空氣與土壤復合源熱泵在北方地區的匹配設計模擬分析

王文濤 李先庭 胡平放

(1 清華大學建筑學院 北京 100084；2 華中科技大學環境科學與工程學院 武漢 430074)

土壤源熱泵以土壤作為低位熱源，由于土壤的熱穩定性較好且全年溫度波動范圍較小，因此土壤源熱泵具有良好的供熱、供冷性能[1]。但當土壤源熱泵系統應用在室外溫度較低的地區時，由于建筑累計熱負荷明顯大于累計冷負荷，一年中土壤源熱泵系統的累計取熱量大于累計排熱量，會出現全年取、排熱量不平衡的問題。當土壤源熱泵系統常年運行時，土壤溫度勢必越來越低，導致土壤源熱泵機組的供暖性能變差，不僅無法滿足室內人員舒適性的要求，甚至出現系統無法正常運行的情況[2]。因此，如何保證土壤熱平衡是保障土壤源熱泵系統安全高效運行的關鍵。

為解決土壤熱不平衡的問題，保證土壤源熱泵系統長期可靠高效運行，目前主要的解決方法有：優化地埋管設計、增加輔助鍋爐、增加輔助太陽能集熱器、增加輔助空氣源熱泵等[3-7]。但這些方法依然存在著一些缺點：優化地埋管設計會受到場地條件、初投資等因素的制約，且無法從本質上解決土壤熱不平衡問題[8]；增加輔助鍋爐會消耗大量的高品位能源，造成環境污染[9]；輔助太陽能集熱器易受天氣條件的影響，且占地面積較大[10]；輔助空氣源熱泵會增加投資，且運行費用會有所提高[8]。

若在常規土壤源熱泵系統的基礎上增加空氣換熱器以構成空氣與土壤復合源熱泵系統，當室外空氣溫度相對較高時，通過空氣換熱器把熱量從溫度較高的空氣轉移至溫度較低的土壤中，用于補償取、放熱量的差值，則有可能以較低的能耗實現地下土壤熱平衡[11-15]。通過合理設計空氣換熱器容量還有可能在保證室內供熱的同時降低地埋管換熱器的容量，節約供熱系統成本。但對于不同地區如何匹配空氣源與土壤源的容量以最大限度地降低埋管換熱器的容量，地埋管數量減少后是否具有良好的供暖效果、經濟性優勢，目前該類研究還較為缺乏。

目前我國北方地區的住宅建筑通常僅提供集中供暖，空調季的冷負荷需由自家分體空調承擔，若采用土壤源熱泵機組供暖，相比其應用在公共建筑中從土壤既取熱又放熱的工況，此類僅從土壤中取熱而不放熱的工況更易造成土壤溫度的快速下降。因此，本文以我國5個北方城市(哈爾濱、長春、沈陽、北京、濟南)的住宅建筑為例，在TRNSYS平臺上建立了空氣與土壤復合源熱泵系統的仿真模型，對該復合源熱泵系統的匹配設計及地埋管數量減少后的應用效果進行了模擬分析，為實際應用提供參考。

1 系統原理

增加補熱、減少取熱是解決北方地區土壤熱失衡問題的有效方法。Li Xianting等[16]提出在常規土壤源熱泵基礎上增加空氣-水換熱器，構建了空氣與土壤復合源熱泵系統。當室外環境溫度較高時，利用空氣換熱器可將空氣中的熱量轉移至循環介質中，再由循環介質供給熱泵或蓄存在土壤中，達到減少取熱、增加補熱并保持土壤熱平衡的目的，其系統構成如圖1所示。

1地埋管換熱器；2閥門；3水泵；4熱泵機組；5用戶；6空氣-水換熱器。

該空氣與土壤復合源熱泵系統具有3種運行模式：土壤源熱泵模式(GSHP)、間接空氣源熱泵模式(ASHP)、補熱模式，如表1所示。

表1 空氣與土壤復合源熱泵系統運行模式

1)土壤源熱泵模式

土壤源熱泵模式的循環路徑為：4→2d→1→3a→2a→4。在空調季，熱泵機組通過地埋管與土壤換熱進行制冷；在供暖季中期，環境溫度低且建筑熱負荷大，土壤溫度通常會顯著高于室外氣溫，利用土壤中的熱量利于提高機組能效，因此運行于土壤源熱泵模式。

