空氣源輔助地源復合式熱泵系統(tǒng)適宜性模擬研究

陳翔宇 敬麗君 王 軍 敬成君

（四川大學建筑與環(huán)境學院 成都 610065）

0 前言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進程的推進，建筑面積不斷增加，建筑能耗也隨之增加。2017年，我國建筑能源消費總量9.47 億噸標準煤，占全國能源消費總量的21.10%[1]。地源熱泵技術(shù)因其高效、節(jié)能、運行可靠的特點漸漸進入公眾視線。而隨著研究發(fā)現(xiàn)，地源熱泵在為冷熱負荷并不平衡的建筑供冷供熱過程中，所累積的土壤熱不平衡率會導致地源熱泵系統(tǒng)能效逐年衰減，因此地源熱泵系統(tǒng)需要輔以其他空調(diào)系統(tǒng)配合使用，即復合式地源熱泵，艾民[2]和楊興林[3]分別利用DeST 軟件和TRNSYS 軟件研究了復合式地源熱泵系統(tǒng)的可行性與經(jīng)濟性，結(jié)果都表明復合式地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)。

然而目前國內(nèi)外對復合式地源熱泵的研究主要集中于冷卻塔、冷水機組輔助地源熱泵系統(tǒng)，祝立萍[4]和李營[5]研究了冷卻塔輔助地源熱泵復合式系統(tǒng)運行控制策略，分別針對住宅小區(qū)和辦公建筑的復合式系統(tǒng)提出了最佳運行控制策略，Zhang[6]建立了一種冷卻塔輔助地源熱泵復合式系統(tǒng)的模擬模型，以量化不同控制策略對系統(tǒng)性能的影響。盡管這兩種復合式地源熱泵形式的確有效解決了傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)土壤熱不平衡的問題，但冷卻塔存在效率較低的問題，常規(guī)的冷水機組則存在系統(tǒng)復雜、初投資大的問題，并不能實現(xiàn)最大化的節(jié)能高效。此外，國內(nèi)外關(guān)于太陽能輔助地源熱泵的復合式系統(tǒng)的研究也有許多，Chen[7]從能源、經(jīng)濟和環(huán)境等方面研究太陽能輔助地源復合式熱泵的性能，并認為其性能優(yōu)于傳統(tǒng)地源熱泵。但太陽能輔助加熱復合式地源熱泵存在地域限制的問題，在太陽能資源并不豐富的地區(qū)無法推廣。

在空氣能被納入可再生能源之后，空氣源輔助地源熱泵的復合式熱泵系統(tǒng)開始進入大眾的視野。該系統(tǒng)不僅可以解決兩種負荷矛盾情況下土壤的熱不平衡問題，而且適用地區(qū)范圍更廣。本文分別以冷負荷為矛盾的地區(qū)（成都、鄭州）和熱負荷為矛盾的地區(qū)（拉薩）為分析對象。對比目前常見的復合式地源熱泵系統(tǒng)，分析空氣源輔助地源復合式熱泵系統(tǒng)的適宜性。

1 研究對象

1.1 研究對象概況

模擬選取建筑為某辦公建筑。該辦公建筑地上兩層，建筑層高4.8 米，如圖1所示。建筑總面積為1425.60m，其中非空調(diào)區(qū)域為270.54m 。房間功能主要為辦公室、會議室和大廳。

圖1 某辦公建筑模型圖Fig.1 Model of an office building

1.2 空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)

該建筑在成都的設(shè)計冷負荷為185kW，設(shè)計熱負荷為96kW，傳統(tǒng)地源熱泵供暖季累計吸熱量為32533.6kWh，空調(diào)季累計排熱量為95273kWh。在冷負荷為主要矛盾的情況下制定兩種空調(diào)系統(tǒng)，方案一為空氣源輔助地源熱泵系統(tǒng)，地源熱泵機組額定制冷量為92kW，額定制熱量為96kW，打井數(shù)18 口，空氣源熱泵機組制冷量為163kW。方案二為冷卻塔輔助散熱復合式地源熱泵系統(tǒng)，地源熱泵機組制冷量為185kW，打井數(shù)18 口，冷卻塔水量38m /h。

