严寒地区高速公路建筑空气-土壤源热泵系统节能性运行策略研究

宫 静，王松庆，唐天跻

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

能源的可持续发展一直是社会发展的重要动力.近年来，随着我国降低能耗等政策的深入贯彻和落实，地埋管地源热泵技术在我国得到了广泛的应用，但是通过模拟分析和实际运行测试表明，地埋管地源热泵系统在运行的过程中极易出现取放热不平衡的问题，因此引入辅助供热或散热设备，组成复合式地埋管地源热泵系统进行使用，以维持地埋管周围土壤的吸放热平衡[1].

国内外对于复合式地源热泵有了一定程度的研究，1995年美国采暖学会首次阐述复合式地源热泵系统应用在大型商用和公共建筑中具有优势[2].蔡晶晶等针对夏热冬冷地区的大多数建筑存在夏季冷负荷和冬季热负荷不平衡问题，进行了混合式土壤源热泵系统的可行性分析[3].韩宗伟等针对严寒地区地源热泵系统存在土壤取放热不平衡的问题，对哈尔滨地区某办公建筑地源热泵系统采用空气源热泵加以辅助，并对该系统全年运行性能进行分析，该系统平均综合性能系数为2.1，节能率33.1%[4].苗毅等采用水源热泵、空气源热泵和太阳能集热器优化北京市某综合办公室的供热系统，实施后每年冬季运行可节约48吨标煤[5].顾娟等运用TRNSYS软件构建仿真模型，对地源与空气源热泵联合空调系统的3种运控策略进行模拟并分析系统年平均能耗，得出系统优先运行3 h、室外空气干球温度为 33 ℃、温差为 5 ℃时的策略是最优的系统控制策略[6].孟新巍等建立了空气源热泵复合低谷电蓄能供暖系统的数学模型，并通过数值分析确定了该系统的最佳设计参数，得出了节能性最优控制策略下的最短初投资回收期为2.3年[7].苑广普等运用DeST软件对某高速公路服务区建筑能耗进行逐时模拟，论证各项指标是否满足被动房设计要求，并对被动房加强参数和节能率进行分析，得出高速公路服务区的被动房空调系统年累计耗冷热量能够减少80.4%，节能效果明显[8].李林林通过对比分析地源热泵系统和传统采暖制冷系统在高速公路建筑中的节能减排效果，得出地源热泵系统供热制冷方案比传统采暖制冷方案节能性更佳的结论[9].

目前，对于空气-土壤源热泵系统在严寒地区高速公路地区的研究还相对较少，且系统的运行策略对系统的运行成本和运行效率有很大的影响，因此本文使用空气-土壤双源式复合热泵系统进行供热并优化改进，通过TRNSYS 软件进行仿真研究，根据节能性指标用来挑选出空气-土壤源热泵系统在严寒地区高速公路最佳负荷分担比例运行策略是有必要的.

1 空气-土壤源热泵系统构建

本文以哈尔滨市某高速公路服务区建筑为研究对象，其建筑由一栋二层综合楼组成，建筑高度8.5 m，建筑面积1 817.11 m2，房间功能主要有超市、餐厅、客房区等.由于目标建筑所处于哈尔滨市，冬季持续时间长，夏季持续时间短，导致冬季建筑累计热负荷会远大于夏季建筑累计冷负荷，建筑全年负荷不平衡性较大，因此选用空气源热泵系统作为辅助热源，构建空气-土壤源热泵系统.

空气-土壤源系统主要由地源热泵系统和空气源热泵系统两部分构成.其中地源热泵系统选择采用两台地源热泵机组并联运行的模式，空气源热泵系统采用一台空气源热泵机组运行的模式，地源热泵系统和空气源热泵系统除了在负荷分配的控制策略层面有所联系之外彼此独立.由于目标建筑所处严寒地区，土壤源热泵系统从土壤中的吸热量远大于系统向土壤中的释热量，为了维持土壤热平衡性，选择在夏季时让地源热泵系统承担全部制冷任务，空气源热泵系统不运行；在冬季时选择让空气源热泵系统运行，并与地源热泵系统完成供热任务.空气-土壤源热泵系统在全年中的不同种运行模式如表1所示.

