农村户用分体式地源热泵系统运行性能模拟与分析

2019-09-10白云鹏王华军王国良赵海朝

河北工业大学学报 2019年6期

白云鹏王华军王国良赵海朝

摘要以石家莊农村地区典型的户用分体式地源热泵系统为对象，进行了全年运行性能模拟与分析。结果表明，分体式地源热泵能够满足农村地区住户的冬季采暖与夏季供冷需求，运行较为稳定，COP较高，不存在冬季除霜问题。当冬、夏季室温分别设置为16～18 ℃和26～27 ℃条件下，分体式地源热泵系统的耗电量分别为37.4～47.1 kWh/m2和15.7～19.3 kWh/m2，单位面积电费分别为11.2～14.1 元/m2和8.6～10.6 元/m2，具有较好的节能性和经济性。由于农村住户的冬季采暖需求明显高于夏季供冷需求，分体式地源热泵系统长期运行过程中可能会出现地温逐年下降的趋势，必要时需采取一定的运行调控措施。适当改善建筑围护结构性能，有助于降低建筑冷热负荷，进一步提高系统的运行经济性。

关键词分体式地源热泵;运行性能;TRNSYS模拟;能耗

中图分类号 TU83 文献标志码 A

Simulation and analysis of separated household ground source heat pump system for rural buildings

BAI Yunpeng1， WANG Huajun1， WANG Guoliang2， ZHAO Haichao2

（1. School of Energy and Environment Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China; 2. Hebei Bernard Energy Science and Technology Co Ltd， Shijiazhuang， Hebei 052260， China）

Abstract Taking a typical separated household ground source heat pump system （SH-GHSP） in rural areas of Shijiazhuang as an example， the annual operation performance has been simulated and analyzed. Results show that SH-GHSP can satisfy the requirements of rural buildings for heating in winter and cooling in summer with high stability and high COP and without defrosting problem. When the indoor air temperature is set 16-18 ℃ in winter and 26-27 ℃ in summer， the electricity consumptions range from 37.4 to 47.1 kWh/m2 and 15.7 to 19.3 kWh/m2， and the costs of electricity range from 11.2 to 14.1 yuan/m2 and 8.6 to 10.6 yuan/m2， which has a promising energy saving potential and economic benefits. With a large requirement of rural buildings for space heating in winter than cooling in summer， there may show a decaying tendency of the ground temperature during the long-term operation of SH-GHSP. If necessary， appropriate operational control measures should be considered. If the envelope of rural buildings is improved properly， the heating and cooling load of buildings and the operation cost of SH-GHSP might be further reduced.

Key words separated ground source heat pump; operation performance; TRNSYS simulation; energy consumption

0 引言

长期以来，我国北方村镇地区多数家庭冬季采暖以燃烧原煤和蜂窝煤为主，辅之以柴薪，这种取暖方式的能源利用率很低，且污染物排放对空气质量影响较大，是导致区域雾霾污染的主要原因之一。推进北方地区清洁供暖，加快提高清洁供暖比重，不仅关系到群众温暖过冬与雾霾天能不能减少，而且成为农村生活方式革命的重要内容[1]。

近年来，浅层地热能作为主要的可再生能源形式，借助高效热泵技术满足城镇地区建筑空调和采暖需求，取得了显著的节能减排效益。截至2017年，全国浅层地热能建筑应用面积已超过3.6亿m2 [2]。2017年12月，国家发改委、环保部等五部委联合发布了《关于加快浅层地热能开发利用促进北方采暖地区燃煤减量替代的通知》，鼓励坚持“因地制宜、安全稳定、环境友好、市场主导与政府推动相结合”的基本原则，加快推进浅层地热能开发利用，推进北方采暖地区居民供热燃煤减量替代，提高区域供热（冷）能源利用效率和清洁化水平，改善空气环境质量。

