空气源热泵辅助吸收式地源热泵系统的适用性分析

韩宗伟，王一茹，阿不来提·依米提，张艳红，杨军，孟欣

(1-东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳 110819；2-新疆太阳能科技开发公司，新疆乌鲁木齐 830011)

空气源热泵辅助吸收式地源热泵系统的适用性分析

韩宗伟*1，王一茹1，阿不来提·依米提2，张艳红2，杨军1，孟欣1

(1-东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳 110819；2-新疆太阳能科技开发公司，新疆乌鲁木齐 830011)

针对严寒地区集中供热系统能源利用效率低的问题，结合该地区应用地源热泵系统存在土壤吸/排热不平衡的问题，本文提出将一次网的高温蒸汽（热水）作为吸收式热泵发生器热源的地源热泵系统，利用空气源热泵保障地下换热系统热平衡。介绍了复合系统的运行模式，确定了系统的运行控制策略，选取哈尔滨地区某办公建筑对系统的全年运行性能进行分析。通过计算，系统平均综合性能系数为2.1，相比传统的供暖空调方式节能33.1%。该系统全年运行土壤取/排热不平衡率为3.8%，可以保证土壤温度场以年为周期的热平衡；系统可以长期稳定运行。

严寒地区；吸收式热泵；土壤热平衡；模拟分析；性能系数

0 引言

我国严寒地区幅员辽阔、供暖期长，供暖能耗巨大。目前这些地区仍是以燃烧化石燃料的集中供暖方式为主，无论是区域锅炉房还是热电联产，利用热源热水出口温度均较高，通常经换热站换热得到适合于用户末端较低温度的热水，能源利用效率低。近些年来，地源热泵技术在严寒地区也开始有大量的应用，但是由于建筑冷热负荷差异较大，使得现有的蒸气压缩式地源热泵系统运行性能逐年降低，目前研究采取的措施主要有利用锅炉辅助供暖[1-2]、太阳能季节性土壤蓄热[3-5]，空气热能季节性蓄热[6-8]等方式确保地源热泵系统的长期运行可靠性。考虑到吸收式地源热泵系统的运行性能系数较蒸气压缩式地源热泵系统性能系数低，即在供热量相同的条件下，可以减少土壤取热量，因此，采用吸收式地源热泵系统可以改善地源热泵系统全年运行的取/排热的不平衡问题[9-10]。

为了避免地埋管换热器出水温度过低导致吸收式热泵难以运行，同时利用供暖初期和末期时空气源热泵制热进一步降低土壤取热量，确保土壤的热平衡，采用空气源热泵辅助吸收式热泵进行供暖空调，为了考察该系统的可行性，本文对该系统的运行性能进行模拟计算分析，考察其在严寒地区应用的可行性。

1 系统组成及运行模式介绍

图1为空气源热泵辅助的吸收式地源热泵系统原理图。如图所示，该系统主要包括高温热源产生装置（锅炉、一次热网等）、吸收式热泵机组、地埋管换热器、空气源热泵机组、循环泵及其它管路附件组成。系统以传统供暖热源产生的高温蒸汽或热水为发生器热源，驱动吸收式热泵系统从土壤中吸取部分低温热制取适用于供暖末端的低温热水。空气源热泵机组具有供暖工况、补热工况及分离式热管蓄热工况，该机组在供暖初期和末期可以运行空气源热泵供暖模式，充分发挥其在供暖初、末期制热性能较好的优点，减少吸收式地源热泵系统从土壤中的取热量。此外该机组还用于供暖期中期对吸收式热泵机组的补热，避免土壤换热器出水温度过低、吸收式热泵无法运行的问题。

