韓宗偉，王一茹，阿不來(lái)提·依米提，張艷紅，楊軍，孟欣

(1-東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110819；2-新疆太陽(yáng)能科技開(kāi)發(fā)公司，新疆烏魯木齊 830011)

空氣源熱泵輔助吸收式地源熱泵系統(tǒng)的適用性分析

韓宗偉*1，王一茹1，阿不來(lái)提·依米提2，張艷紅2，楊軍1，孟欣1

(1-東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110819；2-新疆太陽(yáng)能科技開(kāi)發(fā)公司，新疆烏魯木齊 830011)

針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)集中供熱系統(tǒng)能源利用效率低的問(wèn)題，結(jié)合該地區(qū)應(yīng)用地源熱泵系統(tǒng)存在土壤吸/排熱不平衡的問(wèn)題，本文提出將一次網(wǎng)的高溫蒸汽（熱水）作為吸收式熱泵發(fā)生器熱源的地源熱泵系統(tǒng)，利用空氣源熱泵保障地下?lián)Q熱系統(tǒng)熱平衡。介紹了復(fù)合系統(tǒng)的運(yùn)行模式，確定了系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略，選取哈爾濱地區(qū)某辦公建筑對(duì)系統(tǒng)的全年運(yùn)行性能進(jìn)行分析。通過(guò)計(jì)算，系統(tǒng)平均綜合性能系數(shù)為2.1，相比傳統(tǒng)的供暖空調(diào)方式節(jié)能33.1%。該系統(tǒng)全年運(yùn)行土壤取/排熱不平衡率為3.8%，可以保證土壤溫度場(chǎng)以年為周期的熱平衡；系統(tǒng)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

嚴(yán)寒地區(qū)；吸收式熱泵；土壤熱平衡；模擬分析；性能系數(shù)

0 引言

我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)幅員遼闊、供暖期長(zhǎng)，供暖能耗巨大。目前這些地區(qū)仍是以燃燒化石燃料的集中供暖方式為主，無(wú)論是區(qū)域鍋爐房還是熱電聯(lián)產(chǎn)，利用熱源熱水出口溫度均較高，通常經(jīng)換熱站換熱得到適合于用戶末端較低溫度的熱水，能源利用效率低。近些年來(lái)，地源熱泵技術(shù)在嚴(yán)寒地區(qū)也開(kāi)始有大量的應(yīng)用，但是由于建筑冷熱負(fù)荷差異較大，使得現(xiàn)有的蒸氣壓縮式地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能逐年降低，目前研究采取的措施主要有利用鍋爐輔助供暖[1-2]、太陽(yáng)能季節(jié)性土壤蓄熱[3-5]，空氣熱能季節(jié)性蓄熱[6-8]等方式確保地源熱泵系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性。考慮到吸收式地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能系數(shù)較蒸氣壓縮式地源熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)低，即在供熱量相同的條件下，可以減少土壤取熱量，因此，采用吸收式地源熱泵系統(tǒng)可以改善地源熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行的取/排熱的不平衡問(wèn)題[9-10]。

為了避免地埋管換熱器出水溫度過(guò)低導(dǎo)致吸收式熱泵難以運(yùn)行，同時(shí)利用供暖初期和末期時(shí)空氣源熱泵制熱進(jìn)一步降低土壤取熱量，確保土壤的熱平衡，采用空氣源熱泵輔助吸收式熱泵進(jìn)行供暖空調(diào)，為了考察該系統(tǒng)的可行性，本文對(duì)該系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行模擬計(jì)算分析，考察其在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用的可行性。

1 系統(tǒng)組成及運(yùn)行模式介紹

圖1為空氣源熱泵輔助的吸收式地源熱泵系統(tǒng)原理圖。如圖所示，該系統(tǒng)主要包括高溫?zé)嵩串a(chǎn)生裝置（鍋爐、一次熱網(wǎng)等）、吸收式熱泵機(jī)組、地埋管換熱器、空氣源熱泵機(jī)組、循環(huán)泵及其它管路附件組成。系統(tǒng)以傳統(tǒng)供暖熱源產(chǎn)生的高溫蒸汽或熱水為發(fā)生器熱源，驅(qū)動(dòng)吸收式熱泵系統(tǒng)從土壤中吸取部分低溫?zé)嶂迫∵m用于供暖末端的低溫?zé)崴?。空氣源熱泵機(jī)組具有供暖工況、補(bǔ)熱工況及分離式熱管蓄熱工況，該機(jī)組在供暖初期和末期可以運(yùn)行空氣源熱泵供暖模式，充分發(fā)揮其在供暖初、末期制熱性能較好的優(yōu)點(diǎn)，減少吸收式地源熱泵系統(tǒng)從土壤中的取熱量。此外該機(jī)組還用于供暖期中期對(duì)吸收式熱泵機(jī)組的補(bǔ)熱，避免土壤換熱器出水溫度過(guò)低、吸收式熱泵無(wú)法運(yùn)行的問(wèn)題。

