熱泵運行。所以根據由DeST導出的濟南市典型氣象年供暖季逐時室外干球溫度，將供暖季逐時室外干球溫度進行統計，可以確定出空氣源熱泵和土壤源熱泵的運行時間，即溫度t＜3 ℃時的室外逐時統計干球溫度小時數為土壤源熱泵運行時間，溫度t≥3 ℃時的室外逐時干球溫度統計小時數為空氣源熱泵在供暖季的運行時間。統計結果如圖8：

圖8 熱泵的運行時間統計圖

根據圖8熱泵的運行時間統計圖可知，土壤源熱泵在整個供暖季運行時間為1458 h，空氣源熱泵運行時間為1404 h（由于當室外溫度高于18 ℃時，室內熱負荷為零，故室外高于18℃時不屬于熱泵運行時間）。根據土壤源熱泵和空氣源熱泵在不同溫度下的運行時間（圖9），能夠分別得到二者在供暖季內所占時間的權重，進而可以計算出空氣-土壤源雙熱源復合熱泵系統的能效比，計算公式如下[4]：

圖9 空氣源熱泵的運行時間統計圖

通過式（1）～（2）最終計算出空氣-土壤源雙熱源復合熱泵在濟南地區使用的復合能效比為3.77。

4 結論

通過分析空氣源熱泵和土壤源熱泵的運行特點，介紹了一種空氣-土壤源雙熱源復合熱泵系統，并且以濟南市某別墅為例，通過DeST軟件計算其供暖季和供冷季逐時負荷，統計出該建筑的累計冷負荷和累計熱負荷，并最終確定了土壤源熱泵系統從土壤中的吸熱量和放熱量，以土壤熱平衡為基準統計計算得到了濟南地區空氣-土壤源的最佳復合溫度為3 ℃，并通過統計濟南市典型氣象年的室外逐時溫度分布最終確定了單一空氣源熱泵和單一土壤源熱泵的的運行時間，并且通過二者的運行時間，最終計算出空氣-土壤源雙熱源復合熱泵系統在濟南地區使用的COP為3.77。由此可見雙熱源熱泵比單一土壤源熱泵系統運行更加穩定且COP值更高，而且能夠避免土壤熱不平衡現象，更具有可靠性。空氣-土壤源雙熱源復合熱泵，通過室外空氣溫度的變化來實現空氣源和地源熱泵的間歇運行，克服了單一空氣源熱泵在溫度較低結霜時效率較低的問題以及單一地源熱泵用水量大的問題，提高了熱泵的運行性能，實現熱泵機組在整個供暖季實現高效的運行，達到節能環保的目的。由于研究分析的建筑是濟南市某別墅，所以是否能夠應用于其他類型建筑還有待進一步研究。