王文濤 李先庭 胡平放

(1 清華大學(xué)建筑學(xué)院 北京 100084；2 華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)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(wěn)定性較好且全年溫度波動(dòng)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(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用在室外溫度較低的地區(qū)時(shí)，由于建筑累計(jì)熱負(fù)荷明顯大于累計(jì)冷負(fù)荷，一年中土壤源熱泵系統(tǒng)的累計(jì)取熱量大于累計(jì)排熱量，會(huì)出現(xiàn)全年取、排熱量不平衡的問題。當(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)常年運(yùn)行時(shí)，土壤溫度勢必越來越低，導(dǎo)致土壤源熱泵機(jī)組的供暖性能變差，不僅無法滿足室內(nèi)人員舒適性的要求，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)無法正常運(yùn)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(tǒng)安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

為解決土壤熱不平衡的問題，保證土壤源熱泵系統(tǒng)長期可靠高效運(yùn)行，目前主要的解決方法有：優(yōu)化地埋管設(shè)計(jì)、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(diǎn)：優(yōu)化地埋管設(shè)計(jì)會(huì)受到場地條件、初投資等因素的制約，且無法從本質(zhì)上解決土壤熱不平衡問題[8]；增加輔助鍋爐會(huì)消耗大量的高品位能源，造成環(huán)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(huì)增加投資，且運(yùn)行費(fèi)用會(huì)有所提高[8]。

若在常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加空氣換熱器以構(gòu)成空氣與土壤復(fù)合源熱泵系統(tǒng)，當(dāng)室外空氣溫度相對較高時(shí)，通過空氣換熱器把熱量從溫度較高的空氣轉(zhuǎn)移至溫度較低的土壤中，用于補(bǔ)償取、放熱量的差值，則有可能以較低的能耗實(shí)現(xiàn)地下土壤熱平衡[11-15]。通過合理設(shè)計(jì)空氣換熱器容量還有可能在保證室內(nèi)供熱的同時(shí)降低地埋管換熱器的容量，節(jié)約供熱系統(tǒng)成本。但對于不同地區(qū)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(shù)量減少后是否具有良好的供暖效果、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，目前該類研究還較為缺乏。

目前我國北方地區(qū)的住宅建筑通常僅提供集中供暖，空調(diào)季的冷負(fù)荷需由自家分體空調(diào)承擔(dān)，若采用土壤源熱泵機(jī)組供暖，相比其應(yīng)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(gè)北方城市(哈爾濱、長春、沈陽、北京、濟(jì)南)的住宅建筑為例，在TRNSYS平臺(tái)上建立了空氣與土壤復(fù)合源熱泵系統(tǒng)的仿真模型，對該復(fù)合源熱泵系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)及地埋管數(shù)量減少后的應(yīng)用效果進(jìn)行了模擬分析，為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 系統(tǒng)原理

增加補(bǔ)熱、減少取熱是解決北方地區(qū)土壤熱失衡問題的有效方法。Li Xianting等[16]提出在常規(guī)土壤源熱泵基礎(chǔ)上增加空氣-水換熱器，構(gòu)建了空氣與土壤復(fù)合源熱泵系統(tǒng)。當(dāng)室外環(huán)境溫度較高時(shí)，利用空氣換熱器可將空氣中的熱量轉(zhuǎn)移至循環(huán)介質(zhì)中，再由循環(huán)介質(zhì)供給熱泵或蓄存在土壤中，達(dá)到減少取熱、增加補(bǔ)熱并保持土壤熱平衡的目的，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

1地埋管換熱器；2閥門；3水泵；4熱泵機(jī)組；5用戶；6空氣-水換熱器。

該空氣與土壤復(fù)合源熱泵系統(tǒng)具有3種運(yùn)行模式：土壤源熱泵模式(GSHP)、間接空氣源熱泵模式(ASHP)、補(bǔ)熱模式，如表1所示。

表1 空氣與土壤復(fù)合源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行模式

1)土壤源熱泵模式

土壤源熱泵模式的循環(huán)路徑為：4→2d→1→3a→2a→4。在空調(diào)季，熱泵機(jī)組通過地埋管與土壤換熱進(jìn)行制冷；在供暖季中期，環(huán)境溫度低且建筑熱負(fù)荷大，土壤溫度通常會(huì)顯著高于室外氣溫，利用土壤中的熱量利于提高機(jī)組能效，因此運(yùn)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(huán)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(fù)荷較小，所以此時(shí)運(yùn)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(jīng)過地埋管，由空氣換熱器單獨(dú)運(yùn)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(bǔ)熱模式

