黃凱良，侯 旭，馮國會

（沈陽建筑大學，沈陽 110168）

0 引言

近年來隨著熱泵技術的發(fā)展，空氣源熱泵（ASHP）作為新型的節(jié)能環(huán)保設備，在我國暖通空調領域備受關注。空氣源熱泵具有宜布置、安裝的優(yōu)點，采用空氣作為高（低）溫熱源就可以實現(xiàn)夏天制冷、冬天供暖。但是，空氣源熱泵受室外環(huán)境溫度影響較大，尤其是在我國北方冬季，室外環(huán)境溫度通?？蛇_-30 ℃左右，空氣源熱泵在低溫環(huán)境下運行時常常會出現(xiàn)因蒸發(fā)器表面結霜影響換熱效果以及除霜帶來的機組制熱性能系數(shù)下降等問題，嚴重時可能會導致機組無法正常運行［1-2］；另外，隨著室外干球溫度逐漸降低，末端熱負荷增大，空氣源熱泵的出水溫度升高引起升壓比增大、排氣溫度過高，導致機組制熱性能系數(shù)下降。

為保證空氣源熱泵在嚴寒地區(qū)低溫環(huán)境下高效運行，目前主要的解決方法有：開發(fā)低溫型空氣源熱泵、增加輔助電加熱裝置、增加輔助土壤源熱泵等［3-5］。但這些方法依然存在一些不足的地方：超低溫型空氣源熱泵的裝置尺寸較大、能效較低，平均能效比在1.4/1.35 左右［6］；增加電加熱器會增大高品位能源的消耗，節(jié)能效果降低；土壤源熱泵會增加系統(tǒng)投資，且需要較大的施工場地，且在嚴寒地區(qū)應用會出現(xiàn)土壤熱失衡問題，在應用前景上具有一定的局限性［7-9］。

通過在空氣源熱泵系統(tǒng)的基礎上添加風水換熱器以構成地熱輔助的空氣源熱泵系統(tǒng)（AGAASHP），當室外空氣溫度過低時，通過風水換熱器把土壤中的較高熱量轉移至較低的空氣中，用于提高空氣源熱泵的輸入溫度，從而提高空氣源熱泵的運行能效；在非供暖階段能夠通過風水換熱器向土壤補熱，緩解嚴寒地區(qū)土壤熱失衡問題的出現(xiàn)。

本文以沈陽的農村住宅建筑為例，通過TRNSYS 平臺建立了地熱輔助的空氣源熱泵系統(tǒng)仿真模型，對該系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)供暖季的供暖效果及埋管深度優(yōu)化后的應用效果進行了模擬分析，分析該系統(tǒng)的可行性，同時為工程實際應用提供參考。

1 建筑能耗模擬

1.1 建筑概況

建筑圍護結構熱工參數(shù)匯總見表1。

表1 住宅建筑圍護結構熱供參數(shù)匯總Tab.1 Summary table of heating parameters of residential building envelope

表2 地熱輔助的空氣源熱泵系統(tǒng)運行模式Tab.2 Diagram of operation mode of geothermalassisted air source heat pump system

以沈陽市某農村住宅建筑為研究對象，建筑熱供參數(shù)匯總見表1，該建筑總建筑面積為240.78 m2，層數(shù)2 層，一層面積為110.04 m2，包括客廳、大堂、臥室、廚房等；二層面積為118.14 m2，包括臥室、客廳、大堂及衛(wèi)生間等；出屋面樓梯間面積為12.68 m2。建筑樓體形系數(shù)為0.297。

1.2 能耗模擬結果分析

根據(jù)圖1 可知沈陽地區(qū)的平均氣溫為8.7 ℃，年最高溫度為33.95 ℃，年最低溫度為-25.3 ℃，全年最冷月份出現(xiàn)在1 月份，其中1 月份日最高氣溫為4.31 ℃，日最低氣溫為-25.3℃，屬于嚴寒C區(qū)。沈陽地區(qū)供暖時間為11 月1 日-次年3 月31 日，共151 d 且要求供暖期室內溫度達18 ℃。