由于成都土壤熱不平衡率較大達到65%，為了全面分析空氣源輔助地源復合式熱泵系統(tǒng)，計算得該建筑在鄭州的設(shè)計冷負荷為186kW，設(shè)計熱負荷為148kW，傳統(tǒng)地源熱泵地埋管累積吸熱量91214kWh，累積排熱量為117351kWh，土壤熱不平衡率22.21%。同時，也制定兩種空調(diào)系統(tǒng)，方案三為空氣源輔助地源熱泵系統(tǒng)，地源熱泵額定制熱量為148kW，空氣源熱泵制冷量為64kW，打井數(shù)20 口。方案四為冷卻塔輔助散熱復合式地源熱泵系統(tǒng)，地源熱泵機組額定制冷量為186kW，打井數(shù)20 口，冷卻塔水量40m /h。

在以熱負荷為矛盾的地區(qū)，基本上采用輔助熱源進行補熱。最常見的形式為鍋爐輔助加熱復合式地緣熱泵。因此，本文計算了該建筑在拉薩的設(shè)計冷熱負荷，分別為60kW，131kW。方案五選用一臺制冷量為60kW，制熱量45kW 的地源熱泵機組，打井數(shù)11 口，一臺制熱量86kW 的空氣源熱泵。方案六選擇一臺制熱量50kW 的地緣熱泵機組，打井數(shù)11 口，一臺制熱量86kW 的燃氣鍋爐。六種空調(diào)系統(tǒng)選型配置詳見表1。

2 模擬方法及條件

2.1 EnergyPlus 模型簡介

本文采取EnergyPlus 對建筑負荷、設(shè)備制冷量以及耗電量進行模擬。1996年美國能源部開始籌劃基于DOE-2 和BLAST 開發(fā)EnergyPlus，2001年發(fā)布了EnergyPlusVersion1.0，目前已經(jīng)更新到EnergyPlus8.9.0 版本[8]。

地源熱泵機組是復合式地源熱泵模型中不可或缺的一部分，EnergyPlus 包含水-空氣熱泵和水-水熱泵的模型，Jin 等人[9,10]提出了參數(shù)估計模型，利用制造商目錄數(shù)據(jù)用于計算參數(shù)，以便使用全局優(yōu)化算法最小化誤差。Shenoy 提出了方程擬合模型，該模型根據(jù)制造商樣本手冊得到6 個制冷/熱系數(shù)Capacity Coefficient 和Power Consumption Coefficient，設(shè)定好名義制冷量，功率，負荷側(cè)及源側(cè)的流量即可使用，使得模擬更具有實際性，因此本文選擇使用方程擬合模型。地源熱泵系統(tǒng)冷凝側(cè)由垂直地埋管組成使用地環(huán)路換熱器（GLHE，Ground Loop Heat Exchanger），它將熱量輸送到地面或從地面輸送出去，本文所采用的GLHE 模型是基于Esilson 建立的垂直井眼模型[11]。根據(jù)成都地泵熱響應測試報告，土壤初始溫度為19.7℃，巖土綜合導熱系數(shù)為2.13W/(m ·K)。

2.2 工況條件

本次模擬室外氣象參數(shù)分別采用EnergyPlus中的成都、鄭州、拉薩氣象參數(shù)，室內(nèi)設(shè)計參數(shù)如表2所示。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 冷負荷為矛盾地區(qū)適宜性分析

本節(jié)通過對成都地區(qū)方案一和方案二以及鄭州地區(qū)方案三和方案四的軟件模擬，得到系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，整理如下。

3.1.1 成都地區(qū)

通過EnergyPlus 模擬兩種方案第一年的運行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計空調(diào)季設(shè)備的耗電量、地埋管累計吸排熱量結(jié)果如表3所示。

