跨季節空氣-土壤蓄熱式熱泵系統可行性分析

鮑玲玲， 崔軍艷， 李永

(1.河北工程大學能源與環境工程學院， 邯鄲 056038； 2.河北省建筑工程質量檢測中心有限公司， 石家莊 050227)

寒冷地區大規模采暖，消耗過量資源的同時，對環境也造成了不可挽回的傷害。利用可再生能源進行供暖，已成為一個大的趨勢[1-2]，土壤源熱泵系統的應用也更為普遍，在熱負荷占主導地位的寒冷地區，土壤源熱泵系統在使用過程中因吸排熱不平衡造成土壤的“冷堆積”，導致熱泵系統運行性能降低，能耗增加，在單供暖土壤源熱泵系統中表現的尤為明顯[3]。

針對土壤熱失衡問題，中外學者做了大量的研究。太陽能作為清潔的可再生能源，成為輔助熱源的首選，但太陽能蓄熱系統投資高、占地面積較大，在居民住宅區的使用受到了限制，而空氣源蓄熱系統設備簡單，占地面積較小。孟莉思[4]利用TRNSYS軟件對土壤空氣復合熱源熱泵系統進行了模擬，得到單一的土壤源熱泵系統運行10年后土壤溫度下降了5.4 ℃，而復合系統的土壤溫度僅下降0.6 ℃。王文濤等[5]通過對空氣與土壤復合源熱泵系統的模擬，說明了該系統可解決土壤熱失衡問題。楊子旭等[6]對空氣-土壤源柔性熱泵系統與土壤源熱泵系統進行了對比，得出前者能夠保障土壤熱平衡且具有良好的節能效果。然而，上述研究并未對熱泵系統的運行模式，系統的經濟及環境效益、能耗等方面進行全面的分析研究。

基于此，現提出在夏季利用空氣處理機組將空氣中的熱量儲存在土壤中的蓄熱方式，與原有土壤源熱泵結合使用，形成跨季節空氣-土壤蓄熱式熱泵系統。以調研中邢臺市某項目土壤源熱泵單供暖住宅樓為例，建立住宅樓在入住率為100%時的跨季節空氣-土壤蓄熱式熱泵系統，以該系統為基礎選用定時和定溫兩種控制蓄熱啟停的方式，利用TRNSYS軟件進行模擬分析，尋找供暖效果較好的控制模式，并與其他供暖系統進行對比，利用壽命周期內費用總值法和模糊綜合分析法從供暖系統能源消耗、經濟效益、環境效益等方面探討空氣-土壤蓄熱式熱泵系統在寒冷地區的供暖可行性，為實際工程提供參考。

1 ASHSHP系統原理及運行模式

1.1 調研情況

根據實際調研情況，發現單供暖系統在使用的過程中，土壤溫度逐年下降，造成供熱量滿足不了用戶的需求，更為嚴重的會使土壤源熱泵系統無法運行。邢臺市部分土壤源熱泵單供暖項目運行情況，如表1所示。針對該現象提出ASHSHP系統。

1.2 ASHSHP系統原理

ASHSHP系統原理圖，如圖1所示。在冬季利用土壤源熱泵系統為用戶供暖，夏季開啟蓄熱模式，利用空氣處理機組將空氣中的熱量轉移至土壤中，實現跨季節蓄熱，ASHSHP系統運行模式如下。

(1)供熱模式：熱泵機組開啟，水泵4、5開啟，閥門7、8、11、12開啟、閥門9、10關閉。

(2)蓄熱模式：熱泵機組關閉，水泵4開啟，水泵5關閉，閥門7、8、11、12關閉，閥門9、10開啟；利用空氣-水換熱器吸取室外空氣的熱量，再經地埋管換熱器將熱量轉移至土壤中，使土壤溫度得到恢復。