在夏季时选择使用1号地源热泵机组来承担全部夏季冷负荷，同时使用2号地源热泵机组向土壤中进行蓄热，蓄热模式开启后，空气中的热量通过地源热泵系统储存进土壤中，而空气中的冷量将用于其它生产与生活活动.此时空气源热泵系统不运行，以尽量增大土壤中的释热量.在过渡季节内运行2号地源热泵机组继续向土壤中增加释热量.在冬季供暖初期和室外温度相对较高的时间段内，优先运行空气源热泵系统在不同工况下所承担的不同热负荷比例进行供热.在冬季其余时间段内，选择使用1号地源热泵机组和2号地源热泵机组进行供热，优先运行1号地源热泵机组，当所需热负荷大于1号地源热泵机组额定制热量的80%时，启动2号地源热泵机组，热负荷由两个地源热泵机组平均分担.

2 空气-土壤源热泵系统TRNSYS仿真模型构建

2.1 空气-土壤源热泵系统TRNSYS仿真模型构建

空气-土壤源热泵系统运用TRNSYS软件构建空气-土壤源热泵系统模型，如图1所示.

图1 基于TRNSYS软件的空气-土壤源热泵系统仿真模型

本次TRNSYS软件模拟主要包括气象文件(Wheather，以哈尔滨气象为例)，气象文件读取模块(Type15-2)，热泵模块(Type225土壤源热泵机组模块、Type665-3空气源热泵机组模块)，水泵与风机模块(Type114，Type3a)，地埋管模块(Type557)等.

2.2 建筑空调负荷特性分析

本系统通过TRNBuild软件构建起一个建筑复合模型，并通过Type56与其他模块的连接来完成建筑模型与其他模块的数据传输，完成整个目标建筑的逐时负荷动态模拟.本文根据楼层设计，该高速公路服务区的体型系数为0.27，其余部分设计参数如表2所示.

表2 不同围护结构类型的墙体传热系数

通过数值仿真研究可知哈尔滨地区高速公路服务区建筑的全年逐时负荷，其仿真结果如图2所示，研究结果表明：冬季全年累计热负荷270 414.27 kW，夏季全年累计冷负荷66 320.71 kW，其全年累计冷热负荷不平衡率为4.08.并由图2可看出，全年大部分时间段内，热负荷强度大于冷负荷强度，且在系统运行过程中，目标建筑的地源热泵系统绝大多数时间内在非满负荷状态下运行，地源热泵系统在供暖模式负荷率小于 60%的工况下运行时长为 3 192 h，占供暖模式总运行时间的 74%；满负荷状态下运行时长为17 h，仅占供暖模式总运行时间的 0.39%.这种变化特性不利于系统运行，需调节负荷比例来改善系统周围土壤的热平衡性.

图2 建筑的全年逐时冷、热负荷

3 空气-土壤源热泵系统节能性运行策略评价

3.1 空气-土壤源热泵系统冬季运行策略设定

由于严寒地区冬季供暖期的时长与夏季制冷期的时长差异过大，该地区全年累计冷负荷与全年累计热负荷相差很大，如果不对空气-土壤源热泵热负荷分担比例进行调节，将会使研究的不确定因素增加，无法有效的控制变量.因此本文通过对供暖季每一天的热负荷量进行比例分配，以保证土壤的冷热负荷量的平衡.

本文选择将夏季冷负荷全部由土壤源热泵承担，(表1模式1)，冬季热负荷由空气-土壤源热泵系统承担(表1中的模式3和模式4)，接下来的分析中本文仅讨论空气-土壤源热泵系统对冬季热负荷的分担比例运行策略即可.通过本文上一节目标建筑全年逐时负荷的模拟研究结果可知，其夏季累计冷负荷是冬季累计热负荷的25%，所以地源热泵所负担的热负荷比例不能低于25%，否则会导致机组从土壤中的取热量低于机组向土壤中的释热量，出现土壤热不平衡的现象，同时地源热泵所分担负荷比例不能高于75%，否则土壤蓄热负荷比将高于50%，造成过多能源浪费.因此本文将设定空气-土壤源热泵系统中地源热泵所负担的热负荷比例介于25%至75%之间，在地源热泵负荷分担比例介于25%至75%的运行策略中，需同样运行模式2在非供暖季对土壤进行蓄热，本文将挑选出在模式2下向土壤中进行蓄热的负荷比例占全年总热负荷比例值0%、10%、20%、30%、40%、50%的六种冬季运行策略为代表进行负荷比例的调节，如表3所示.

