大连某超低能耗别墅水平地埋管地源热泵系统应用*

大连理工大学 仝 仓 李祥立 端木琳

0 引言

地源热泵系统作为一种清洁高效的供能系统，常应用于各类建筑。竖直地埋管地源热泵系统由于占地面积较小、性能稳定等优势，在实际工程应用中(特别是国内)占据较大比例[1]。但近年来，随着近零能耗建筑及其相关技术发展和推广，新建建筑的耗热量指标呈明显下降趋势[2-5]，因此地源热泵为低负荷建筑供冷/供热时，所需的地埋管长度随之下降，无需过大的占地面积。对于这种超低能耗建筑能源系统的选择，特别是北方地区位于城郊和农村的大量单体居住建筑，是否仍可以凭借“经验”值得商榷。在此背景下，水平地埋管地源热泵系统作为一种价格低廉、施工便捷的供能系统[6]，是否适合应用于超低能耗建筑值得探讨。

国内学者利用数值模拟法研究了土壤物性、埋管深度、管间距、地表保温层和降水对水平埋管换热器性能的影响[7-11]。结果表明：增加埋深、强化土壤导热能力、扩大管间距、铺设保温层和降水有利于提高水平地埋管换热器单位时间内的换热量。高岩等人运用实验法对水平地埋管换热器进行了研究，结果表明：热传递对水平地埋管换热器性能影响较大，由密度变化引起的湿传递对其影响可以忽略[12]。国外方面，Gan对水平地埋管换热器周围土壤的热恢复特性进行了研究，结果表明浅地层土壤易受地表因素影响，热恢复能力较强[13]。Fujii等人研究了层间距对双层水平地埋管换热器换热特性的影响，给出了0.5 m的最佳层间距[14]。Wu等人研究了土壤含水量对水平地埋管换热器的影响，结果表明：土壤含水量的增加有利于提高地埋管换热器换热效率，缩短地埋管长度[15]。Selamat等人研究了水平地埋管换热器的管材和摆放形式对其换热速率的影响，结果表明：水平环形换热器的管材由高聚乙烯管换成铜管后，换热性能提高了16%；环形换热器由水平铺设改为竖直铺设后，换热性能提高了14%[16]。Florides等人对比了水平地埋管和竖直地埋管换热器在相同管长和管间距工况下的出水温度，结果表明：在进水温度相同条件下，换热器换热达到准稳态后，水平蛇形管换热器的出水温度低于竖直埋管换热器[17]。Congedo等人[18]和Dasare等人[19]利用Fluent软件对比了单直管、环形管和螺旋形水平地埋管换热器的换热性能，结果表明：螺旋形换热器的单位土壤长度换热量最大，但它的安装费用最高。

综上所述，前人主要关注了各影响因素对水平地埋管换热器性能的研究，而对水平地埋管地源热泵系统整体研究较少，特别是水平地埋管地源系统应用在低负荷背景下的运行特性和经济及环境效益有待研究。本文借助于TRNSYS软件，建立了三维水平地埋管换热模型，搭建了水平地埋管地源系统，对热泵系统长期的运行特性进行研究分析，并与相同负荷下竖直U形地埋管地源热泵系统的经济和环境效益进行对比，得到了适用于低负荷建筑的最佳的热泵形式，对以后的工程应用具有一定的指导意义。

1 建筑负荷计算

某独栋建筑位于辽宁省大连某别墅小区(寒冷气候区)，建筑分2层，南北朝向，建筑面积约为280 m2，空调面积约为245 m2，建筑体形系数为0.48。该建筑占地面积约为143 m2，长和宽分别为13 m和11 m。由于辽宁地区暂无超低能耗建筑设计规范，故该建筑按DB 13(J)/T273—2018《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》[20](下文简称《标准》)进行设计，应用了高性能外围护结构、节能电器、高效的冷热回收等技术降低建筑负荷。建筑内常住人口为6人，室内设计温度为26 ℃/20 ℃(夏/冬)，相对湿度为30%～60%，换气次数为0.4 h-1。建筑的围护结构热工设计参数如表1所示，均满足《标准》要求。室内电器使用率及人员在室率如图1所示，空调开启时间根据人员在室率确定，全年供冷时间为7月1日至8月31日，供热时间为11月5日至次年4月5日。经过DeST软件负荷计算，该建筑的全年逐时负荷如图2所示，建筑全年累计热负荷为3 648.76 kW·h，最大热负荷为9.5 kW；全年累计冷负荷为2 615.23 kW·h，最大冷负荷为13.28 kW；年供暖和供冷需求分别为14.89、10.67 kW·h/(m2·a)，均小于《标准》中能耗指标(年供热/冷需求≤15 kW·h/(m2·a))，故该别墅属于超低能耗建筑。