分体式地源热泵（图1）是最近出现的针对当前农村煤改电市场的一项新技术产品。与普通地源热泵不同的是，户用分体式地源热泵将涡旋压缩机、蒸发器、膨胀阀、循环水泵等部件置于室外机，安装固定在建筑外墙上，而将冷凝器设置于室内机，安装固定在建筑物内墙上。冬季运行时，制冷剂与室外地埋管中的水（或乙二醇溶液）在室外机的蒸发器中进行换热，室内部分采用直膨式系统，冷凝器制热与室内空气换热后通过贯流式风机送出热风。2017年10月，在石家庄市政府支持下，晋州安家庄村完成了河北省首例基于分体式地源热泵系统的农村分散式清洁供暖示范试点项目，全村共计安装424户。其中，每户布置3口100 m深单U形地埋管，管内工质为乙二醇防冻液，3个房间各安装1套分体式地源热泵机组（图2）。整个冬季采暖期间运行正常，室内温度可达到18～20 ℃，受到农村住户的一致好评。基于上述背景，本文拟以该试点项目中的典型农村住户为对象，进一步通过TRNSYS软件开展分体式地源热泵系统全年运行性能的模拟计算与分析评价，旨在为系统优化设计、节能运行以及管理部门决策提供一定的参考依据。

1 仿真模型

1.1 研究对象

基于上述示范试点项目，选取典型农村住户的居住建筑面积为90 m2，独户有宅院布局形式，其中包括2间卧室以及1间客厅，东西向一字型排列，客厅位于中间，卧室位于两侧，层高均为3.5 m。该建筑屬于非节能建筑，外墙、地面和屋顶均无保温措施，其中外墙为370 mm厚实心砖墙，门窗为塑钢材质+双层普通玻璃，密封性能一般，冷风渗透感较强。每个房间均设置1台室内机和1台室外机。室外机内置循环水泵，流量为1 m3/h。机组额定制热量和制冷量分别为3.95 kW和3.75 kW，平均输入功率为1.15 kW（包含水泵和室内风机）。室外设置3口100 m深换热孔，并安装单U形地埋管换热器（HDPE，DN32型），钻孔孔径和间距分别为150 mm和4.5 m，原状土回填;地埋管换热器之间采用并联同程连接。浅层土壤类型以粉质黏土、粉土和粉砂为主，平均热导率为1.65 W/（m·K），体积比热为2.68 MJ/（m3·K），热扩散系数为0.62 mm2/s，初始地温为15 ℃。现场单孔换热试验表明，当排热温度和取热温度分别为32 ℃和5 ℃时，地埋管的稳定排热和取热能力分别为48 W/m和28 W/m。

热泵系统冬、夏季运行期分别设置如下：11月15日—次年3月15日和5月15日—9月15日。考虑到北方农村地区多数住户的起居及生活习惯与城市存在较大差异，对采暖温度要求不尽相同，其中冬季采暖需求明显高于夏季供冷需求，夏季空调开启率较低。为研究方便，选取了以下4种室温设置及运行方案：I）冬季16 ℃，夏季27 ℃;II）冬季16 ℃，夏季不运行;III）冬季18 ℃、夏季26 ℃;IV）冬季18 ℃，夏季不运行。其中，I和II室温设置参考《农村小型地源热泵供暖供冷工程技术规范》（CECS313：2012），III和IV室温设置参考《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736—2012）。实际上，根据住建部2009年颁布的《严寒和寒冷地区农村住宅节能技术导则（试行）》，农村住房主要房间冬季采暖室内设计计算温度为14～18 ℃，更为宽泛一些。调研表明，石家庄晋州地区农村住户普遍都能够接受不低于15～16 ℃的室内采暖温度。

1.2 TRNSYS建模

图3给出了上述典型农村住户分体式地源热泵空调系统的TRNSYS仿真模型。其中，采用石家庄站的典型年气象数据，由模块Type15-3导入到模型中。该地区属暖温带大陆性季风气候，四季分明，气温随季节性变化十分明显，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温为13.6 ℃，最冷月（1月）和最热月（7月）平均气温分别为-1.6 ℃和27.8 ℃（图4）。热泵机组采用模块Type505a，地埋管换热器采用模块Type557a，建筑房间采用模块Type88，房间温度控制及热泵启停信号采用模块Type108，模拟机组的智能化控制运行策略。TRNSYS中的地埋管换热器是DST（Duct Storage Systems）模型，其传热过程主要包括：管道内流体和埋管的换热、局部的土壤换热器的交互作用、蓄热体积与周围土壤的全局过程。流体与埋管间换热通过解析方法计算，局部与全局过程通过有限差分法计算。