表3 六种冬季运行策略

3.2 空气-土壤源热泵系统的节能性评价

本文将通过对不同负荷分担比例冬季运行策略下空气-土壤源热泵系统的性能分析对系统进行节能性评价.

本文设定系统全年运行平均节能效率AEE(Average Energy Efficificy)来作为本系统各个运行方案的节能性评价指标，即在运行时间内系统的总制冷量与总供热量分别除以与整个系统中对应设备的耗电量，其所得之比在此段时间范围内的加权年平均值[10].在系统全年总制冷量与总供热量一定的前提下，AEE值越高，系统的运行方案越节能[11].本研究中AEE的计算公式为

(8)

公式中：AEE为系统全年平均节能效率；Qh为全年供热量(kW·h)；Wh为系统全年制热耗电量(kW·h)；Qc为全年制冷量(kW·h)；Wc为系统全年制冷耗电量(kW·h).

运用公式(1)，对空气-土壤源热泵系统模型进行为期十年的模拟运行以及在系统夏季冷负荷全部由土壤源热泵承担、冬季热负荷由空气-土壤源热泵系统承担的情况下，对所得到的6种冬季运行策略的全年运行AEE值进行计算，分别得到在6种负荷分担比例冬季运行策略下的系统逐年AEE值，通过比较系统逐年AEE值对各个冬季运行策略的节能性作出评价，如图3所示.

由图3可知，在模拟运行周期内，6种冬季运行策略下目标建筑的逐年AEE值随各策略中地热泵负担热负荷比例的增加而逐渐增大，在策略6下系统运行逐年AEE值最高，其平均值相较于策略1增加了39%，增加的逐年AEE值的平均值占策略1的18.3%，由于土壤源热泵系统在严寒地区的供暖季的AEE值要高于空气源热泵系统，因此在总供热量相同的情况下，地源热泵所负担热负荷比例越大，系统的AEE值越高.

通过比较各冬季运行策略的节能性评价指标，在本系统中策略6最为理想，其逐年AEE值的平均值与其余5种策略相比，其节能性更加明显.

综上所述，在空气-土壤源热泵系统夏季冷负荷全部由土壤源热泵承担、冬季热负荷由空气-土壤源热泵系统承担的情况下所得到的6种负荷分担比例冬季运行策略中，该严寒地区高速公路服务区建筑在供暖季由1号地源热泵负荷分担比例为75%、2号地源热泵在非供暖季负荷分担比例为50%、空气源热泵负荷分担比例为25%以及制冷季由地源热泵系统承担100%冷负荷时，运行最佳.

4 结 论

(1)本文采用TRNSYS软件中的TRNBuild建立严寒地区某高速公路建筑的负荷模型，得到空气-土壤源热泵系统的冬季全年累计热负荷270 414.27 kW，夏季全年累计冷负荷66 320.71 kW，全年累计热负荷远大于冷负荷，引起较大的土壤热不平衡性，冷热不平衡率为4.08.本文通过设定4种冬季运行模式加以改善土壤热不平衡性，从而提高系统效率.

(2)空气-土壤源热泵系统可以保证目标建筑的供暖和制冷需求，为保证土壤热平衡性，将蓄热负荷占全年热负荷的比例作为划分不同负荷分担比例冬季运行策略的依据，对系统进行负荷调节.通过设定冬季运行模式3和模式4并结合模式2向土壤中进行蓄热得到6种负荷分担比例冬季运行策略，最终得出严寒地区高速公路服务区建筑在1号地源热泵负荷分担比例为75%、2号地源热泵负荷分担比例为50%、空气源热泵负荷分担比例为25%时运行最佳，节能性最好.