在严寒地区的气候条件下，在全年不同阶段该系统可以运行以下8种模式。

模式1：吸收式地源热泵供暖模式；

模式2：空气源热泵运行补热工况辅助吸收式地源热泵系统供暖模式；

模式3：空气源热泵运行供暖工况与吸收式地源热泵系统并联供暖模式；

模式4：空气源热泵运行供暖工况，单独供暖模式；

模式5：传统热源辅助供热模式；

模式6：空气源热泵机组运行热管工况进行土壤蓄热模式；

模式7：土壤换热器直接取冷空调模式；

模式8：吸收式地源热泵供冷模式。

图1 吸收式地源-空气源热泵系统图

2 运行控制策略

2.1 供暖模式控制策略

系统在供暖期有5种供暖模式，分别是模式1、模式2、模式3、模式4和模式5，这些模式分别和同时利用了空气热能、浅层土壤热能及由燃烧化石能源产生的高温热源。复合系统在运行方式要充分考虑各种热源的特性，考虑空气热源虽来源广，无换热累积效应，热源参数逐时变化的特点，在供暖期当环境空气温度较高时，优先利用环境空气热源，即运行空气源热泵供暖模式（模式4）。由于空气源热泵在该系统中只是辅助作用，容量相对较小，若出现空气源热泵性能较好，但制热量难以满足供暖需求时，若此时地埋管换热器出水温度可满足吸收式热泵系统的运行要求，系统运行吸收式地源热泵和空气源热泵联合供暖模式（模式3）；当环境温度较低，空气源热泵运行供暖工况性能较差时，若埋管换热器出水温度可以满足吸收式热泵的运行要求，系统运行模式1。若埋管换热器出水温度较低，不能满足吸收式热泵系统的运行要求，空气源热泵运行补热工况，对埋管换热器的出水加热，系统运行模式2。当系统出现故障或出现极端天气，吸收热泵系统难以保证供暖时运行模式5，切换成换热模式进行供暖。

2.2 空调模式控制策略

系统在空调期有模式7和模式8两种供冷模式。由于供暖结束后，埋管换热器周围土壤温度较低，加之严寒地区夏季冷负荷相对较小，除湿要求低，在供冷期可优先利用土壤换热器直接取冷空调（即模式7）。当模式7难以满足供冷需求时，采取吸收式地源热泵供冷模式（模式8）。

2.3 非供暖期蓄热模式控制策略

在非供暖期，空气源热泵运行热管工况对土壤蓄热（模式6）。该模式可在环境空气温度与埋管换热器出水温度的温差满足一定条件时开始运行，当二者温差不满足条件时蓄热模式停止运行。该蓄热模式可将环境空气热能蓄存至土壤中，以通过蓄热缓解土壤热平衡问题，提高换热器周围土壤平均温度，提高系统全年的运行性能。

3 系统运行性能分析

为考察该系统全年运行性能，以哈尔滨地区某5760 m2的办公建筑为对象，利用建筑能耗模拟软件DeST计算该建筑在全年内供暖空调负荷进行分析。图2为建筑负荷全年变化，该地区冬季最大热负荷为1119.7 kW，累计热负荷为4342 GJ。夏季最大冷负荷为-711.98 kW，累计冷负荷为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），冬季供暖运行时间约为夏季供冷时间的1.6倍，全年累计热负荷约为冷负荷的5.8倍，建筑所需供热量远大于供冷量。

吸收式地源热泵机组容量的选择依据最不利工况即最大热负荷1119.7 kW，地埋管总数为120个，埋深80 m，埋管间距为5 m。空气源热泵机组容量通过模拟程序试算得出，保证地源热泵系统取、排热平衡的合理空气源热泵机组的容量为160 kW。

图3为系统全年运行模式的变化情况，可以看出系统在供暖的初期和末期优先运行模式4进行供暖，这是由于此时的环境空气温度较高，空气源热泵系统运较稳定，可单独运行。随着空气温度降低、供暖热负荷增加，而由于哈尔滨地区土壤平均温度较低（约为5℃），埋管换热器从土壤中的出水温度无法满足吸收式热泵系统的运行要求，因此模式1和模式3无法实现，系统以模式4和模式2交替运行的方式进行供暖。在非供暖期，蓄热模式6为主要的运行模式，运行时间较长。在空调期，系统优先运行模式7进行供冷，随着环境温度的升高、冷负荷的增加，系统采取模式7与模式8交替运行的方式进行供冷。