2 结果与讨论

2.1 典型日系统运行性能分析

图5 a）以1#机组为例，给出了冬季采暖期典型日（12月15日）的运行参数变化情况，其中室温设置为16 ℃。可以看出，全天室外最低气温为-6.3 ℃（凌晨5：00），最高气温为1.4 ℃（下午14：00），室内温度在15.1～16.9 ℃波动，机组共计启动7次，累计运行时间为11 h，主要集中在室外温度较低的夜晚和早上。运行期间，地埋管换热器平均进、出水温度分别为6.8 ℃和8.9 ℃，温差2.1 ℃。进一步统计表明，机组全天累计地下取热量为29.5 kWh，耗电量为12.7 kWh，供热量为42.2 kWh， COP为3.32。室内平均供热负荷为127.8 W/m2，地源侧的平均换热量为26.8 W/m，与换热试验获得地埋管取热能力基本一致。

图5 b）以1#机组为例，给出了夏季供冷期典型日（7月25日）的运行参数变化情况，其中室温设置为27 ℃。可以看出，全天室外最高气温为33.4 ℃（下午14：00），最低气温为24.7 ℃（凌晨4：00），室内温度在26.2～28.0 ℃波动，机组共计启动5次，累计运行时间为7 h，主要集中在正午前后一段时间。运行期间，地埋管换热器平均进、出水温度分别为28.9 ℃和24.8 ℃，温差4.1 ℃。进一步统计表明，机组全天累计地下排热量为36.9 kWh，耗电量为8.5 kWh，供冷量为28.4 kWh，平均COP为3.34。室内平均供冷负荷为135.2 W/m2，地源侧的平均换热量为52.7 W/m，略高于换热试验获得地埋管排热能力。

综上表明，分体式地源热泵能够较好地满足农村地区住户的冬季采暖与夏季供冷需求，操作上和普通家用空调相似，系统运行较为稳定，且机组能够根据室内温度反馈实现自动启停，有利于运行节能。此外，与传统空气源热泵相比，分体式地源热泵系统不存在除霜问题，也不会因为出现超低温天气而导致机组无法启动的现象，具有一定的技术优势。

2.2 系统全年运行性能分析

图6以方案I为例，给出分体式地源热泵系统全年的运行情况。可以看出，系统整体上运行比较稳定，采暖季的地埋管平均进、出水温度分别为7.1 ℃ 和9.0 ℃，最低进、出水温度分别为3.9 ℃ 和6.3 ℃（1月18日）;供冷季的地埋管平均进、出水温度分别为28.3 ℃ 和24.2 ℃，最高进、出水温度分别为31.1 ℃ 和26.8 ℃（8月19日）。根据《地源热泵系统工程技术规范》（GB 50366—2009），夏季运行期间，地埋管换热器出口最高温度宜低于33 ℃，而冬季运行期间，不添加防冻剂的地埋管换热器进口最低温度宜高于4 ℃。比较可知，目前的分体式地源热泵系统设计较为合理，地埋管换热器基本处于合适的运行温度范围。

根据逐月能耗统计数据，热泵系统冬季累计运行时间为990 h（或8.3 h/d），从地下累计取热量为7 805.5 kWh，夏季累计运行时间为389 h（或3.24 h/d），向地下累计排热量为5 926.3 kWh，全年累计耗电量为4 778.5 kWh，其中采暖季累计耗电量为3 365.2 kWh（或37.4 kWh/m2），供冷季累计耗电量为1 413.3 kWh（或15.7 kWh/m2），冬、夏季系統运行平均COP分别为3.32和3.19。采暖季和供冷季的日平均耗热量和耗冷量分别为1.03 kWh/m2和0.42 kWh/m2，地源侧的平均取热量和排热量分别为26.3 W/m和50.8 W/m。

对于常规地源热泵系统，在最冷月和最热月运行时，随着地温逐步降低或升高，传热温差变小，地源侧换热容易出现较大幅度衰减现象，影响系统运行能效。本文模拟结果表明，最冷月（1月）累计运行时间为335 h（或10.8 h/d），从地下累计取热量为2 589.7 kWh，耗电量为1 123.5 kWh，平均COP为3.30，日平均耗热量为1.33 kWh/m2，地源侧的平均取热量为25.8 W/m;最热月（7月）累计运行时间为130 h（或4.2 h/d），向地下累计排热量为1 906.6 kWh，耗电量为450.1 kWh，平均COP为3.23，日平均耗冷量为0.52 kWh/m2，地源侧的平均排热量为48.9 W/m。可以看出，当前系统在最冷月或最热月运行时，地源侧的取热量或排热量较平均值分别降低了2.1 %和3.8 %，衰减幅度相对较小，换热状态比较稳定。