補(bǔ)熱模式的循環(huán)路徑為：1→3a→2b→6→2f→1。在非供暖期和空調(diào)期，室外氣溫通常高于土壤溫度，此時(shí)可以使系統(tǒng)運(yùn)行補(bǔ)熱模式，將空氣中的熱量轉(zhuǎn)移至土壤中。通過運(yùn)行補(bǔ)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(diào)/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(wèi)生間，供暖季/空調(diào)季的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18 ℃/26 ℃。起居室的空調(diào)啟停作息時(shí)間為：18:00—24:00(工作日)或8:00—24:00(周末)開啟，其余時(shí)間關(guān)閉；臥室的空調(diào)啟停作息時(shí)間為：22:00—次日7:00(工作日)或0:00—24:00(周末)開啟，其余時(shí)間關(guān)閉。選取的5個(gè)城市(哈爾濱、長春、沈陽、北京、濟(jì)南)的熱工分區(qū)及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)如表2所示。

表2 氣候分區(qū)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)

2.2 研究方法

2.2.1 負(fù)荷計(jì)算

采用DeST軟件計(jì)算建筑負(fù)荷，住宅平面圖如圖2所示，負(fù)荷計(jì)算結(jié)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(fù)荷和供暖季累計(jì)熱負(fù)荷均呈減小趨勢。

表3 負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

圖2 住宅平面圖

2.2.2 設(shè)備選型

根據(jù)市場產(chǎn)品的性能參數(shù)及變工況參數(shù)，擬合出熱泵機(jī)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(jī)組的制熱量，kW；Ph為熱泵機(jī)組的制熱電耗，kW；tei為蒸發(fā)器入口溫度，℃；COPh為熱泵機(jī)組的制熱能效比。由上述計(jì)算式可得熱泵機(jī)組的實(shí)際制熱量，通過式(4)可計(jì)算出所需熱泵臺(tái)數(shù)。

(4)

根據(jù)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(jì)算出地埋管數(shù)量。不同地區(qū)所擁有的土壤熱物性參數(shù)不同，即使在同一地區(qū)，不同地點(diǎn)的土壤熱物性參數(shù)也可能會(huì)有較大差異，考慮到影響土壤溫度、建筑負(fù)荷的主要因素是氣象條件，本文將地質(zhì)參數(shù)設(shè)為定值：儲(chǔ)存熱導(dǎo)率取1.4 W/(m·K)，儲(chǔ)熱容量取2 016 kJ/(m3·K)[8]。取空氣換熱器的傳熱系數(shù)為40 W/(m2·K)[17]，以保持土壤熱平衡為基礎(chǔ)，經(jīng)過模擬試算得出空氣換熱器面積，主要設(shè)備選型如表4所示。

表4 主要設(shè)備選型

2.2.3 系統(tǒng)模擬方法

在土壤源熱泵系統(tǒng)的模擬中，TRNSYS軟件的地埋管模型因具有良好的被認(rèn)可性而被廣泛應(yīng)用[18]。因此，本文采用TRNSYS軟件對系統(tǒng)進(jìn)行10年運(yùn)行期的模擬，以得到常規(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)、空氣與土壤復(fù)合源熱泵系統(tǒng)的土壤溫度、運(yùn)行能耗等參數(shù)，從而得出復(fù)合源熱泵系統(tǒng)相對常規(guī)系統(tǒng)的節(jié)能率及費(fèi)用節(jié)省率?？諝馀c土壤復(fù)合源熱泵系統(tǒng)TRNSYS模型如圖3所示，該系統(tǒng)模型的控制策略如表5所示。

圖3 空氣與土壤復(fù)合源熱泵系統(tǒng)TRNSYS模型

表5 控制策略

3 結(jié)果分析

3.1 匹配設(shè)計(jì)方案

為充分發(fā)掘空氣與土壤復(fù)合源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在保證土壤熱平衡的前提下，對減少地埋管數(shù)量從而減少初投資的效果進(jìn)行分析。在減少地埋管數(shù)量的同時(shí)，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(jīng)過模擬調(diào)試，在保障供暖效果的前提下，設(shè)計(jì)出各城市地埋管數(shù)量最少時(shí)的空氣換熱器與地埋管的匹配方案，并與土壤源熱泵系統(tǒng)(常規(guī)方案)匯總于表6中，相關(guān)的比例系數(shù)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(guī)方案和新匹配方案的地埋管數(shù)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(shè)備選型