图2 建筑全年负荷变化

图3 系统全年运行模式变化情况

表1为吸收式地源热泵系统在全年内运行的总体结果。在整个供暖期内，模式2为主要运行模式，供热量为4265.5 GJ，占总供热量的98.2%。非供暖期模式6的蓄热量为822.4 GJ，占全年土壤得热量的49.3%。空调期供冷模式在土壤换热器出水温度满足模式7要求时，优先运行模式7。由于非供暖期蓄热模式的运行使土壤温度升高，降低了模式7的取冷量，供冷期主要运行地源热泵（模式8）进行供冷，模式8全年供冷量为616 GJ，占总冷负荷的82%。

表1 系统全年运行总体模拟结果

图4为系统全年运行土壤取热量和排热量的比较示意图。从图中可以看出，系统在供暖期运行时，从土壤中的取热量远大于空调期向土壤的排热量，而非供暖期系统蓄热量与空调期的排热量总和约与取热量持平，这样系统全年运行对土壤温度场的影响较小，可以保证土壤以年为周期的热平衡。土壤热不平衡率用来表示土壤内部热量的平衡状况，定义为：土壤热不平衡率=（土壤总排热量-土壤总取热量）/土壤总取热量。当土壤热不平衡率为正值，表示取热量大于排热量，反之则排热量大于取热量。土壤热不平衡率的绝对值越小，其内部热量平衡性越好，土壤温度场越稳定。计算可知，该建筑若采用单一电驱动地源热泵系统，在运行全年后，土壤热不平衡率约为-52.5%，而空气源热泵辅助的吸收式地源热泵系统由于在非供暖期向土壤中蓄存的热量较大（约占总取热量的二分之一），有效弥补了供暖期土壤中的热亏损，使得系统全年运行对土壤温度场影响较小，不平衡率仅为3.8%，排热量略大于取热量，系统全年运行过程中土壤的取、排热量基本平衡。

图4 系统全年运行模式变化情况

由于空气源热泵辅助的吸收式地源热泵系统，同时消耗了热能和电能两种能源，为了比较系统节能效果，将电能按照发电效率折算成一次能耗的方式计算系统运行能效，即：系统的运行性能系数=（总供热量+总供冷量）/（一次能源耗热量+耗电量统一转化的一次能源耗热量）。经过计算，单一地源热泵系统供暖平均COP为2.6，供冷平均COP为7.9，折合一次能耗的平均运行能效比约为1.56；吸收式地源热泵系统的平均运行能效比约为2.1，较单一地源热泵系统节能33.1%，一次能源利用率较高，系统逐年的运行性能较为稳定，较适用于严寒地区的使用。

4 结论

本文针对严寒地区集中供暖能源利用效率低和地源热泵存在的土壤热平衡问题，在现有严寒地区吸收式热泵供暖研究基础上，介绍了空气源热泵辅助的吸收式地源热泵系统，介绍了系统的运行原理及运行模式，并以哈尔滨地区某建筑为对象对系统全年的运行性能进行计算分析。通过分析可知，系统全年运行性能较好，平均综合性能系数为2.1，相比传统的地源热泵系统节能33.1%。该系统全年运行土壤取/排热不平衡率为3.8%，可以保证土壤温度场以年为周期的热平衡，系统可以长期稳定运行。该系统是严寒地区供暖可行的技术手段。

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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

*韩宗伟(1980-)，男，副教授，工学博士。研究方向：制冷空调、可再生能源利用。联系地址：沈阳市和平区文化路3号巷11号，邮编：110819。联系电话：024-83686994。E-mail：hanzw@smm.neu.edu.cn。

辽宁省教育厅科学研究一般项目（L2013100），新疆维吾尔自治区科技支疆项目（No.2013911043）

本论文选自2013中国制冷学会学术年会论文。