表1 建筑围护结构的热工参数

图1 电器使用率和人员在室率

图2 建筑全年逐时负荷

2 热泵系统搭建与数学模型

2.1 热泵系统搭建

利用TRNSYS平台搭建地源热泵系统，如图3所示。地源热泵系统由热泵机组、末端用户、水泵、控制系统和地埋管换热器组成。选用某厂家高效水源热泵机组，额定制热量为15 kW，额定制热COP为4.4；额定制冷量为13.5 kW，额定制冷EER为5.1。通过监测用户侧回水温度实现对热泵的控制，将压缩机出力分为四级，具体控制策略如表2所示。地埋管换热器中包括了水平蛇形地埋管换热器和竖直U形地埋管换热器，通过切换地源侧分集水器可分别模拟2种埋管的运行工况。地埋管内介质均为软化水，主要物性参数如表3所示。针对文中的末端建筑，地埋管换热器的设计应满足以下约束条件：假定该建筑周边地下可使用区域不应超过相邻2栋建筑间距中线，根据GB 50368—2005《住宅建筑规范》[21]和GB 50016—2014《建筑设计防火规范》[22]关于建筑间距的相关规定，该栋建筑可铺设地埋管换热器区域为21 m×15 m；夏季运行地埋管出口最高温度不宜超过33 ℃，冬季流体温度宜高于4 ℃。另外，由于地源热泵系统是初投资较大的高效能源系统，根据GB/T 50801—2013《可再生能源建筑应用工程评价标准》的规定，地源热泵系统的供热季平均COPs应大于2.6，制冷季平均EERs应大于3.0。以上述约束条件为前提，2种地埋管换热器根据文献[23]提供的方法和推荐值进行设计，具体参数如表4所示,由于水平地埋管所需面积较大，将其设置为双层，层间距为0.5 m。为了确保地埋管安全，上层地埋管深度为2 m，距大连地区冻土层1.1 m[24]，水平地埋管布置如图4所示。

图3 地源热泵系统图

表2 热泵机组控制策略

表3 地源热泵系统主要物性参数

表4 地埋管换热器主要设计参数

图4 水平地埋管布置

2.2 数学模型

地埋管换热器的数学模型是能否正确反映土壤热响应特性的关键。竖直U形地埋管换热器使用的是基于线热源的DST模型[25]。而水平蛇形地埋管换热器使用的是TRNSYS软件自带的Type 997 horizontal模块。该模块使用全隐迭代数值算法，土壤区域使用三维扩散方程作为传热模型，管道部分传热模型简化为一维非稳态对流能量方程，即认为管道内部流动已充分发展，且流量恒定不变，仅考虑管内主流方向对流项，忽略其他方向对流项，管壁与管内流体换热量作为方程的源项[26]。边界条件和初始条件使用Kusuda一谐波土壤未扰动温度模型进行转化，如式(1)所示。当Z=0时，t(0,τ)作为计算域内的土壤上边界，其余边界均为绝热边界。当τ=τs(τs为计算开始时间)时，t(Z,τs)作为计算域初始温度。

(1)

式中Z为深度，m；τ为时间，s；tM为全年空气平均温度,大连地区为12.5 ℃；Aw为土壤表层全年空气温度的波幅，大连地区为20 ℃；αs为土壤的热扩散率，m2/s；P为计算周期,取31 536 000 s；τ0为土壤表层全年空气最低温度出现时刻，本文取3 283 200 s时。

