空气-土壤源双热源复合热泵性能分析

张兵兵刘桂义魏建平王德敬刁乃仁

1山东建筑大学热能工程学院

2山东省地矿工程集团有限公司

土壤源热泵作为一种清洁节能的空调技术方式，在国内外得到广泛应用和推广。但是北方地区土壤源热泵在运行过程中存在取热量和排热量不均的问题，造成土壤热不平衡，运行一段时间后将导致土壤源热泵系统性能严重衰减甚至无法运行。针对这一问题，目前有两种解决方案：1）增加土壤源换热器的钻孔、深度和间距，该方法通过增大土壤蓄热体积，可一定程度缓解热不平衡，但由于未改变系统与土壤的换热量，并不能从本质上解决这一问题。同时，随着埋管间距、深度和数量的增加，施工难度和占地面积增大，系统初投资也将随之增大[1]。2）增设太阳能集热器、锅炉等辅助补热设备。但是太阳能集热器存在初投资较高且受环境影响较大的问题，而锅炉存在效率低下和环境污染的问题。为此可以通过系统室外侧的复合换热器将单一的空气源热泵和土壤源热泵融合在一起，通过温度控制空气-土壤源双热源复合换热器来实现土壤源热泵与空气源热泵的分阶段运行，能够减少土壤源热泵的取热量，从而在一定程度上解决北方地区土壤热不平衡的问题，使地源热泵系统能够稳定高效的长期运行，实现经济可靠，节能环保的目标。

1 空气-土壤源双热源热泵的系统组成及工作原理

空气-土壤源双热源热泵是利用室外空气与土壤源作为低品位热源的复合热源热泵系统，属于空气源与土壤源综合利用的形式，空气-土壤源双热源复合热泵系统是在传统单一土壤源热泵系统的基础上，用空气-土壤源双热源复合式换热器替代传统土壤源热泵系统中的换热器。图1所示为复合热泵系统的原理图，该系统由空气换热器，地埋管换热器，热泵机组，分水器，集水器，水泵，连接管路及附属设备等组成。该复合热泵系统与常规的土壤源热泵不同，它可以在复合换热器中实现制冷剂与空气和水两种不同状态热源的交替换热，通过温度对双热源复合换热器的控制使热泵系统可以交替使用空气和土壤源两种可再生能源，根据室外空气温度的变化情况及用户的实际需求和当地的地热资源状况，可以实现两种不同的工作模式：单一的空气热源模式、单一的土壤源模式，通过两种模式的切换可以保证系统在整个运行期内的高效运行。

图1 空气-土壤源双热源复合热泵原理图

2 空气-土壤源复合式换热器的结构

空气-土壤源双热源复合热泵系统是在传统土壤源热泵换热器基础上增加空气源换热器，从而组成空气-土壤源双热源复合式换热器，该复合换热器通过套管式换热器和翅片可以实现对空气源和土壤源这两种可再生能源的综合利用，从而提高热泵系统的运行效率及稳定性[2]。空气源-土壤源双热源复合式换热器的结构如图2所示，由图2可知，该复合换热器由外管、内管和翅片组成。如图2所示内管中为液态热源通道即地埋管出水流道；外管外侧的翅片间隙为空气热源通道；内管与外管之间的环形通道则为制冷剂通道。这样就通过套管式换热器和翅片在复合换热器内部形成三个流体通道，分别为制冷剂侧通道、水侧通道和空气侧通道。该复合式换热器可以根据用户的实际需要和室外的环境状况通过控制复合换热器水侧的阀门和空气侧风机的开与关来实现不同的热泵运行模式。

图2 复合式换热器结构示意图

3 空气-土壤源双热源热泵分析

3.1 空气-土壤源双热源热泵最佳复合温度

空气源热泵是以室外空气为一个热源，在供热工况下将室外空气作为低温热源，从室外空气中吸收热量，经热泵提高温度后送入室内供暖，其特点是系统简单，初投资较低，缺点是在寒冷地区供热工况下其蒸发器会出现结霜问题，使蒸发器热阻增大，与空气换热量减小，热泵效率大大降低。土壤源热泵系统是利用200 m以内的浅层地壳中储存的热能资源对建筑进行供热与空调，具有良好的节能和环境效益[3]。空气-土壤源双热源复合热泵主要目的是通过温度控制空气源热泵和土壤源热泵的间歇运行来实现缓解土壤的热不平衡，所以空气源-土壤源双热源热泵的最佳复合温度应综合考虑土壤的热不平衡及空气源热泵的运行特性。即在保证土壤的热不平衡的条件下又要实现整个系统的高效运行，从而达到减少从土壤中的取热量，实现土壤的取热量与排热量平衡，达到长期高效运行的目的。

由济南市典型年最冷月分布（图3）可知：济南地区在典型年的最冷月出现在一月份，其中最冷月中的最低温度出现在1月18日，日最低温度为-11.5 ℃。

图3 济南典型气象年最冷月温度分布图

研究地点位于山东省济南市，由DeST软件获取了济南市典型气象年的逐时室外温度，统计出供暖季逐时室外温度，并且通过DeST软件计算出济南市一栋供暖面积为183 m2的小别墅供暖季（时间取11月15日-次年3月15日，共121天）的逐时热负荷和逐时冷负荷，计算结果及供暖季逐时室外温度，供暖季逐时热负荷分布情况如表1～2及图4～6所示：

