唐天躋 ，王松慶 （東北林業(yè)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(tǒng)在運行的過程中極易出現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)應用在大型商用和公共建筑中具有優(yōu)勢[1]。蔡晶晶等針對夏熱冬冷地區(qū)的大多數(shù)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(tǒng)的可行性分析[2]。韓宗偉等人針對嚴寒地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)存在土壤取放熱不平衡的問題，提出將一次網(wǎng)的高溫蒸汽作為吸收式熱泵發(fā)生器熱源的地源熱泵系統(tǒng)，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(tǒng)的輔助散熱裝置的工程經(jīng)濟性能進行了研究[4]。

針對嚴寒地區(qū)的一些遠離城市熱網(wǎng)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(jié)，本文便是著眼于此類熱泵系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)高速公路建筑中的應用，運用TRNSYS軟件對此系統(tǒng)進行搭建與模擬運行，探究其在嚴寒地區(qū)工況下最優(yōu)的負荷分擔比例。

2 研究對象及系統(tǒng)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(qū)，總建筑面積為3573㎡，由于該高速公路服務區(qū)遠離城市熱網(wǎng)，無法進行常規(guī)的集中供熱，因此考慮使用熱泵系統(tǒng)進行供熱以及空氣調節(jié)。

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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)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(tǒng)，選擇空氣源熱泵獨立于地源熱泵水循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)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(xiàn)象，提出了該系統(tǒng)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(fā)揮其在此階段制熱性能相對低溫時較高的特點，優(yōu)先運行模式④，在冬季的其余時間段，優(yōu)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(tǒng)仿真模型構建

TRNSYS模擬的過程即是先通過所搭建系統(tǒng)中的各個模塊所對應的數(shù)學模型，結合給定的系統(tǒng)連接形式，對一個瞬態(tài)進行數(shù)值求解，然后對一個周期內的各個瞬態(tài)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(tǒng)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(tǒng)性能仿真分析

4.1 六種工況介紹

基于前文所展示的系統(tǒng)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(tǒng)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(jīng)濟性評價指標

經(jīng)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)值法對每個工況的經(jīng)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(jīng)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(yōu)選擇。

5 結語

本文介紹了空氣-土壤雙源熱泵系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)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(jù)經(jīng)濟性評價指標，得出了此嚴寒地區(qū)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?shù)卦礋岜贸袚?0%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(jīng)濟性最優(yōu)的結論。