3 水平地埋管地源热泵系统运行特性及经济性分析

3.1 系统运行特性

借助上述数值模型，分析了水平地埋管地源热泵系统在低负荷背景下的运行特性。系统中水源热泵机组于11月5日至次年4月5日执行供热模式，7月1日至8月31日执行供冷模式。用户侧供回水温度如图5所示。由图5可知，供热季用户侧的供水温度在45 ℃上下波动，用户侧的回水温度在40 ℃上下波动。但随着室外气温降低，特别是在热负荷较大的1、2月份，用户侧的供回水温度逐渐降至极值点，供水最低温度为40.1 ℃，回水最低温度为36.4 ℃，这是由于热泵持续从土壤中取热，土壤温度降低导致地埋管的出水温度逐渐下降(见图6)，造成了热泵压缩机出力不足，供水温度难以维持在45 ℃；供冷季用户侧供水温度在6.5～11.9 ℃波动，回水温度在7.4～15.1 ℃波动。供热季和供冷季用户侧最不利供水温度与室内设计温度的差值分别为20.1 ℃和14.1 ℃，若用户末端采用风机盘管调节温度，该水平地埋管热泵系统基本可以满足需求。

图5 水平地埋管热泵系统用户侧供回水温度

图6 水平地埋管换热器进出口温度

地埋管换热器进出口温度如图6所示。供热季地埋管进出口温度随着热泵的连续运行逐渐降低，而供冷季地埋管进出口温度随着热泵的连续运行逐渐升高，每年地埋管换热器的最高和最低出水温度已在图6中标注，温度极值均满足第2.1节的水温约束条件。图6中3年地埋管平均出水温度呈上升趋势，反映出土壤年平均温度有所升高，这是由于每年热泵机组对埋管区域的土壤的释热量多于取热量造成的。通常地源热泵应用于寒冷地区居住建筑时，易出现冷堆积现象，但超低能耗建筑在使用高性能围护结构和高效热回收技术后，热负荷可大幅度降低，而冷负荷主要受室内热源影响，无大幅度减少[27-28]，故热冷负荷比下降，系统全年释热量和取热量发生改变。以第1年运行工况为例，热泵机组供热平均COP为3.47，机组耗电量为1 051.41 kW·h；制冷平均EER为4.91，机组耗电量为567.73 kW·h；对土壤的取热量和释热量分别为2 597.0 kW·h和3 355.3 kW·h，即释热量高于取热量(比例为1.29)，造成土壤温度整体上升，但温升微小，且幅度逐年减缓，具有再达到热平衡趋势，表明水平地埋管地源热泵系统在其寿命周期内可维持稳定运行。

3.2 系统经济效益和环境效益分析

竖直地埋管和水平地埋管均可应用于地源热泵系统中，但对于低负荷独栋建筑，应用哪种埋管形式的效果更佳值得探讨。热泵供能系统在其寿命周期内的经济效益和环境效益是评价该系统效果的主要指标，本文分别对在相同负荷下水平地埋管和竖直U形管换热器地源热泵系统的经济费用和二氧化碳、二氧化硫、粉尘等污染物减排量进行计算，对比分析2种系统形式的优劣，并给出最佳系统形式。

使用费用年值评价以上2种系统的经济性。

(2)

式中E为费用年值；Co为系统初投资，本文主要指挖掘沟槽费用和管材费用，根据大连地区市场调研结果，热泵机组价格为28 000元，挖掘沟槽单价为7元/m3，管材为10元/m(含铺设管道人员酬金)，与热泵系统匹配的水泵价格为280元，建筑物内末端换热系统价格为2 100元，钻井费用为120元/m(含管材和人员酬金费用);i为基准折现利率，取7%；n为系统寿命，取15年；Ck为系统年运营费用，包括系统运行费用和维护费用，运行费用主要是系统运行消耗电能产生的电费，通过系统动态的小时COP计算可得到系统的逐时耗电量，将逐时耗电量进行累加得到系统全年总耗电量，将系统全年总耗电量与当地清洁能源补贴电价(大连地区为0.837元/(kW·h))相乘即可得到系统全年运行所需的电费，即运行费用，每年的维护费用为初投资的0.8%。

沟槽土方量按式(3)计算：

(3)