按目前石家庄地区农村煤改电的优惠电价政策（采暖期0.3 元/kWh，其他0.55 元/kWh），采暖季和供冷季的总电费分别为1 009.6 元和777.3 元，分别折合11.2 元/m2和8.6 元/m2。对于农村住户而言，上述运行费用是完全可以接受的。根据实际调研，晋州地区农村住户的冬季采暖烧煤量平均在2～3 t/户，燃煤质量不同价格也有所差异（约500～600 元/t），因此直接燃料成本为1 000～1 800元/户。相比之下，从运行费用角度，分体式地源热泵系统和直接燃煤方式大致相当甚至略显优势，但从操作便捷性、安全性、采暖质量以及节能环保等角度，分体式地源热泵系统具有绝对优势，这也是国家大力推进北方农村地区清洁供暖的初衷与根本目的。

需要特别指出的是，为了分析方便，上述热泵系统运行数据是在连续满足设定的室温参数条件下获得的，其运行电费可以看作是当前工作模式下的上限值。调研表明，农村住户出于自身的用能习惯，往往会在特定时间和特定房间去选择性开启室内机，而全天候不间断运行的时间屈指可数。因此，实际的运行电费往往会偏低一些。例如，安家庄试点项目中住户采暖费用多数在9～10 元/m2。这进一步表明，分体式地源热泵系统用于农村地区住户分散式采暖和供冷系统是完全可行的，具有较好的节能性和经济性。

客观而言，与城镇住宅建筑相比，目前农户采暖季的单位面积平均耗热量处于偏高水平（124.1 kWh/m2），这与其建筑围护结构性能较差有直接关系。建筑无保温措施、外墙和门窗传热系数大、密封性能差是华北地区农村住宅的主要特点，也是导致其采暖空调能耗较高的主要原因之一[3]。参考城市既有建筑改造的实际节能效果，农村住宅若能够进行适当的围护结构改造，可以很大程度上降低建筑冷热负荷，最终有助于进一步提高分体式地源热泵系统的运行经济性。可以预见，随着农村生活水平提高和日益推进的新农村建设步伐，北方农村住宅的建筑节能水平有望逐步得到改善，这将为各类热泵采暖空调技术的进一步推广应用奠定良好的基础条件。

空气源热泵也是当前北方农村地区清洁供暖的主推技术之一。根据李爱松等[4]在北京农村地区的测试结果，53 %的系统COP大于2.0，80 %的系统COP大于1.8，其中在维持16～18℃室温时，最大日耗热量在0.8～1.3 kWh/m2。张帅等[5]在北京地区测试结果表明，空气源热泵系统平均COP约为2.8，单位面积取暖费用為13.3元/m2。周海舰等[6]测试结果表明，空气源热泵系统在北京农村的单位面积采暖费用为18.2～21.7元/m2。根据马荣江等[7]在北京农村的测试结果，保温农宅单位面积采暖电耗为23～33 kWh/m2，电费在9～12 元/m2，其中平段电0.488 3 元/kWh，谷段电0.3 元/kWh。综合比较可知，从运行电耗和电费水平而言，分体式地源热泵系统与低温空气源热泵系统的实际运行经济指标是大体相当的。

2.3 不同运行方案性能对比

对于地源热泵系统长期稳定运行而言，需要关注地温热平衡问题[8]。以方案I为例，热泵系统夏季向地下累计排热量为5 926.3 kWh，而冬季从地下累计取热量为7 805.5 kWh，存在一定的热不平衡程度。整个运行期间，地温变化幅度为13.9～16.0 ℃，系统运行1年以后，平均地温降低至14.6 ℃，较初始地温降低了0.4 ℃。前人研究表明，地温场失衡会不同程度影响地源热泵系统的运行性能，但该影响是逐年累计的，通常在短期内不容易体现出来[9]。通过模拟计算，可以预测地温场失衡的可能性与偏离程度，进而为系统运行策略调整提供一定的参考依据。如前所述，北方农村地区多数住户的用能习惯与城市存在较大差异，其建筑采暖和制冷需求存在特殊性和随机性，通常情况下冬季采暖需求明显高于夏季供冷需求，部分住户可能还要求更高的采暖温度。这种情况下，需要重新考虑农村地区分体式地源热泵系统运行过程中的地温场平衡问题。