圖1 沈陽市全年溫度分布Fig.1 Annual temperature distribution in Shenyang

使用Sketch UP 建立案例建筑模型，并通過TRN3D 把模型導入TRNBuild 軟件建立能耗模型，并對目標建筑進行全年逐時能耗模擬，結果如圖2 所示。冬季逐時最大熱負荷為32 kW，夏季逐時最大冷負荷為14.24 kW，冬夏峰值負荷比為2.28：1。

圖2 全年逐時冷熱負荷模擬Fig.2 Simulation of cooling and heating loads on an hourly basis throughout the year

圖3 地熱輔助的空氣源熱泵系統(tǒng)Fig3 Diagram of geothermal-assisted air source heat pump system

2 系統(tǒng)概況

2.1 AGAASHP 系統(tǒng)設計

基于傳統(tǒng)的雙源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)缺點，本文設計了地熱輔助的空氣源熱泵系統(tǒng)（AGAASHP），AGAASHP系統(tǒng)與現(xiàn)有的雙源熱泵系統(tǒng)形式存在很大的不同?，F(xiàn)有的雙源熱泵系統(tǒng)是用中間水循環(huán)管路將2 個常規(guī)熱泵機組耦合起來。而AGAASHP系統(tǒng)取消了中間水環(huán)路，利用風水換熱器來實現(xiàn)空氣源和地源在耦合系統(tǒng)中的聯(lián)合運行。

AGAASHP 系統(tǒng)主要由兩部分構成。（1）空氣源外加換熱器換熱模塊，和常規(guī)空氣源熱泵系統(tǒng)相比，不同之處在于添加了風水換熱器部分，將原本直接輸入的自然空氣經過風水換熱器換熱后再進入空氣源熱泵蒸發(fā)器側；（2）土壤源換熱器模塊，采用土壤源埋管區(qū)域換熱器來汲取土壤淺層地熱能。通過風水換熱器和地源側換熱器有效耦合，改變了常規(guī)雙源熱泵系統(tǒng)依靠儲熱水箱作為中介的耦合形式，將原有雙源熱泵系統(tǒng)的兩個壓縮機削減為一個壓縮機，簡化了系統(tǒng)的運行流程，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)性能，增強了系統(tǒng)的布置靈活性。

2.2 運行模式

本文構建的地熱輔助的空氣源熱泵系統(tǒng)通過風水換熱器模塊并聯(lián)，通過調節(jié)水泵開啟的數(shù)量和閥門的控制信號以及溫差控制器來控制熱泵系統(tǒng)的運行工況?？刂破髀?lián)合采暖模塊，控制整個系統(tǒng)的各循環(huán)水泵的運行。

ASHP 模式：在供暖初期和末期室外環(huán)境溫度下降幅度較小，對于空氣源熱泵的制熱效果影響不大，空氣源熱泵單獨制熱滿足建筑的供熱需求。

AAGASHP 模式：供暖中期的室外溫度較低且建筑的供熱需求增大，使得空氣源熱泵的制熱效果降低，此時通過開啟土壤區(qū)域換熱器作為供熱補充，并通過監(jiān)測室外環(huán)境的干球溫度來判斷是否需要開啟換熱模塊，當自然空氣的干球溫度低于5 ℃［10］，開啟換熱器模塊以提高空氣源熱泵蒸發(fā)器側的輸入溫度。

補熱模式：在非供暖期，室外氣溫通常高于土壤溫度，當室外溫度高于土壤溫度2 ℃時開啟換熱模塊對淺層土壤源補熱，此時可以通過風水換熱器與土壤區(qū)域換熱器的聯(lián)合運行對土壤側補熱，將空氣中的熱量轉移到土壤中，通過補熱模式可以實現(xiàn)嚴寒地區(qū)土壤的熱平衡，保證空氣源熱泵機組的制熱效果。

2.3 仿真模型的建立

本文基于TRNSYS 瞬時仿真平臺進行系統(tǒng)模擬，本文主要模擬的工況包括單獨的空氣源熱泵系統(tǒng)、地熱輔助的空氣源熱泵系統(tǒng)，構建的仿真模型如圖4，5 所示。