式中V为沟槽土方量，m3；B为水平地埋管换热器的管间距,m；L为水平地埋管换热器的管长,m；l为管排中单管的长度,取14.4 m；H为沟槽深度，m。

经计算，2种系统的费用明细如图7所示。水平地埋管地源热泵系统初投资为39 054元，远低于竖直地埋管地源热泵系统，约为后者的59.1%。而前者的年运行费用略高于后者，约为后者的1.15倍，这是因为供热季竖直地埋管的水温要高于水平地埋管，而供冷工况时竖直地埋管的水温要低于水平地埋管(见图6、8)，导致竖直地埋管热泵的系统效率高于水平地埋管热泵系统。如图9所示，水平地埋管地源热泵系统供热季平均COP为2.78，供冷季平均EER为4.09，系统全年平均COP为3.23，均高于第2.1节的约束指标；而竖直地埋管地源热泵系统供热季平均COP为3.28，供冷季平均EER为4.48，全年平均COP为3.71。竖直地埋管地源热泵系统具有较稳定的低温热源(汇)，而水平地埋管换热器所处的浅地层易受地表因素影响，特别是1—2月份，在地表温度较低时水平系统的土壤温度低于竖直系统所在的温度环境，导致热泵系统效率较低。但总体而言，水平地埋管地源热泵系统经济性仍优于竖直地埋管地源热泵系统，前者的费用年值仅为后者的67.9%。

图7 2种地源热泵系统的费用明细

图8 竖直地埋管换热器进出口温度

图9 2种地源热泵系统的系统效率

地源热泵系统作为一种清洁供能系统，所带来的环境效益不容忽视。通过计算2种地源热泵系统的减排量分析其环境效益。地源热泵系统CO2、SO2和粉尘减排量计算如下：

(4)

式中Q为减排量，下标CO2、SO2、fc分别代表二氧化碳、二氧化硫和粉尘，kg；Qs为标准煤代替量，可根据式(5)计算，kg；V为标准煤的排放因子，二氧化碳、二氧化硫和粉尘分别为2.47、0.02和0.01。

(5)

式中QH为供热季累计热负荷，MJ；ηt为常规能源系统运行效率，取0.7；q为标准煤热值，取29.307 MJ/kg；D为每kW·h电折合所耗标准煤量，取0.32 kg/(kW·h)；QC为供冷季累计冷负荷，MJ；EERt为传统制冷空调系统能效比，取2.3；Wg为地源热泵系统全年耗电量，kW·h。

2种系统与传统能源系统相比每年带来的环境效益如表5所示。由于竖直地埋管换热器热泵系统耗电量低于水平地埋管换热器热泵系统，即一次能源消耗量减小，带来的环境效益更高。

综上，水平地埋管地源热泵系统的经济性优于竖直地埋管地源热泵系统，但水平地埋管地源热泵系统的环境效益却低于后者。对于此类情况，通常可采用层次分析法评价，但层次分析法权重选取易

表5 2种地源热泵系统的环境效益及综合效益

受主观因素影响。鉴于此，将环境效益货币化，统一转化为经济性指标对系统进行评价。由于我国排污权有偿使用交易体系仍在试点阶段，辽宁地区暂无具体交易价格，采用北京市碳排放交易所和文献[29-30]中的价格进行计算，CO2转让交易费用为86元/t，SO2转让交易费用为6 000元/t，粉尘转让交易费用为500元/t，排污权的转让或出售可减少清洁能源系统的运营费用。修正后的费用年值如表5所示。水平地埋管地源热泵系统费用年值是竖直地埋管地源热泵系统的67.6%，前者的综合效益仍优于后者。

4 结论

水平地埋管地源热泵系统应用于超低能耗独栋建筑可在寿命周期内稳定运行。水平地埋管地源热泵系统全年平均COP为3.23，供热季平均COP为2.78，供冷季平均COP为4.09，高于传统能源系统。水平地埋管地源热泵系统虽运行费用和环境效益劣于竖直地埋管系统，但其经济性和寿命周期内系统综合效益仍优于后者，是可应用于超低能耗建筑的优良能源系统。上述结论是基于单体超低能耗建筑得到，具有一定局限性，在后续的研究中将对多个气候区典型超低能耗建筑的能源系统进行分析，扩展结论的适用性。