圖1 ASHSHP系統原理圖Fig.1 ASHSHP system schematic diagram

2 參數的確定

2.1 熱負荷的確定

以河北省邢臺市某住宅樓為研究對象，總建筑面積為24 000 m2，層高為2.90 m，體形系數為0.30，綜合窗墻比為0.23，該建筑末端采取地板輻射供暖，供暖時間為11月15日到次年3月15日。利用DeST軟件建立模型，得到建筑物熱負荷，其中，累計熱負荷2 005 778.78 kW·h，最大熱負荷為1 387.91 kW，供暖季建筑熱負荷隨時間的變化，如圖2所示。

2.2 設備參數確定

(1)熱泵機組的型號參數。根據建筑物的峰值負荷，選用珠海格力電器股份有限公司生產的地源熱泵SSD-DH-7000，制冷量700.0 kW，輸入功率122.7 kW，制熱量752.0 kW，輸入功率162.6 kW，用戶側水循環流量121 m3/h，水源側水循環流量為145 m3/h，制冷性能系數為5.7，制熱性能系數為4.6。

表1 邢臺市部分土壤源熱泵單供暖項目運行情況統計表Table 1 Statisticaltable of operation of some soil source heat pump single heating projects in Xingtai city

圖2 供暖季建筑熱負荷隨時間的變化Fig.2 Variation of building heat load with time in heating season

(2)地埋管的參數。地埋管應采用化學穩定性好、耐腐蝕、導熱系數大的塑料管材及管件，本文研究中選用聚乙烯管PE100，水作為傳熱介質。參考設計規范[7]，鉆孔間距應滿足換熱需要，水平間距一般為3～6 m，現取5 m，鉆孔深為100 m，地埋管為雙管，井數為300孔。

(3)循環水泵的型號參數。根據熱泵機組型號及楊程，本文選用廣州中超泵業有限公司生產的循環水泵，負荷側循環水泵型號為KTB125-100-315，功率為15.0 kW，水流量為120 m3/h，水源側循環水泵型號為KTB125-100-320，功率為22.0 kW，水流量為146 m3/h。

(4)空氣處理機組的型號參數。該建筑為單供暖土壤源熱泵系統，在夏季進行蓄熱時，應考慮室外換熱器運行以及過渡季期間的熱損失，假設熱損失率為40%，為保障土壤的熱平衡，向土壤補償的熱量為

(1)

式(1)中：Qb為土壤的補償熱量，kW；COP為機組的額定性能系數；∑Qh為建筑累計熱負荷，kW。

經計算，選用特靈CLCA系列的空氣處理機組2臺，型號CLCA-045-4530，制冷全熱量為743.0 kW，顯熱量為322.6 kW，水流量為25.2 L/s，風機風量為45 000 m3/h，風機功率15.0 kW。

2.3 蓄熱時間段的確定

選擇蓄熱時間時，應使土壤溫度與室外溫度相差較大，保證系統蓄熱效率。因此選擇室外氣溫較高的時間段進行蓄熱，可提高蓄熱效率，縮短蓄熱時間，使能耗降低。5—9月室外平均氣溫如表2所示，根據表2中數據，取6—8月進行蓄熱。

表2 5—9月室外平均氣溫Table 2 Average outdoor temperature from May to September

3 ASHSHP系統模型及結果分析

利用TRNSYS仿真模擬軟件搭建ASHSHP系統的動態模型，仿真模擬系統如圖3所示，系統的主要仿真模型模塊如表3所示。以ASHSHP系統為基礎，選用定溫和定時兩種控制蓄熱系統啟停的方式進行對比分析。

(1)定時蓄熱ASHSHP系統：6—8月，每日08:00—20:00開啟蓄熱模式，冬季土壤源熱泵系統為用戶供暖。

(2)定溫蓄熱ASHSHP系統：6—8月，室外空氣溫度Ta≥27 ℃時開啟蓄熱模式，冬季土壤源熱泵系統為用戶供暖。

表3 主要仿真模型模塊Table 3 Main simulation model module

由模擬分析可知， ASHSHP系統連續運行20年時，定時蓄熱下機組COP平均值為3.96，土壤熱平衡率為106%，總耗電量為15 471.37 MW·h，總供熱量為39 388.39 MW·h；定溫蓄熱下機組COP平均值為3.99，土壤熱平衡率為102%，總耗電量為15 427.26 MW·h，總供熱量為39 388.74 MW·h。