2)間接空氣源熱泵模式

間接空氣源熱泵模式的循環路徑為：4→2c→6→2e→3a→2a→4。供暖季初期和末期的氣溫較高且建筑熱負荷較小，所以此時運行間接ASHP模式的效率較高且能滿足供暖需求。由于間接ASHP模式不經過地埋管，由空氣換熱器單獨運行，通過該模式可以減少從土壤吸收的熱量，有利于土壤的長期熱平衡。

3)補熱模式

補熱模式的循環路徑為：1→3a→2b→6→2f→1。在非供暖期和空調期，室外氣溫通常高于土壤溫度，此時可以使系統運行補熱模式，將空氣中的熱量轉移至土壤中。通過運行補熱模式可以增加向土壤排放的熱量，也有利于土壤的長期熱平衡。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

本文選取的住宅共有6層，總建筑面積約為3 911 m2，空調/供暖房間面積約為2 982 m2，建筑的主要使用功能為主臥室、次臥室、起居室、廚房、衛生間，供暖季/空調季的室內設計溫度為18 ℃/26 ℃。起居室的空調啟停作息時間為：18:00—24:00(工作日)或8:00—24:00(周末)開啟，其余時間關閉；臥室的空調啟停作息時間為：22:00—次日7:00(工作日)或0:00—24:00(周末)開啟，其余時間關閉。選取的5個城市(哈爾濱、長春、沈陽、北京、濟南)的熱工分區及建筑圍護結構性能參數如表2所示。

表2 氣候分區及圍護結構傳熱系數

2.2 研究方法

2.2.1 負荷計算

采用DeST軟件計算建筑負荷，住宅平面圖如圖2所示，負荷計算結果如表3所示。由表3可知，隨著城市緯度的減小，該住宅建筑的全年最大熱負荷和供暖季累計熱負荷均呈減小趨勢。

表3 負荷統計表

圖2 住宅平面圖

2.2.2 設備選型

根據市場產品的性能參數及變工況參數，擬合出熱泵機組的性能曲線，如式(1)～式(3)所示。

Qh=1.196 6tei+17.789,R2=0.998 5

(1)

Ph=0.029 3tei+6.873,R2=0.958 2

(2)

COPh=0.138 5tei+2.815,R2=0.996 5

(3)

式中：Qh為熱泵機組的制熱量，kW；Ph為熱泵機組的制熱電耗，kW；tei為蒸發器入口溫度，℃；COPh為熱泵機組的制熱能效比。由上述計算式可得熱泵機組的實際制熱量，通過式(4)可計算出所需熱泵臺數。

(4)

根據地埋管的每延米換熱量估算法，取每延米取熱量為30 W/m，埋管間距取5 m，埋管深度取100 m，由最大取熱量可計算出地埋管數量。不同地區所擁有的土壤熱物性參數不同，即使在同一地區，不同地點的土壤熱物性參數也可能會有較大差異，考慮到影響土壤溫度、建筑負荷的主要因素是氣象條件，本文將地質參數設為定值：儲存熱導率取1.4 W/(m·K)，儲熱容量取2 016 kJ/(m3·K)[8]。取空氣換熱器的傳熱系數為40 W/(m2·K)[17]，以保持土壤熱平衡為基礎，經過模擬試算得出空氣換熱器面積，主要設備選型如表4所示。

表4 主要設備選型

2.2.3 系統模擬方法

在土壤源熱泵系統的模擬中，TRNSYS軟件的地埋管模型因具有良好的被認可性而被廣泛應用[18]。因此，本文采用TRNSYS軟件對系統進行10年運行期的模擬，以得到常規土壤源熱泵系統、空氣與土壤復合源熱泵系統的土壤溫度、運行能耗等參數，從而得出復合源熱泵系統相對常規系統的節能率及費用節省率。空氣與土壤復合源熱泵系統TRNSYS模型如圖3所示，該系統模型的控制策略如表5所示。