图7给出4种运行方案下地温的5年变化曲线。可以看出，全部运行方案都存在地温下降的趋势。其中，方案II和IV由于夏季不运行，仅冬季运行，地温下降比较明显，5年后地温分别降低了4.8 ℃和6.1 ℃;相比之下，方案I和III属于正常的夏储冬用模式，地温下降幅度缓和许多，5年后地温分别降低了2.0 ℃和2.7 ℃。因此，从地温场平衡角度出发，应尽量避免夏季完全不运行的情况，必要时还需采取一定的运行调控措施[10]。

表1进一步给出了不同运行模式下分体式地源热泵系统的电耗和运行费用情况。可以看出，供暖季的系统电耗和单位面积采暖费用随室温设置值的升高而增加，供冷季的系统电耗和单位面积供冷费用随室温设置值的升高而降低。例如，方案III比方案I的供暖季室内温度高2 ℃，供冷季室内温度低1 ℃，其单位面积采暖费用增加2.9 元/m2，涨幅为25.8 %，单位面积供冷费用增加2.0 元/m2，涨幅为23.3 %。此外，若地源热泵系统夏季不运行，会由于缺少地下储热而导致地温整体偏低，最终会一定程度上增加供暖季电耗和单位面积采暖费用。例如，方案II比方案I的单位面积采暖费用偏大约4.3 %，而方案IV比方案III的单位面积采暖费用偏大约3.5 %。需特别说明的是，农村住户的实际空调运行方式具有较大的随意性或不确定性，而上述4种运行方案均设置为相对极端条件，这主要是为了研究方便。在实际使用中，在保证供暖季用户采暖需求与室内舒适度的前提下，1年后土壤平均温度倾向于在方案I与方案IV之间，即13.7 ℃与14.6 ℃之间，而热泵系统全年电耗倾向于在方案II与方案III之间，即3 511.3 kWh（或11.7元/m2）与5 973.1 kWh（或24.7元/m2）之间。

3 结论

以石家庄农村地区典型的户用分体式地源热泵系统为对象，通过TRNSYS软件开展系统全年运行性能的模拟计算与分析评价，主要结果如下：

1）分体式地源热泵能够较好地满足农村地区住户的冬季采暖与夏季供冷需求，系统运行相对稳定，COP较高。与传统空气源热泵系统相比，分体式地源热泵系统不存在冬季除霜问题。

2）在满足冬、夏季室温分别为16～18 ℃和26 ～27 ℃条件下，分体式地源热泵系统的冬、夏季耗电量分别为37.4～47.1 kWh/m2和15.7～19.3 kWh/m2，单位面积电费分别为11.2～14.1元/m2和8.6～10.6元/m2，具有较好的节能性和经济性。

3）北方农村住户的用能习惯具有较大的特殊性与不确定性，总体上冬季采暖需求明显高于夏季供冷需求，这使得分体式地源热泵系统长期运行过程中可能会出现地温逐年下降的趋势。适当的围护结构改造，可以降低建筑冷热负荷，有助于进一步提高分體式地源热泵系统的运行经济性。

参考文献：

[1] 张继平，宁杨翠，刘春兰，等. 北京市门头沟区“煤改电”工程大气环境质量改善效果监测分析[J]. 生态与农村环境学报，2017，33（10）：898-906.

[2] 杨扬，张洁明，王晓晨，等. 浅析我国地源热泵现状与发展前景[J]. 区域供热，2017（1）：120-123.

[3] 董海广，许淑惠. 华北地区典型农宅采暖能耗模拟及节能分析[J]. 北京建筑工程学院学报，2010，26（3）：42-46.

[4] 李爱松，李忠，聂晶晶，等. 北京农村空气源热泵供暖项目运行实测[J]. 暖通空调，2017，47（12）：139-142，107.

[5]  张帅，胡文举，李德英，等. 空气源热泵-散热器供暖系统用于北京地区某农村住宅的实测分析[J]. 暖通空调，2015，45（8）：80-83，79.

[6] 周海舰，高乃平，李忠，等. 北京农村地区空气源热泵供暖系统实测分析[J]. 煤气与热力，2018，38（1）：32-39.