圖3 ASHSHP系統仿真模擬圖Fig.3 ASHSHP system simulation diagram

圖4 ASHSHP系統20年土壤平均溫度逐年變化趨勢Fig.4 Annual variation trend of soil average temperature in ASHSHP system in 20 years

兩種控制模式下，土壤平均溫度及地埋管進出口水溫最值的逐年變化，如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知，定時蓄熱ASHSHP系統的土壤平均溫度從初始的16.00 ℃下降至13.80 ℃，土壤溫降為2.20 ℃，地埋管最低進口水溫為1.69 ℃，最高出口水溫為28.13 ℃；定溫蓄熱系統的土壤平均溫度從初始的16.00 ℃下降至14.74 ℃，土壤溫降為1.26 ℃，地埋管最低進口水溫為2.78 ℃，最高出口水溫為28.98 ℃。

在以往研究中，寒冷地區使用熱泵系統供暖的土壤熱平衡值在80%～120%[8]，根據規范對于有防凍劑的土壤源熱泵系統，夏季地埋管的出口 水溫不得高于35.00 ℃，冬季地埋管的進口水溫宜高于-2.00 ℃，根據系統運行性能參數，可知兩種控制蓄熱模式下ASHSHP系統都具有很好的技術可行性，但定溫蓄熱ASHSHP系統的性能更佳。

圖5 ASHSHP系統20地埋管進出口水溫年最值變化趨勢Fig.5 Annual variation trend of water inlet and outlet of 20 buried pipes in ASHSHP system

4 ASHSHP系統與其他供暖方式的對比分析

目前大多數跨季節蓄熱是利用太陽能集熱器將熱量傳遞到地埋管換熱器進而使土壤溫度恢復，與土壤源熱泵結合使用，形成太陽能-土壤源熱泵(SGSHP)系統。而傳統供暖系統的熱量多數由不可再生能源提供，已不符合現有能源利用趨勢。根據上述模擬結果，選用系統性能更佳的定溫蓄熱ASHSHP系統與其他供暖系統進行比較，各供暖系統模擬運行20年。

本文研究中涉及的SGSHP供暖系統，夏季利用太陽能蓄熱，冬季太陽能提供生活熱水，土壤源熱泵系統為用戶供暖。太陽能非采暖期蓄熱模式如下。

(1)集熱器側：當集熱器進出口溫差≥6 ℃時，開啟集熱循環水泵；當兩者溫差<2 ℃時，關閉集熱循環水泵。

(2)地埋管側：當集熱器出口水溫與土壤溫度溫差≥7 ℃時，開啟蓄熱模式；當兩者溫差<5 ℃時，停止蓄熱。

4.1 能源效益分析

能耗方面，ASHSHP系統連續運行20年的制熱總量為39 388.74 MW·h(14.18×107MJ)，所消耗的總電量為15 430.00 MW·h。煤電效率按34.7%計算，標準煤的燃燒值為29 306 MJ/t，天然氣折標系數取1.33 kg/m3。則ASHSHP系統運行消耗電量所需的燃煤量為5 461.60 t，SGSHP系統運行消耗電量所需的燃煤量為5 412.82 t，若采用傳統的燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、電鍋爐系統進行供暖，燃煤鍋爐供暖熱效率定為60%，燃氣鍋爐供暖熱效率定為80%，電鍋爐供暖熱效率定為100%[9-10]，產生上述相同制熱量所需煤量分別為8 064.33、6 614.55、13 944.09 t。因此ASHSHP系統供暖比SGSHP系統的能耗高0.90%，與燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、電鍋爐供暖系統相比，分別可節約32.27%、17.37%和60.83%的能耗。

