嚴寒地區空氣-土壤雙源熱泵負荷分擔比例探究

唐天躋 ，王松慶 （東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 引言

近年來，隨著我國降低能耗等政策的深入貫徹和落實，地埋管地源熱泵技術在我國得到了廣泛的應用。但是通過模擬分析和實際運行測試表明，地埋管地源熱泵系統在運行的過程中極易出現取放熱不平衡的問題，因此引入輔助供熱或散熱設備，組成復合式地埋管地源熱泵系統進行使用，以維持地埋管周圍土壤的吸放熱平衡。

國內外對于復合式地源熱泵有了一定程度的研究，1995年，美國采暖學會首次闡述復合式地源熱泵系統應用在大型商用和公共建筑中具有優勢[1]。蔡晶晶等針對夏熱冬冷地區的大多數建筑存在夏季冷負荷和冬季熱負荷不平衡問題，進行了混合式土壤源熱泵系統的可行性分析[2]。韓宗偉等人針對嚴寒地區地源熱泵系統存在土壤取放熱不平衡的問題，提出將一次網的高溫蒸汽作為吸收式熱泵發生器熱源的地源熱泵系統，并介紹了其控制策略[3]。方肇宏和曲云霞對復合式地埋管地源熱泵系統的輔助散熱裝置的工程經濟性能進行了研究[4]。

針對嚴寒地區的一些遠離城市熱網的高速公路建筑，可以選擇使用空氣-土壤雙源式復合熱泵進行供熱以及空氣調節，本文便是著眼于此類熱泵系統在嚴寒地區高速公路建筑中的應用，運用TRNSYS軟件對此系統進行搭建與模擬運行，探究其在嚴寒地區工況下最優的負荷分擔比例。

2 研究對象及系統設計

2.1 研究對象概況

目標建筑物為哈爾濱市某高速公路服務區，總建筑面積為3573㎡，由于該高速公路服務區遠離城市熱網，無法進行常規的集中供熱，因此考慮使用熱泵系統進行供熱以及空氣調節。

通過TRNBuild軟件對目標建筑進行全年逐時負荷模擬，結果如下圖1所示，冬季逐時最大熱負荷為397.96kW，夏季逐時最大冷負荷為209.13kW。觀察模擬結果可以發現，全年累計熱負荷遠大于全年累計冷負荷，若僅使用地源熱泵則會出現土壤熱不平衡問題，為了解決此問題，選用空氣-土壤雙源熱泵系統。

2.2 系統組成及運行模式

圖1 全年逐時冷、熱負荷模擬

為了簡化系統，選擇空氣源熱泵獨立于地源熱泵水循環系統的系統形式。為了達到維持土壤熱平衡的目的，針對目標建筑物全年累計熱負荷遠大于全年累計冷負荷的現象，提出了該系統在全年的不同階段的四種運行模式。

模式①：一號地源熱泵夏季供冷模式。

模式②：二號地源熱泵非供暖季蓄熱模式。

六種工況下的熱負荷分擔比例 表1

設備裝機容量 表2

10年期逐年累積耗電量 表3

模式③：一、二號地源熱泵冬季供暖模式。

模式④：空氣源熱泵冬季供暖模式。

在夏季選擇運行模式①。在冬季供暖初期和末期室外溫度相對較高的階段，充分發揮其在此階段制熱性能相對低溫時較高的特點，優先運行模式④，在冬季的其余時間段，優先運行模式③。在非供暖季以及過度季，運行模式②。

3 TRNSYS系統仿真模型構建

TRNSYS模擬的過程即是先通過所搭建系統中的各個模塊所對應的數學模型，結合給定的系統連接形式，對一個瞬態進行數值求解，然后對一個周期內的各個瞬態結果進行積分，便可模擬出長期積累的趨勢與結果。

3.1 模型展示與模塊介紹

所構建的系統仿真模型如下圖2所示。該模型所使用的主要部件有：Type225土壤源熱泵機組模塊、Type665-3空氣源熱泵機組模塊、Type557地埋管換熱器模塊、Type682與Type693理想末端模塊、Type114水泵模塊、Type3a風機模塊以及各個負責改變負荷比例工況的控制模塊等。

4 不同負荷分擔比例工況下系統性能仿真分析

4.1 六種工況介紹

基于前文所展示的系統模型和在TRNBuild中對目標建筑物進行的全年逐時負荷模擬結果，對空氣源熱泵和土壤源熱泵所負擔的負荷比例進行改變，進而改變系統工況，此外為了盡可能增大土壤釋熱量，以維持土壤熱平衡性，夏季冷負荷全部由地源熱泵承擔（選擇運行模式①），本文著重討論冬季熱負荷的分擔比例。選取了6種不同的熱負荷分擔比例，詳見下表1，此外，在一些土壤取放熱量不平衡的工況中，還需要運行模式②，以保證土壤的熱平衡性。

4.2 經濟性評價指標

經濟性評價指標分析由初投資和歷年運行費用兩部分構成。初投資主要指每個工況下所選用的設備費用，設備估算價格：地源熱泵機組為602元/kW，空氣源熱泵機組為516元/kW，地埋管鉆孔費用為70元/m。歷年運行費用主要指系統運行所需要的電費，電價取0.78元/kW·h[5]，同時要考慮4%的折現率。此外，為了簡化模型以及控制變量，各臺機組在不同的室內外溫度條件下各自對應固定的COP值，即COP值不會隨著機組所承載負荷量的變化而改變。運用在前文中所介紹的系統模型進行10年期的模擬運行，得到6個工況下各自的設備裝機容量以及10年期的逐年累計耗電量，詳見表2與表3。之后再按照凈現值法對每個工況的經濟性指標進行綜合評價，結果詳見圖3。

圖3

由圖3可知，工況一的運行費用和初投資的累積值最低。故此，在各臺機組于不同的室內外溫度各自對應固定的COP值的條件下，從經濟性評價指標角度考量，工況一所對應的負荷分擔比例是最優選擇。

5 結語

本文介紹了空氣-土壤雙源熱泵系統在嚴寒地區中的應用，并利用仿真模型，對制熱工況下，空氣源熱泵與土壤源熱泵所負擔的不同負荷比例進行探究，根據經濟性評價指標，得出了此嚴寒地區的高速公路建筑，在各臺機組于不同的室內外溫度各自對應固定的COP值的條件下，當地源熱泵承擔其20%熱負荷，空氣源熱泵承擔其80%熱負荷，地源熱泵承擔其100%冷負荷的情況下，經濟性最優的結論。