圖4 ASHP 熱泵系統(tǒng)Fig.4 ASHP heat pump system

圖5 AAGASHP 熱泵系統(tǒng)Fig.5 AAGASHP heat pump system

3 試驗驗證

空氣源熱泵機組運行采用沈陽某辦公建筑空氣源熱泵項目已有的試驗數(shù)據(jù)進行驗證。該建筑總面積為334.8 m2，共有兩層，無地下室。試驗裝置采用BKH05C 型空氣源熱泵機組，壓縮機為全封閉渦旋式，機組冬季額定制熱量為13.8 kW，風機功率為180 W。試驗時間為2021 年11 月18 日，戶外氣象狀況如圖6 所示。

圖6 試驗期間室外氣象參數(shù)Fig.6 Outdoor meteorological parameters during the experiment

熱泵性能系數(shù)試驗值與模擬值的對比曲線如圖7 所示，通過對比熱泵性能系數(shù)試驗值與模擬值可以看出，空氣源熱泵機組試驗值與模擬值的最大誤差為5.0%，制熱COP 誤差值為0.22%，誤差在合理的范圍內，驗證了模型的可靠性。另因為試驗狀態(tài)下影響因素較為復雜，因此試驗值波動更加劇烈。

圖7 空氣源熱泵性能系數(shù)驗證Fig.7 Verification of COP of air source heat pump

4 結果分析

基于前文建立的系統(tǒng)模型和負荷模擬結果，對2 種系統(tǒng)模型進行了供暖季的模擬分析，通過對比分析機組供暖季運行的能耗和COP 值等結果參數(shù)，對ASHP 和AGAASHP 系統(tǒng)模擬運行的優(yōu)缺點進行系統(tǒng)分析。

4.1 匹配設計分析

為充分發(fā)掘地熱輔助制熱的空氣源熱泵的優(yōu)點，在保證土壤熱平衡和供暖效果的前提下，針對不同土壤區(qū)域換熱器的埋管深度對熱泵系統(tǒng)的制熱效果進行分析，通過TRNSYS 數(shù)值模擬，設計出土壤區(qū)域換熱器的埋管深度與AGAASHP 系統(tǒng)匹配的優(yōu)化方案，在滿足土壤熱平衡的設計前提下，原工況埋管深度為60 m，土壤初始溫度為10.4 ℃，已知沈陽地區(qū)每延米地埋管需對應換熱器匹配面積0.029 m2［11-15］。

通過TRNSYS 模擬分析沈陽全年最冷月份（1月份）中埋管深度區(qū)間在50～60 m 下空氣源熱泵的制熱效果，即用滿足當月供暖保證小時數(shù)和運行10 年后土壤溫度變化分析評估當月供暖效果，供暖保證小時數(shù)越大，表明系統(tǒng)的可靠性和供暖的保障效果越好。土壤溫度降低幅度越小，保證土壤熱平衡的能力越強。

根據(jù)圖8 所示，確定區(qū)間內最佳的埋管深度為57 m，對應的風水換熱器面積為6.612 m2，當月供暖保證小時數(shù)為490 h，相較于埋管深度為60 m 時，供暖小時數(shù)增加了1 h，土壤溫度升高了0.013 ℃，埋管深度比例減少了5%。新方案選用57 m 的埋管深度在節(jié)省系統(tǒng)初投資和保障土壤熱平衡的基礎上，具有良好的供暖保障效果。

圖8 埋管深度優(yōu)化設計Fig.8 Buried pipe depth optimization design

4.2 ASHP 系統(tǒng)仿真分析

本文設定的熱泵系統(tǒng)的模擬運行時刻為0～8 760 h，以1 h 為時間步長進行為期1a 的逐時模擬。ASHP 熱泵機組根據(jù)前文的控制方式實現(xiàn)空氣源熱泵機組單獨運行，獨自承擔冬夏季的建筑供冷供熱需求，同時忽略熱泵間歇運行的數(shù)據(jù)。

如圖9 所示，冬季負荷側平均供水溫度為46.79 ℃，平均回水溫度為42.57 ℃，供回水溫度平均波動幅度為4.22 ℃，模擬所得負荷側供回水溫度變化基本合理。

圖9 ASHP 系統(tǒng)全年供回水溫度變化Fig.9 Annual change of supply and return water temperature of ASHP system