4.2 環境效益分析

ASHSHP系統供暖的環境效益，主要是從該系統與其他供暖系統相比所能減少的CO2、SO2、NOx及煙塵的排放量來進行評價[11]。不同供暖形式之間環境效益的比較多數是將各種供暖方式消耗的能源量通過不同的比例轉換為標準煤量，再根據標準煤主要燃燒產物的排放量來進行計算，這樣導致主要燃燒產物排放量的多少與使用標準煤的數量是同步變化的，但在實際應用時，不同供暖系統因其熱源不同導致各類污染物排放量在排放物中所占比例是不同的，并不存在各類污染物排放量均為最低或最高的供暖方式，評判具有一定的模糊性。因此，引入模糊綜合分析法，具體步驟[12-13]如下。

(1)不同系統設計方案(d1,d2,…,dn)，構成了模糊綜合評判的決策集：D=(d1,d2,…,dn)以及影響評判的目標集：U=(u1,u2,…,um)，本文研究中決策集中d1為ASHSHP系統方案，d2為燃煤鍋爐供暖系統方案，d3為燃氣鍋爐供暖系統方案，d4為電鍋爐供暖系統方案，d5為SGSHP系統方案。目標集中u1為CO2排放量，u2為SO2排放量,u3為NOx排放量，u4為煙塵排放量。

(2)根據步驟(1)中的決策集與目標集建立模糊評判矩陣R=(rij)4×5，其中rij為目標集隸屬。

由于不同供暖系統環境效益的選優具有相對性，且此處污染物排放量為定量研究，要求rij≤1，故定量目標隸屬度rij的計算方法如下。

對于數量值越大越優的目標：

(2)

對于數量值越小越優的目標：

(3)

式中：xij為供暖系統方案中方案j的第i個評判目標的數量值。

各供暖系統使用的能源種類不同，主要污染物的排放量也不同，具體如表4所示。根據各供暖系統的能源消耗以及表4，計算可得到不同供暖系統所產生的主要污染物總量，計算結果如表5所示。

表4 各供暖方式污染物排放清單Table 4 Pollutant emission list of various heating methods

表5 各供暖系統主要污染物排放總量Table 5 The total discharge of major pollutants in each heating system

比較環境效益時，各供暖系統污染物的排放量越小越優，所以利用數量值越小越優的rij計算公式，可得模糊評價矩陣R=(rij)4×5為

(4)

權重向量W的確定。確定權向量方法有專家評議法、比較矩陣法、層次分析法等，根據供暖系統方案的特點和各評比目標對方案的影響程度，選用層次分析法[14]。

(5)

查閱相關文獻可得，各污染物在環境影響因素中的重要程度為：NOx>煙塵>SO2>CO2[15-16]，環境影響評價中的4個評判要素間兩兩對比賦值為：aij=1代表ui與uj同等重要；aij=6/5代表ui比uj略微重要；aij=4/3代表ui比uj重要；aij=3/2代表ui比uj很重要。根據比較方法可得各環境影響因素間相對重要性，如表6所示。

表6 環境影響因素間的相對重要性Table 6 The relative importance of environmental factors

運用二元對比倒數法建立4階對比矩陣為

(6)

通過優勢積累法(求行和)可得權向量W=(3.25，3.78，5.03，4.37)，進行歸一化處理得W=(0.19，0.23，0.31，0.27)。根據模糊數學合成原理，將模糊權向量W與模糊評判矩陣R相乘，得到評判向量B=(0.552，0.245，0.990，0.216，0.557)，根據評判向量可得到各供暖系統環境優度的好壞。

從計算結果可得，燃氣鍋爐供暖系統的環境優度較好，ASHSHP系統的環境優度較燃煤鍋爐和電鍋爐供暖系統分別高出55.62%、60.87%，略低于SGSHP系統，僅低0.90%，ASHSHP系統的環境效益較為顯著。

4.3 經濟效益分析

4.3.1 ASHSHP和SGSHP系統費用對比分析

對比SGSHP和ASHSHP系統的經濟性，從系統初投資費用和運行費用兩方面來考慮。采用壽命周期內費用總值法對系統經濟性進行分析。這兩系統都是在已有土壤源熱泵系統的基礎上新增蓄熱系統，新增部分設備與材料基本相同，本文研究只考慮兩系統中不同設備的增量費用。系統的壽命周期為20a，部分設備的使用周期達不到20a，在系統模擬運行的過程中需要更換，更換系數為系統壽命周期與設備使用壽命的比值。因資金具有時間價值，本文將兩系統壽命周期內費用折算為現值進行考慮，計算公式[17-18]為