在嚴(yán)寒地區(qū)的氣候條件下，在全年不同階段該系統(tǒng)可以運(yùn)行以下8種模式。

模式1：吸收式地源熱泵供暖模式；

模式2：空氣源熱泵運(yùn)行補(bǔ)熱工況輔助吸收式地源熱泵系統(tǒng)供暖模式；

模式3：空氣源熱泵運(yùn)行供暖工況與吸收式地源熱泵系統(tǒng)并聯(lián)供暖模式；

模式4：空氣源熱泵運(yùn)行供暖工況，單獨(dú)供暖模式；

模式5：傳統(tǒng)熱源輔助供熱模式；

模式6：空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行熱管工況進(jìn)行土壤蓄熱模式；

模式7：土壤換熱器直接取冷空調(diào)模式；

模式8：吸收式地源熱泵供冷模式。

圖1 吸收式地源-空氣源熱泵系統(tǒng)圖

2 運(yùn)行控制策略

2.1 供暖模式控制策略

系統(tǒng)在供暖期有5種供暖模式，分別是模式1、模式2、模式3、模式4和模式5，這些模式分別和同時(shí)利用了空氣熱能、淺層土壤熱能及由燃燒化石能源產(chǎn)生的高溫?zé)嵩础?fù)合系統(tǒng)在運(yùn)行方式要充分考慮各種熱源的特性，考慮空氣熱源雖來(lái)源廣，無(wú)換熱累積效應(yīng)，熱源參數(shù)逐時(shí)變化的特點(diǎn)，在供暖期當(dāng)環(huán)境空氣溫度較高時(shí)，優(yōu)先利用環(huán)境空氣熱源，即運(yùn)行空氣源熱泵供暖模式（模式4）。由于空氣源熱泵在該系統(tǒng)中只是輔助作用，容量相對(duì)較小，若出現(xiàn)空氣源熱泵性能較好，但制熱量難以滿足供暖需求時(shí)，若此時(shí)地埋管換熱器出水溫度可滿足吸收式熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行要求，系統(tǒng)運(yùn)行吸收式地源熱泵和空氣源熱泵聯(lián)合供暖模式（模式3）；當(dāng)環(huán)境溫度較低，空氣源熱泵運(yùn)行供暖工況性能較差時(shí)，若埋管換熱器出水溫度可以滿足吸收式熱泵的運(yùn)行要求，系統(tǒng)運(yùn)行模式1。若埋管換熱器出水溫度較低，不能滿足吸收式熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行要求，空氣源熱泵運(yùn)行補(bǔ)熱工況，對(duì)埋管換熱器的出水加熱，系統(tǒng)運(yùn)行模式2。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或出現(xiàn)極端天氣，吸收熱泵系統(tǒng)難以保證供暖時(shí)運(yùn)行模式5，切換成換熱模式進(jìn)行供暖。

2.2 空調(diào)模式控制策略

系統(tǒng)在空調(diào)期有模式7和模式8兩種供冷模式。由于供暖結(jié)束后，埋管換熱器周圍土壤溫度較低，加之嚴(yán)寒地區(qū)夏季冷負(fù)荷相對(duì)較小，除濕要求低，在供冷期可優(yōu)先利用土壤換熱器直接取冷空調(diào)（即模式7）。當(dāng)模式7難以滿足供冷需求時(shí)，采取吸收式地源熱泵供冷模式（模式8）。

2.3 非供暖期蓄熱模式控制策略

在非供暖期，空氣源熱泵運(yùn)行熱管工況對(duì)土壤蓄熱（模式6）。該模式可在環(huán)境空氣溫度與埋管換熱器出水溫度的溫差滿足一定條件時(shí)開(kāi)始運(yùn)行，當(dāng)二者溫差不滿足條件時(shí)蓄熱模式停止運(yùn)行。該蓄熱模式可將環(huán)境空氣熱能蓄存至土壤中，以通過(guò)蓄熱緩解土壤熱平衡問(wèn)題，提高換熱器周圍土壤平均溫度，提高系統(tǒng)全年的運(yùn)行性能。