對于哈爾濱、長春、沈陽3個(gè)地區(qū)，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(guī)方案，采用新匹配方案時(shí)可將地埋管數(shù)量減少約29%，此時(shí)每延米地埋管需對應(yīng)匹配0.029 m2的空氣換熱器面積；對于北京地區(qū)，相比于常規(guī)方案，采用新匹配方案時(shí)可將地埋管數(shù)量減少約40%，此時(shí)每延米地埋管需對應(yīng)匹配0.040 m2的空氣換熱器面積；對于濟(jì)南地區(qū)，相比于常規(guī)方案，采用新匹配方案時(shí)可將地埋管數(shù)量減少約43%，此時(shí)每延米地埋管需對應(yīng)匹配0.050 m2的空氣換熱器面積。

3.2 新匹配設(shè)計(jì)方案的效果

根據(jù)文獻(xiàn)[16]可知，該空氣與土壤復(fù)合源熱泵系統(tǒng)通過空氣換熱器的補(bǔ)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(shù)量減少后的新匹配設(shè)計(jì)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(guī)系統(tǒng)與復(fù)合源新方案系統(tǒng)運(yùn)行10年后的狀況，表7所示為初始土壤溫度和10年運(yùn)行期結(jié)束時(shí)的土壤溫度。由表7可知，常規(guī)熱泵的長期運(yùn)行會(huì)使土壤溫度降低，而復(fù)合源新方案系統(tǒng)仍可以保持土壤溫度穩(wěn)定。

表7 土壤溫度統(tǒng)計(jì)

3.2.2 供暖保障效果

在北方地區(qū)，土壤源熱泵長期運(yùn)行后，通常會(huì)因地下土壤溫度降低而導(dǎo)致機(jī)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(shí)數(shù)來評估供暖保障效果。供暖不保證小時(shí)數(shù)越小，表明系統(tǒng)的可靠性和供暖的保障效果越好。

5個(gè)城市的常規(guī)系統(tǒng)、復(fù)合源新方案系統(tǒng)的第10年供暖不保證小時(shí)數(shù)如表8所示。由表8可知：1)對于常規(guī)方案，哈爾濱地區(qū)的供暖不保證小時(shí)數(shù)最大，濟(jì)南地區(qū)的供暖不保證小時(shí)數(shù)最小，供暖不保證小時(shí)數(shù)的大小與地埋管供暖季累計(jì)取熱量有關(guān)：取熱量越大，土壤溫度降低越快，則更易出現(xiàn)供暖不保證時(shí)間；2)復(fù)合源新方案系統(tǒng)的供暖不保證小時(shí)數(shù)均小于常規(guī)系統(tǒng)，說明復(fù)合源新方案系統(tǒng)的供暖保障效果好于常規(guī)熱泵，但在不同地區(qū)，二者效果的相差程度是不同的，哈爾濱地區(qū)二者相差28 h，而濟(jì)南地區(qū)僅相差1 h，說明二者的相差程度與地埋管供暖季累計(jì)取熱量的大小呈正相關(guān)；3)5個(gè)城市的復(fù)合源新方案系統(tǒng)的供暖不保證小時(shí)數(shù)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(shí)數(shù)

3.2.3 節(jié)能性分析

通過TRNSYS模擬，得到10年運(yùn)行期系統(tǒng)功耗的模擬結(jié)果，如表9所示。由表9可知，該住宅建筑的復(fù)合源新方案系統(tǒng)在哈爾濱地區(qū)的節(jié)能率為正值，在其他4個(gè)城市的節(jié)能率均為負(fù)值。由2.2.1節(jié)的負(fù)荷結(jié)果可知，隨著5個(gè)城市緯度的降低，供暖季累計(jì)熱負(fù)荷逐漸減小，則相應(yīng)的地埋管累計(jì)取熱量也會(huì)減小，此時(shí)常規(guī)系統(tǒng)的土壤溫度降幅較小，常規(guī)系統(tǒng)與復(fù)合源系統(tǒng)的土壤溫度差距較小，因此機(jī)組的性能差距較小。當(dāng)建筑累計(jì)熱負(fù)荷的數(shù)值基數(shù)比較小時(shí)，由于復(fù)合源系統(tǒng)有附加的補(bǔ)熱水泵功耗，導(dǎo)致復(fù)合源系統(tǒng)因制熱COP相對提高而節(jié)省下來的能耗小于補(bǔ)熱水泵的附加功耗，使節(jié)能率呈現(xiàn)為負(fù)值。