(7)

PI=PI0+PI0(1+j)-k1+PI0(1+j)-k2+…

(8)

式中：PC為系統壽命周期內總運行費用，萬元；POy為第y年的運行費用，萬元；j為折現率，取8%；PI為設備增量投資費用，萬元；PI0為設備的總價，萬元；ki為設備更換的年份。

ASHSHP和SGSHP系統的設備增量投資費用及運行費用，如表7～表9所示。

表7 ASHSHP系統設備增量投資費用Table 7 Equipment incremental investment cost of ASHSHP system

表8 SGSHP系統的設備增量投資費用Table 8 Eequipment incremental investment cost of SGSHP system

表9 兩系統總費用對比Table 9 Comparison of total cost of two systems

由表9可知，在保持冬季供熱量相同的情況下， SGSHP系統運行費用較低，但SGSHP系統初投資，使得總費用高于ASHSHP系統100.70萬元，且太陽能集熱器占地面積較大，實際使用時受到限制。

4.3.2 ASHSHP系統與傳統供暖系統費用對比分析

ASHSHP系統與傳統的燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、電鍋爐、燃油鍋爐供暖系統的經濟性進行對比，其動力煤、天然氣及電費的平均價格采用邢臺市當下能源價格。經濟對比分析結果，如表10所示。

從表10可看出，ASHSHP系統的供暖費用高于燃煤鍋爐供暖，但低于燃氣鍋爐和電鍋爐供暖。若將燃煤鍋爐的運行費用設為1作為參照指標，則ASHSHP系統、燃氣鍋爐及電鍋爐的運行費用相對值分別為2.25、2.85、5.76。在滿足供暖季供熱的需求時，ASHSHP系統的供暖費用比燃煤鍋爐供暖高55.65%，與燃氣鍋爐供暖相比可節約20.89%的供暖費用，與電鍋爐相比則可節約60.83%的供暖費用。根據上述分析得出，電鍋爐因其能源價格較高并不適合在大面積住宅樓中使用，可在所需供暖量小或所需供暖時長較短的小面積區域使用。

表10 4種供暖系統經濟性對比Table 10 Economic comparison of 4 heating systems

5 結論

通過對跨季節空氣-土壤蓄熱式熱泵系統的研究得出以下結論。

(1)利用TRNSYS軟件建立跨季節空氣-土壤蓄熱式熱泵(ASHSHP)系統的模型，并進行模擬分析。系統模擬運行20 a時，在定時蓄熱和定溫蓄熱模式下，ASHSHP系統土壤溫降分別3.96、3.99，定溫蓄熱模式下系統的供暖效果更佳。

(2)選用定溫蓄熱ASHSHP系統與其他供暖系統進行能耗的對比分析，結果表明ASHSHP系統比太陽能-土壤源熱泵(SGSHP)系統的能耗高0.90%，與燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、電鍋爐供暖相比分別可節約32.27%、17.37%、60.83%的能耗，節能效果較為顯著。

(3)利用模糊分析法得到幾種供暖方式的環優度分別為0.552、0.245、0.990、0.216和0.557，燃氣鍋爐供暖系統的環境優度較好，ASHSHP系統的環境優度略低于SGSHP系統，僅低0.90%，但比燃煤鍋爐和電鍋爐供暖系統分別高出55.62%、60.87%。

(4)利用壽命周期內費用總值法進行經濟性比較，得到定溫蓄熱ASHSHP系統與SGSHP系統相比，總增值費用減少100.7萬元，與燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、電鍋爐供暖系統的相對運行費用分別為2.25、1.00、2.85、5.76，ASHSHP系統的供暖費用比燃煤鍋爐供暖高55.65%，與燃氣鍋爐、電鍋爐的供暖費用相比分別可節約20.89%、60.83%。