表3 不同方案累計耗電量對比分析（單位：kWh）Table 3 Comparative analysis of the cumulative power consumption of different schemes

方案一空調(diào)季系統(tǒng)累計耗電量為29034kWh，方案二系統(tǒng)累計耗電量為29969kWh，從系統(tǒng)能效來看，空氣源輔助優(yōu)于冷卻塔輔助。兩種方案冬季熱負荷全都由地源熱泵機組承擔，在土壤熱不平衡率為0%的前提下，系統(tǒng)能效基本無差別。供暖季累計耗電量為19535kWh。兩種方案經(jīng)濟指標如表4所示，可以看出冷卻塔初投資較低，方案二整個復合式地源熱泵系統(tǒng)初投資比方案一低3.45 萬元，成本增量較小，方案一的凈現(xiàn)值率NPVR 小于方案二。又因為初投資高，方案二的靜態(tài)投資回收期為8.78 大于方案一，但在8.78年后，每年均可節(jié)約4129 元的運行費用，考慮利率的影響，其凈現(xiàn)值NPV 指標小于方案一。因此，從復合式地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性指標來看，方案二的輔助設(shè)備冷卻塔初投資較小，運行費用較高，系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期和凈現(xiàn)值率要高于方案一。

表4 方案一、二經(jīng)濟性指標Table 4 Scheme 1 and 2 Economic Indicators

復合式地源熱泵綜合性能評價得分結(jié)果如表5所示，雖然方案二能耗略高于方案一，但由于冷卻塔經(jīng)濟性優(yōu)于方案一。綜合各指標得分，方案二綜合評價得分6.59 分高于方案一6.14 分。因此在保證地埋管冬夏吸排熱平衡額定情況下，冷卻塔輔助散熱復合式地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)于空氣源輔助地源復合式熱泵系統(tǒng)。

表5 方案一、二綜合性能打得分表Table 5 Scheme 1,2 comprehensive performance score table

3.1.2 鄭州地區(qū)

通過EnergyPlus 模擬兩種方案第一年的運行數(shù)據(jù)，統(tǒng)計空調(diào)季設(shè)備的耗電量、地埋管累計吸排熱量結(jié)果如表6所示。

表6 不同方案累計耗電量對比分析（單位：kWh）Table 6 Comparative analysis of cumulative power consumption in different schemes

統(tǒng)計得到方案三系統(tǒng)總累計耗電量29946kWh，方案四系統(tǒng)總耗電量為30415kWh。方案四由于存在冷卻塔及循環(huán)泵額外的耗電量，因此其能效略低于方案三的空調(diào)系統(tǒng)。方案三與方案四冬季熱負荷全部有地源熱泵機組承擔，在土壤熱不平衡率為0%的前提下，系統(tǒng)不受影響，累計耗電量為50259kWh。鄭州市商業(yè)電價為0.86 元/度，天然氣價格為3.3 元/m 。根據(jù)工程經(jīng)驗，計算得到系統(tǒng)的初投資及運行費用，根據(jù)經(jīng)濟指標計算模型，得到結(jié)果如表7所示。

表7 方案三、四經(jīng)濟性指標Table 7 Scheme 3 and 4 Economic Indicators

從表7可以看出，隨著土壤熱不平衡率的降低及50%負荷率小時數(shù)的增加，空氣源熱泵額定制冷量相對于成都地區(qū)的方案一大幅度降低。在鄭州地區(qū)，兩種復合式地源熱泵系統(tǒng)初投資僅相差0.1 萬元。方案三相對于方案一每年可節(jié)約500 元，因此與常規(guī)復合式地源熱泵系統(tǒng)相比，方案三的靜態(tài)投資回收期和凈現(xiàn)值率均優(yōu)于方案四。