表9 系統(tǒng)能耗及節(jié)能率

由此可知，建筑全年累計(jì)熱負(fù)荷的數(shù)值基數(shù)較大時(shí)，復(fù)合源系統(tǒng)具有一定的節(jié)能性；但全年累計(jì)熱負(fù)荷的數(shù)值基數(shù)較小時(shí)，復(fù)合源系統(tǒng)不一定具有節(jié)能性。

3.2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

本文以10年運(yùn)行期為例計(jì)算系統(tǒng)總費(fèi)用，總費(fèi)用由初投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用構(gòu)成。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，取熱泵機(jī)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(fèi)用；取電價(jià)為0.7 元/(kW·h)計(jì)算運(yùn)行費(fèi)用。將初投資按10年運(yùn)行期平均至每一年，再與每年的運(yùn)行費(fèi)用合計(jì)，即得到費(fèi)用年值，表10、表11分別列出了費(fèi)用年值、費(fèi)用統(tǒng)計(jì)表(其中“節(jié)省占比”代表節(jié)省的初投資或運(yùn)行費(fèi)用占總節(jié)省費(fèi)用的比例，用以表明費(fèi)用的節(jié)省來源)。

表10 費(fèi)用年值

表11 費(fèi)用及節(jié)省率統(tǒng)計(jì)表

由表10可知，5個(gè)城市常規(guī)方案的費(fèi)用年值基本呈逐年上升趨勢，說明常規(guī)系統(tǒng)長期運(yùn)行導(dǎo)致土壤溫度下降使每年的耗電量逐漸增加；而復(fù)合源新方案系統(tǒng)的費(fèi)用年值基本保持不變，再次說明復(fù)合源方案具有保持土壤熱平衡的優(yōu)勢。

由表11可知，在總費(fèi)用方面，復(fù)合源新方案系統(tǒng)相對于常規(guī)方案具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。但在節(jié)省占比方面，不同地區(qū)特點(diǎn)各異：哈爾濱地區(qū)的初投資節(jié)省占比為91.2%，運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省占比為8.8%，可見系統(tǒng)節(jié)省潛力主要來源于初投資，運(yùn)行費(fèi)用具有節(jié)省效果但所起作用較?。婚L春、沈陽、北京、濟(jì)南4個(gè)城市的運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省量為負(fù)，運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省占比為負(fù)，而初投資的節(jié)省占比大于100%，可見在這4個(gè)城市只有初投資方面具有節(jié)省潛力。由此可知，建筑累計(jì)熱負(fù)荷的數(shù)值基數(shù)較大時(shí)，復(fù)合源系統(tǒng)在初投資、運(yùn)行費(fèi)用均具有一定的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢；但累計(jì)熱負(fù)荷的數(shù)值基數(shù)較小時(shí)，復(fù)合源系統(tǒng)僅在初投資方面具有一定的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本文以哈爾濱、長春、沈陽、北京、濟(jì)南的住宅為例，建立了空氣與土壤復(fù)合源熱泵系統(tǒng)的TRNSYS仿真模型，并進(jìn)行了10年運(yùn)行期的模擬。對地埋管和空氣換熱器的匹配設(shè)計(jì)及減少地埋管數(shù)量后的空氣與土壤復(fù)合源熱泵系統(tǒng)在供暖保障效果、節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性方面的模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

1)在保障供暖效果的前提下，空氣與土壤復(fù)合源熱泵系統(tǒng)在哈爾濱、長春、沈陽、北京、濟(jì)南的地埋管數(shù)量最大減少比例分別為29%、29%、30%、40%、43%，每延米地埋管需對應(yīng)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(guī)土壤源熱泵系統(tǒng)相比，減少地埋管數(shù)量后的空氣與土壤復(fù)合源熱泵系統(tǒng)在長期運(yùn)行中可維持土壤溫度穩(wěn)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(jì)取熱量大于全年累計(jì)放熱量的場合。

3)建筑累計(jì)熱負(fù)荷的數(shù)值基數(shù)較大時(shí)，減少地埋管數(shù)量后的復(fù)合源系統(tǒng)具有一定的節(jié)能性；但累計(jì)熱負(fù)荷的數(shù)值基數(shù)較小時(shí)，則不一定具有節(jié)能性。因此，應(yīng)用該系統(tǒng)時(shí)主要關(guān)注點(diǎn)不應(yīng)放在節(jié)能上。

4)減少地埋管數(shù)量后的空氣與土壤復(fù)合源熱泵系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，在哈爾濱、長春、沈陽、北京、濟(jì)南的10年總費(fèi)用節(jié)省率分別為12.6%、12.7%、15.3%、22.6%、25.3%。