如圖10 所示，冬季平均制熱COP 為2.24。冬季COP 曲線變化為兩邊低中間高，是由于供暖中期室外氣溫過低，機組制熱COP 值下降。供暖季的最高制熱COP 值為3.41，最低值出現(xiàn)在1 月份為1.58，出現(xiàn)這種情況的原因為該月份達到了建筑熱負荷的峰值。

圖10 ASHP 系統(tǒng)全年性能系數(shù)變化Fig.10 Annual change of COP of ASHP system

4.3 AGAASHP 系統(tǒng)仿真分析

AGAASHP 系統(tǒng)此次模擬設定夏季運行和常規(guī)空氣源熱泵相同，故不對此情節(jié)進行分析。如圖11 所示，冬季負載側平均供水溫度為48.91 ℃，平均回水溫度為41.58 ℃，波動幅度為7.33 ℃。模擬所得負荷側和源側供回水溫度變化基本合理。

圖11 AGAASHP 系統(tǒng)全年供回水溫度變化Fig.11 Annual change of supply and return water temperature of AGAASHP system

如圖12 所示，AGAASHP 系統(tǒng)冬季平均制熱COP 為2.37，冬季制熱COP 值相對于ASHP 系統(tǒng)提高了5.8%。其中在供暖季最冷天的制熱COP 值由1.58 提高到了1.87，制熱COP 值提高了18.3%。土壤區(qū)域換熱器的輔助供熱聯(lián)合運行，使得制熱COP 波動幅度減小，使空氣源熱泵的運行趨于穩(wěn)定，有效地緩解了空氣源熱泵在不利工況下出現(xiàn)的制熱率不高、制熱效果不足的問題。

圖12 AGAASHP 系統(tǒng)全年性能系數(shù)變化Fig.12 Annual change of COP of AGAASHP system

4.4 供熱效果分析

通過TRNSYS 軟件模擬2 種熱泵系統(tǒng)運行1年的供熱量變化情況，對2 種熱泵系統(tǒng)空氣源熱泵供熱量進行分析，對比分析2 種系統(tǒng)中空氣源熱泵的供熱量，驗證了地熱輔助的空氣源熱泵系統(tǒng)的運行在提高熱泵系統(tǒng)供熱穩(wěn)定性、增強供熱效果等方面的優(yōu)勢。

2 種熱泵系統(tǒng)空氣源熱泵的供熱量變化情況如圖13 所示。

圖13 熱泵機組供熱量對比Fig.13 Comparison of heating load of heat pump unit

根據(jù)圖13 可知，在最冷運行工況的制熱量由20.8 kW/h 提高到了27.4 kW/h，制熱效果提高了31.7%。系統(tǒng)全年累計供熱量由121 673.15 kW提高到127 332.63 kW，制熱量相對提高了4.6%。AGAASHP 系統(tǒng)通過添加了土壤換熱模塊，使得熱泵在最冷工況的制熱量有了較大提高，同時降低了熱泵的啟停次數(shù)，供熱穩(wěn)定性有顯著提高。

4.5 能耗分析

由于空氣源熱泵機組和土壤源熱泵機組的制冷制熱能耗與機組負荷率、環(huán)境溫度、供回水溫度等多個因素有關，所以需要對兩種系統(tǒng)在動態(tài)模擬的基礎上獲得制熱總能耗，基于前文建立的TRNSYS 系統(tǒng)模型，對2 種系統(tǒng)進行供暖季（是否開啟補熱模式）的能耗模擬，模擬結果如圖14所示。

圖14 熱泵系統(tǒng)供暖季能耗分析Fig.14 Energy consumption analysis of heat pump system in heating season

從圖14 可以看出，補熱模式下AGAASHP 熱泵機組供暖季的耗電量為34 153 kW·h；無補熱模式下熱泵機組耗電量為34 273 kW·h。ASHP熱泵機組的耗電量為37 957 kW·h。根據(jù)以上結果可以說明熱泵機組的啟停次數(shù)明顯減少，且由于補熱模式運行下土壤溫度有一定的回升，強化了預熱效果，提高了空氣源熱泵機組的供熱穩(wěn)定性，增強了空氣源熱泵的制熱效果。供暖季AGAASHP（有補熱）模式下風機、水泵的耗電量相對于AGAASHP（無補熱）模式下分別增加了744.1，421 kW。