3 系統(tǒng)運(yùn)行性能分析

為考察該系統(tǒng)全年運(yùn)行性能，以哈爾濱地區(qū)某5760 m2的辦公建筑為對(duì)象，利用建筑能耗模擬軟件DeST計(jì)算該建筑在全年內(nèi)供暖空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行分析。圖2為建筑負(fù)荷全年變化，該地區(qū)冬季最大熱負(fù)荷為1119.7 kW，累計(jì)熱負(fù)荷為4342 GJ。夏季最大冷負(fù)荷為-711.98 kW，累計(jì)冷負(fù)荷為753 GJ。供暖期（10月15日-次年4月15日），供冷期（6月1日-9月1日），冬季供暖運(yùn)行時(shí)間約為夏季供冷時(shí)間的1.6倍，全年累計(jì)熱負(fù)荷約為冷負(fù)荷的5.8倍，建筑所需供熱量遠(yuǎn)大于供冷量。

吸收式地源熱泵機(jī)組容量的選擇依據(jù)最不利工況即最大熱負(fù)荷1119.7 kW，地埋管總數(shù)為120個(gè)，埋深80 m，埋管間距為5 m?？諝庠礋岜脵C(jī)組容量通過(guò)模擬程序試算得出，保證地源熱泵系統(tǒng)取、排熱平衡的合理空氣源熱泵機(jī)組的容量為160 kW。

圖3為系統(tǒng)全年運(yùn)行模式的變化情況，可以看出系統(tǒng)在供暖的初期和末期優(yōu)先運(yùn)行模式4進(jìn)行供暖，這是由于此時(shí)的環(huán)境空氣溫度較高，空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)較穩(wěn)定，可單獨(dú)運(yùn)行。隨著空氣溫度降低、供暖熱負(fù)荷增加，而由于哈爾濱地區(qū)土壤平均溫度較低（約為5℃），埋管換熱器從土壤中的出水溫度無(wú)法滿足吸收式熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行要求，因此模式1和模式3無(wú)法實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)以模式4和模式2交替運(yùn)行的方式進(jìn)行供暖。在非供暖期，蓄熱模式6為主要的運(yùn)行模式，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。在空調(diào)期，系統(tǒng)優(yōu)先運(yùn)行模式7進(jìn)行供冷，隨著環(huán)境溫度的升高、冷負(fù)荷的增加，系統(tǒng)采取模式7與模式8交替運(yùn)行的方式進(jìn)行供冷。

圖2 建筑全年負(fù)荷變化

圖3 系統(tǒng)全年運(yùn)行模式變化情況

表1為吸收式地源熱泵系統(tǒng)在全年內(nèi)運(yùn)行的總體結(jié)果。在整個(gè)供暖期內(nèi)，模式2為主要運(yùn)行模式，供熱量為4265.5 GJ，占總供熱量的98.2%。非供暖期模式6的蓄熱量為822.4 GJ，占全年土壤得熱量的49.3%?？照{(diào)期供冷模式在土壤換熱器出水溫度滿足模式7要求時(shí)，優(yōu)先運(yùn)行模式7。由于非供暖期蓄熱模式的運(yùn)行使土壤溫度升高，降低了模式7的取冷量，供冷期主要運(yùn)行地源熱泵（模式8）進(jìn)行供冷，模式8全年供冷量為616 GJ，占總冷負(fù)荷的82%。

表1 系統(tǒng)全年運(yùn)行總體模擬結(jié)果

圖4為系統(tǒng)全年運(yùn)行土壤取熱量和排熱量的比較示意圖。從圖中可以看出，系統(tǒng)在供暖期運(yùn)行時(shí)，從土壤中的取熱量遠(yuǎn)大于空調(diào)期向土壤的排熱量，而非供暖期系統(tǒng)蓄熱量與空調(diào)期的排熱量總和約與取熱量持平，這樣系統(tǒng)全年運(yùn)行對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響較小，可以保證土壤以年為周期的熱平衡。土壤熱不平衡率用來(lái)表示土壤內(nèi)部熱量的平衡狀況，定義為：土壤熱不平衡率=（土壤總排熱量-土壤總?cè)崃浚?土壤總?cè)崃?。?dāng)土壤熱不平衡率為正值，表示取熱量大于排熱量，反之則排熱量大于取熱量。土壤熱不平衡率的絕對(duì)值越小，其內(nèi)部熱量平衡性越好，土壤溫度場(chǎng)越穩(wěn)定。計(jì)算可知，該建筑若采用單一電驅(qū)動(dòng)地源熱泵系統(tǒng)，在運(yùn)行全年后，土壤熱不平衡率約為-52.5%，而空氣源熱泵輔助的吸收式地源熱泵系統(tǒng)由于在非供暖期向土壤中蓄存的熱量較大（約占總?cè)崃康亩种唬行浹a(bǔ)了供暖期土壤中的熱虧損，使得系統(tǒng)全年運(yùn)行對(duì)土壤溫度場(chǎng)影響較小，不平衡率僅為3.8%，排熱量略大于取熱量，系統(tǒng)全年運(yùn)行過(guò)程中土壤的取、排熱量基本平衡。