圖3 空氣與土壤復合源熱泵系統TRNSYS模型

表5 控制策略

3 結果分析

3.1 匹配設計方案

為充分發掘空氣與土壤復合源熱泵系統的優點，在保證土壤熱平衡的前提下，對減少地埋管數量從而減少初投資的效果進行分析。在減少地埋管數量的同時，為避免地溫降低，通過增大空氣換熱器容量來維持地溫平衡。經過模擬調試，在保障供暖效果的前提下，設計出各城市地埋管數量最少時的空氣換熱器與地埋管的匹配方案，并與土壤源熱泵系統(常規方案)匯總于表6中，相關的比例系數如圖4所示。由表6和圖4可知，隨著城市緯度的減小，該住宅建筑的常規方案和新匹配方案的地埋管數量均減小，地埋管減少比例、空氣換熱器面積/地埋管長度的比例總體呈上升趨勢。

圖4 地埋管減少比例及空氣換熱器面積與地埋管長度之比

表6 設備選型

對于哈爾濱、長春、沈陽3個地區，三者的地埋管減少比例、空氣換熱器面積/地埋管長度比例基本相同，相比于常規方案，采用新匹配方案時可將地埋管數量減少約29%，此時每延米地埋管需對應匹配0.029 m2的空氣換熱器面積；對于北京地區，相比于常規方案，采用新匹配方案時可將地埋管數量減少約40%，此時每延米地埋管需對應匹配0.040 m2的空氣換熱器面積；對于濟南地區，相比于常規方案，采用新匹配方案時可將地埋管數量減少約43%，此時每延米地埋管需對應匹配0.050 m2的空氣換熱器面積。

3.2 新匹配設計方案的效果

根據文獻[16]可知，該空氣與土壤復合源熱泵系統通過空氣換熱器的補熱作用，有效保證了土壤熱平衡，也能夠提供良好的供暖保障效果。因此，本文僅分析地埋管數量減少后的新匹配設計方案的土壤熱平衡和供暖保障效果。

3.2.1 土壤溫度變化

利用TRNSYS軟件模擬了常規系統與復合源新方案系統運行10年后的狀況，表7所示為初始土壤溫度和10年運行期結束時的土壤溫度。由表7可知，常規熱泵的長期運行會使土壤溫度降低，而復合源新方案系統仍可以保持土壤溫度穩定。

表7 土壤溫度統計

3.2.2 供暖保障效果

在北方地區，土壤源熱泵長期運行后，通常會因地下土壤溫度降低而導致機組制熱性能下降，從而無法提供足夠的熱量來保證供暖效果，對此通常采用供暖不保證小時數來評估供暖保障效果。供暖不保證小時數越小，表明系統的可靠性和供暖的保障效果越好。

5個城市的常規系統、復合源新方案系統的第10年供暖不保證小時數如表8所示。由表8可知：1)對于常規方案，哈爾濱地區的供暖不保證小時數最大，濟南地區的供暖不保證小時數最小，供暖不保證小時數的大小與地埋管供暖季累計取熱量有關：取熱量越大，土壤溫度降低越快，則更易出現供暖不保證時間；2)復合源新方案系統的供暖不保證小時數均小于常規系統，說明復合源新方案系統的供暖保障效果好于常規熱泵，但在不同地區，二者效果的相差程度是不同的，哈爾濱地區二者相差28 h，而濟南地區僅相差1 h，說明二者的相差程度與地埋管供暖季累計取熱量的大小呈正相關；3)5個城市的復合源新方案系統的供暖不保證小時數均較小，說明新方案仍然具有良好的供暖保障效果。