最終，從兩種方案的綜合性能評價得分結(jié)果表8來看，方案三綜合得分7.87 高于方案四的7.82分，兩者差距不大。但方案三的系統(tǒng)相對于方案四節(jié)能，每年可以節(jié)約469kWh，技術(shù)節(jié)能性、環(huán)境保護性及經(jīng)濟性指標均較優(yōu)。即在保證地埋管冬夏季吸排熱平衡額定情況下，空氣源輔助地源復合式熱泵系統(tǒng)要優(yōu)于冷卻塔輔助散熱復合式地源熱泵系統(tǒng)。

表8 方案三、四綜合性能打得分表Table 8 Scheme 3,4 comprehensive performance score table

3.2 熱負荷為矛盾地區(qū)適宜性分析

在以熱負荷為矛盾的拉薩，方案六為鍋爐輔助加熱復合式地源熱泵系統(tǒng)，這種系統(tǒng)適宜性取決于當?shù)厝細鈨r格，在此以拉薩地區(qū)為例，分析了不同燃氣價格時燃氣鍋爐輔助加熱復合式地源熱泵、空氣源輔助地源復合式熱泵系統(tǒng)的綜合性能指標，模擬得到方案五、六系統(tǒng)年累計耗電量、耗氣量，如表9所示。方案五在供暖季總耗電量為23713kWh，方案六總耗電量為12175kWh，耗氣量3939m 。根據(jù)綜合能耗計算通則[12]折算為標準煤，方案五能耗為2914.33kgce，方案六能耗為6279.44kgce，方案六能耗遠遠大于方案五。

表9 方案五、六系統(tǒng)累計耗電量Table 9 Scheme 5 and 6 system cumulative power consumption

對比不同燃氣價格下兩種方案的性能見表10，在天然氣價格為3.4 元/m 以下時，系統(tǒng)NPVR 值均低于0，即與常規(guī)冷熱源相比不具有可行性。隨著燃氣價格的增加，系統(tǒng)靜態(tài)投資回收期隨著降低。當燃氣價格由3.0 元/m 增長到3.6 元/m，靜態(tài)投資回收期從18.39年降低到9.4年。同時，凈現(xiàn)值率也由負值增長為正值，與常規(guī)冷熱源相比，復合式地源熱泵那個系統(tǒng)更具有可行性。

表10 不同燃氣價格方案五、六綜合性能對比Table 10 Comparison of comprehensive performance of scheme 5 and 6 with different gas prices

無論從經(jīng)濟性還是環(huán)境保護性考慮，方案五均優(yōu)于方案六。綜上，無論燃氣價格多少，空氣源輔助地源復合式熱泵系統(tǒng)綜合性能均優(yōu)于鍋爐輔助加熱復合式地源熱泵系統(tǒng)。

4 結(jié)論

通過EnergyPlus 分別模擬了成都、鄭州和拉薩地區(qū)不同復合式地源熱泵系統(tǒng)運行能耗，并對其綜合性能做了對比，得出以下結(jié)論：

（1）在以冷負荷為主要矛盾地區(qū)，若土壤熱不平衡率較大（成都），冷卻塔輔助冷卻復合式地源熱泵系統(tǒng)較優(yōu)。

（2）在以冷負荷為主要矛盾地區(qū)，若土壤熱不平衡率較?。ㄠ嵵荩?，空氣源輔助地源復合式熱泵系統(tǒng)較優(yōu)。

（3）在以熱負荷為矛盾的地區(qū)，與常規(guī)冷水機組+鍋爐系統(tǒng)相比，復合式地源熱泵系統(tǒng)受燃氣價格的影響，當燃氣價格低于3.6 元/m 時，經(jīng)濟性較差。而與空氣源輔助地源復合式熱泵系統(tǒng)相比，無論燃氣價格多少，空氣源輔助地源復合式熱泵系統(tǒng)在技術(shù)節(jié)能、環(huán)境保護、經(jīng)濟性方面均優(yōu)于鍋爐輔助加熱復合式地源熱泵系統(tǒng)。