5 經濟性分析

根據(jù)上文的能耗模擬結果，針對空氣源熱泵和地熱輔助的空氣源熱泵的經濟性進行對比分析。針對系統(tǒng)經濟性分析的方法主要包括：費用年值法和投資償還年限法［16］，根據(jù)本文所描述的系統(tǒng)特點，選用費用年值法做經濟性評價。

動態(tài)費用年值的計算式為：

式中，AC為年計算費用，萬元/a；i 為年利率，取i=6%［16］；Ci為設備初投資，萬元；n 為設備使用壽命年限，a，熱泵系統(tǒng)取20 a［16］。

AGAASHP 系統(tǒng)初投資由設備購置費用Ceq、電力增容費Cz、豎直單U 形地埋管打井埋管費CD三部分組成。

式中，Php為額定單位制熱量對應的熱泵價格，元/kW，取2 500 元/kW；Nhp為熱泵額定制熱量，kW；Pb為動力設備價格，元。

式中，Pez為單位功率電力增容費，元/kW，沈陽地區(qū)取1 000 元/kW；Whp為熱泵機組額定輸入功率，kW。

式中，m 為豎直單U 形地埋管鉆孔數(shù)，個；H 為地埋管鉆孔深度，m；Pzk為單位深度鉆孔費，元/m，豎直式系統(tǒng)鉆孔費用一般為100 元/m［17-21］；Pgc為單位深度管材價格，元/m，地下埋管材料費用為50 元/m［17］。

AGAASHP 系統(tǒng)年運行費用Ck由系統(tǒng)運行能耗費Cyx、設備折舊費Czj、設備維修費Cwx三部分組成。

式中，Pc為電價，元/（kW·h），沈陽地區(qū)取0.399 元/（kW·h）；E 為采暖季熱泵機組耗電量，kW·h。

式中，j 為預計凈殘值率，取j=4%［16］。

通過計算，設備初投資Ci為10.96 萬元，年運行費用Ck為27.79 萬元。AAGASHP 系統(tǒng)的動態(tài)費用年值為38.75 萬元。同上，ASHP 系統(tǒng)的動態(tài)費用年值為40.04 萬元。

根據(jù)以上的經濟性計算分析，可知AAGASHP系統(tǒng)相比與ASHP 系統(tǒng)的年值費用提升了3.3%，有良好的經濟效益，更適用于節(jié)能節(jié)材的建造現(xiàn)狀。

6 結論

（1）地熱輔助的空氣源熱泵系統(tǒng)在沈陽地區(qū)的埋管深度優(yōu)化比例為5%，對應的風水換熱器面積為6.612 m2。

（2）ASHP 熱泵機組在供暖期間的COP 平均值為2.24，AGAASHP 熱泵機組在供暖期間COP平均值為2.37，地熱輔助的空氣源熱泵機組的COP 值要比單一空氣源熱泵機組COP 提高了5.8%。

（3）地熱輔助的空氣源熱泵機組（有、無補熱）和單空氣源熱泵機組在供暖期的耗電量分別為34 153，34 273，37 957 kW·h，供暖期間土壤區(qū)域換熱器作為輔助熱源預熱室外自然空氣，增強了空氣源熱泵機組的制熱效果，且因為換熱模塊的間歇運行，使得AGAASHP 熱泵機組的啟停次數(shù)減少，運行更加穩(wěn)定。

（4）土壤換熱器模塊的加入，使得空氣源熱泵機組在最不利運行工況下的制熱量提高了6.6 kW/h，制熱效果提高31.7%，土壤源作為輔助熱源通過風水換熱器對室外自然空氣預熱，有效地緩解了空氣源熱泵的結霜現(xiàn)象，降低了空氣源熱泵冬季除霜的頻率，節(jié)省了除霜能耗，同時解決了單獨依靠空氣能在最寒冷日熱量供給不足的問題。

（5）AAGAHP 系統(tǒng)相比于單一空氣源熱泵的動態(tài)費用年值節(jié)省了3.3%，經濟節(jié)能效益更優(yōu)。