表8 供暖不保證小時數

3.2.3 節能性分析

通過TRNSYS模擬，得到10年運行期系統功耗的模擬結果，如表9所示。由表9可知，該住宅建筑的復合源新方案系統在哈爾濱地區的節能率為正值，在其他4個城市的節能率均為負值。由2.2.1節的負荷結果可知，隨著5個城市緯度的降低，供暖季累計熱負荷逐漸減小，則相應的地埋管累計取熱量也會減小，此時常規系統的土壤溫度降幅較小，常規系統與復合源系統的土壤溫度差距較小，因此機組的性能差距較小。當建筑累計熱負荷的數值基數比較小時，由于復合源系統有附加的補熱水泵功耗，導致復合源系統因制熱COP相對提高而節省下來的能耗小于補熱水泵的附加功耗，使節能率呈現為負值。

表9 系統能耗及節能率

由此可知，建筑全年累計熱負荷的數值基數較大時，復合源系統具有一定的節能性；但全年累計熱負荷的數值基數較小時，復合源系統不一定具有節能性。

3.2.4 經濟性分析

本文以10年運行期為例計算系統總費用，總費用由初投資費用和運行費用構成。根據實際工程經驗，取熱泵機組為700 元/kW、鉆孔為100 元/延米、空氣換熱器為42 元/m2、水泵為200 元/(m3/h)，估算各方案的初投資費用；取電價為0.7 元/(kW·h)計算運行費用。將初投資按10年運行期平均至每一年，再與每年的運行費用合計，即得到費用年值，表10、表11分別列出了費用年值、費用統計表(其中“節省占比”代表節省的初投資或運行費用占總節省費用的比例，用以表明費用的節省來源)。

表10 費用年值

表11 費用及節省率統計表

由表10可知，5個城市常規方案的費用年值基本呈逐年上升趨勢，說明常規系統長期運行導致土壤溫度下降使每年的耗電量逐漸增加；而復合源新方案系統的費用年值基本保持不變，再次說明復合源方案具有保持土壤熱平衡的優勢。

由表11可知，在總費用方面，復合源新方案系統相對于常規方案具有經濟性優勢。但在節省占比方面，不同地區特點各異：哈爾濱地區的初投資節省占比為91.2%，運行費用節省占比為8.8%，可見系統節省潛力主要來源于初投資，運行費用具有節省效果但所起作用較小；長春、沈陽、北京、濟南4個城市的運行費用節省量為負，運行費用節省占比為負，而初投資的節省占比大于100%，可見在這4個城市只有初投資方面具有節省潛力。由此可知，建筑累計熱負荷的數值基數較大時，復合源系統在初投資、運行費用均具有一定的經濟性優勢；但累計熱負荷的數值基數較小時，復合源系統僅在初投資方面具有一定的經濟性優勢。

4 結論

本文以哈爾濱、長春、沈陽、北京、濟南的住宅為例，建立了空氣與土壤復合源熱泵系統的TRNSYS仿真模型，并進行了10年運行期的模擬。對地埋管和空氣換熱器的匹配設計及減少地埋管數量后的空氣與土壤復合源熱泵系統在供暖保障效果、節能性、經濟性方面的模擬結果進行了分析，得到如下結論：

1)在保障供暖效果的前提下，空氣與土壤復合源熱泵系統在哈爾濱、長春、沈陽、北京、濟南的地埋管數量最大減少比例分別為29%、29%、30%、40%、43%，每延米地埋管需對應匹配0.029、0.029、0.030、0.040、0.050 m2的空氣換熱器面積。

2)與常規土壤源熱泵系統相比，減少地埋管數量后的空氣與土壤復合源熱泵系統在長期運行中可維持土壤溫度穩定，且具有良好的供暖保障效果，可適用于各種地埋管全年累計取熱量大于全年累計放熱量的場合。

3)建筑累計熱負荷的數值基數較大時，減少地埋管數量后的復合源系統具有一定的節能性；但累計熱負荷的數值基數較小時，則不一定具有節能性。因此，應用該系統時主要關注點不應放在節能上。

4)減少地埋管數量后的空氣與土壤復合源熱泵系統具有經濟性優勢，在哈爾濱、長春、沈陽、北京、濟南的10年總費用節省率分別為12.6%、12.7%、15.3%、22.6%、25.3%。