圖4 系統(tǒng)全年運(yùn)行模式變化情況

由于空氣源熱泵輔助的吸收式地源熱泵系統(tǒng)，同時(shí)消耗了熱能和電能兩種能源，為了比較系統(tǒng)節(jié)能效果，將電能按照發(fā)電效率折算成一次能耗的方式計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行能效，即：系統(tǒng)的運(yùn)行性能系數(shù)=（總供熱量+總供冷量）/（一次能源耗熱量+耗電量統(tǒng)一轉(zhuǎn)化的一次能源耗熱量）。經(jīng)過(guò)計(jì)算，單一地源熱泵系統(tǒng)供暖平均COP為2.6，供冷平均COP為7.9，折合一次能耗的平均運(yùn)行能效比約為1.56；吸收式地源熱泵系統(tǒng)的平均運(yùn)行能效比約為2.1，較單一地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能33.1%，一次能源利用率較高，系統(tǒng)逐年的運(yùn)行性能較為穩(wěn)定，較適用于嚴(yán)寒地區(qū)的使用。

4 結(jié)論

本文針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)集中供暖能源利用效率低和地源熱泵存在的土壤熱平衡問(wèn)題，在現(xiàn)有嚴(yán)寒地區(qū)吸收式熱泵供暖研究基礎(chǔ)上，介紹了空氣源熱泵輔助的吸收式地源熱泵系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的運(yùn)行原理及運(yùn)行模式，并以哈爾濱地區(qū)某建筑為對(duì)象對(duì)系統(tǒng)全年的運(yùn)行性能進(jìn)行計(jì)算分析。通過(guò)分析可知，系統(tǒng)全年運(yùn)行性能較好，平均綜合性能系數(shù)為2.1，相比傳統(tǒng)的地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能33.1%。該系統(tǒng)全年運(yùn)行土壤取/排熱不平衡率為3.8%，可以保證土壤溫度場(chǎng)以年為周期的熱平衡，系統(tǒng)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。該系統(tǒng)是嚴(yán)寒地區(qū)供暖可行的技術(shù)手段。

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Applicability Analysis on Absorption Ground Source Heat Pump System Assisted by Air Source Heat Pump

HAN Zong-wei*1, WANG Yi-ru1, ABLAT Yimit2, ZHANG Yan-hong2, YANG Jun1, MENG Xin1
(1-School of Materials & Metallurgy, Northeastern University, Shenyang, Liaoning 110819, China; 2-Xinjiang Solar Technology Development Company, Urumqi, Xinjiang 830011, China)

In the present study, regarding the low energy efficiency of traditional central heating system in cold regions, and combining with the endothermic/reject heat unbalance of soil for application of ground source heat pump, the ground source heat pump system was proposed by using high temperature steam/water from primary network as the generator heat source and using air source heat pump to ensure the thermal balance of underground heat exchange system. The operation modes of the coupled system were introduced; the control strategy of the system operation was determined and the annual operation performance was analyzed on an office building in Harbin. The results showed that, the system average coefficient of overall performance was calculated to be 2.1, and the energy saving of the proposed system was 33.1% comparing with the traditional central heating way. The soil endothermic/reject heat unbalance rate of the system was 3.8%, which can ensure thermal balance of the soil temperature filed over one year cycle. The long-run effects of the system tended to be stable.

Cold regions; Absorption heat pump; Thermal balance of the soil; Numerical simulation; Coefficient of performance

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.01.204

*韓宗偉(1980-)，男，副教授，工學(xué)博士。研究方向：制冷空調(diào)、可再生能源利用。聯(lián)系地址：沈陽(yáng)市和平區(qū)文化路3號(hào)巷11號(hào)，郵編：110819。聯(lián)系電話：024-83686994。E-mail：hanzw@smm.neu.edu.cn。

遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目（L2013100），新疆維吾爾自治區(qū)科技支疆項(xiàng)目（No.2013911043）

本論文選自2013中國(guó)制冷學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文。