表1 建筑负荷统计

图4 供暖季室外温度逐时变化图

图5 供暖季逐时热负荷变化图

图6 供暖季逐时温度分布时间统计图

表2 不同室外温度下的累计负荷统计表

由表1可知累计热负荷为10746.31 kWh，累计冷负荷为5200.93 kWh，所以计算可得单一土壤源热泵从土壤中的吸热量为8450.09 kWh，放热量为6291.27 kWh，计算出土壤的热不平衡率为25.5%，土壤源热泵的吸热量比排热量多2158.52 kWh=7.77 GJ，从土壤中吸收7.77 GJ热量可以向室内提供9.88 GJ的热量。所以要保持土壤的热平衡，应由空气源热泵向室内至少提供9.88 GJ的热量。由于空气源热泵的COP和制热量随温度的升高而增大。由表2不同室外温度下的累计负荷统计表可知当室外空气温度大于3℃时，其室内累计负荷为2865.38 kWh=10.32 GJ，此时土壤的热不平衡率为1.5%，基本可以满足土壤的热平衡。所以可以将空气源热泵开启的温度设定为3 ℃，此时空气源热泵可以向室内提供约10.32 GJ的热量，可以满足室内供热的需求并且能够缓解土壤的热不平衡。所以最终确定济南地区空气-土壤源热泵的最佳复合温度为3 ℃。所以济南地区空气-土壤源双热源复合热泵的运行策略为当空气温度低于3℃时，运行土壤源热泵。当空气温度高于3 ℃时，运行空气源热泵。通过温度控制空气源热泵和土壤源热泵的间歇运行，不但能够满足室内负荷变化的要求而且能够保证空气源热泵蒸发器不结霜，能够减少从土壤源的吸热量，缓解土壤的热不平衡，实现整个复合系统高效长期运行。

3.2 空气-土壤源双热源复合热泵运行分析

通过建立空气源热泵各部分的数学模型，用MATLAB仿真模拟空气源热泵在-14～10 ℃下COP和产热量，模拟时室外空气温度-14～10 ℃，机组进出水温度为40 ℃和45℃下运行。蒸发温度通常比室外温度低8～10 ℃，冷凝温度通常比进水平均温度高4～6 ℃。模拟结果如图7所示。

图7 空气源热泵COP随室外温度变化图

由前文分析得到了空气-土壤源双热源复合热泵的最佳复合温度为3℃，所以该复合系统的运行策略为当温度t＜3 ℃时土壤源热泵运行，当t≥3 ℃时空气源热泵运行。所以根据由DeST导出的济南市典型气象年供暖季逐时室外干球温度，将供暖季逐时室外干球温度进行统计，可以确定出空气源热泵和土壤源热泵的运行时间，即温度t＜3 ℃时的室外逐时统计干球温度小时数为土壤源热泵运行时间，温度t≥3 ℃时的室外逐时干球温度统计小时数为空气源热泵在供暖季的运行时间。统计结果如图8：

图8 热泵的运行时间统计图

根据图8热泵的运行时间统计图可知，土壤源热泵在整个供暖季运行时间为1458 h，空气源热泵运行时间为1404 h（由于当室外温度高于18 ℃时，室内热负荷为零，故室外高于18℃时不属于热泵运行时间）。根据土壤源热泵和空气源热泵在不同温度下的运行时间（图9），能够分别得到二者在供暖季内所占时间的权重，进而可以计算出空气-土壤源双热源复合热泵系统的能效比，计算公式如下[4]：

图9 空气源热泵的运行时间统计图

通过式（1）～（2）最终计算出空气-土壤源双热源复合热泵在济南地区使用的复合能效比为3.77。

4 结论

通过分析空气源热泵和土壤源热泵的运行特点，介绍了一种空气-土壤源双热源复合热泵系统，并且以济南市某别墅为例，通过DeST软件计算其供暖季和供冷季逐时负荷，统计出该建筑的累计冷负荷和累计热负荷，并最终确定了土壤源热泵系统从土壤中的吸热量和放热量，以土壤热平衡为基准统计计算得到了济南地区空气-土壤源的最佳复合温度为3 ℃，并通过统计济南市典型气象年的室外逐时温度分布最终确定了单一空气源热泵和单一土壤源热泵的的运行时间，并且通过二者的运行时间，最终计算出空气-土壤源双热源复合热泵系统在济南地区使用的COP为3.77。由此可见双热源热泵比单一土壤源热泵系统运行更加稳定且COP值更高，而且能够避免土壤热不平衡现象，更具有可靠性。空气-土壤源双热源复合热泵，通过室外空气温度的变化来实现空气源和地源热泵的间歇运行，克服了单一空气源热泵在温度较低结霜时效率较低的问题以及单一地源热泵用水量大的问题，提高了热泵的运行性能，实现热泵机组在整个供暖季实现高效的运行，达到节能环保的目的。由于研究分析的建筑是济南市某别墅，所以是否能够应用于其他类型建筑还有待进一步研究。