跨季节空气-土壤蓄热式热泵系统可行性分析

鲍玲玲， 崔军艳， 李永

(1.河北工程大学能源与环境工程学院， 邯郸 056038； 2.河北省建筑工程质量检测中心有限公司， 石家庄 050227)

寒冷地区大规模采暖，消耗过量资源的同时，对环境也造成了不可挽回的伤害。利用可再生能源进行供暖，已成为一个大的趋势[1-2]，土壤源热泵系统的应用也更为普遍，在热负荷占主导地位的寒冷地区，土壤源热泵系统在使用过程中因吸排热不平衡造成土壤的“冷堆积”，导致热泵系统运行性能降低，能耗增加，在单供暖土壤源热泵系统中表现的尤为明显[3]。

针对土壤热失衡问题，中外学者做了大量的研究。太阳能作为清洁的可再生能源，成为辅助热源的首选，但太阳能蓄热系统投资高、占地面积较大，在居民住宅区的使用受到了限制，而空气源蓄热系统设备简单，占地面积较小。孟莉思[4]利用TRNSYS软件对土壤空气复合热源热泵系统进行了模拟，得到单一的土壤源热泵系统运行10年后土壤温度下降了5.4 ℃，而复合系统的土壤温度仅下降0.6 ℃。王文涛等[5]通过对空气与土壤复合源热泵系统的模拟，说明了该系统可解决土壤热失衡问题。杨子旭等[6]对空气-土壤源柔性热泵系统与土壤源热泵系统进行了对比，得出前者能够保障土壤热平衡且具有良好的节能效果。然而，上述研究并未对热泵系统的运行模式，系统的经济及环境效益、能耗等方面进行全面的分析研究。

基于此，现提出在夏季利用空气处理机组将空气中的热量储存在土壤中的蓄热方式，与原有土壤源热泵结合使用，形成跨季节空气-土壤蓄热式热泵系统。以调研中邢台市某项目土壤源热泵单供暖住宅楼为例，建立住宅楼在入住率为100%时的跨季节空气-土壤蓄热式热泵系统，以该系统为基础选用定时和定温两种控制蓄热启停的方式，利用TRNSYS软件进行模拟分析，寻找供暖效果较好的控制模式，并与其他供暖系统进行对比，利用寿命周期内费用总值法和模糊综合分析法从供暖系统能源消耗、经济效益、环境效益等方面探讨空气-土壤蓄热式热泵系统在寒冷地区的供暖可行性，为实际工程提供参考。

1 ASHSHP系统原理及运行模式

1.1 调研情况

根据实际调研情况，发现单供暖系统在使用的过程中，土壤温度逐年下降，造成供热量满足不了用户的需求，更为严重的会使土壤源热泵系统无法运行。邢台市部分土壤源热泵单供暖项目运行情况，如表1所示。针对该现象提出ASHSHP系统。

1.2 ASHSHP系统原理

ASHSHP系统原理图，如图1所示。在冬季利用土壤源热泵系统为用户供暖，夏季开启蓄热模式，利用空气处理机组将空气中的热量转移至土壤中，实现跨季节蓄热，ASHSHP系统运行模式如下。

(1)供热模式：热泵机组开启，水泵4、5开启，阀门7、8、11、12开启、阀门9、10关闭。

(2)蓄热模式：热泵机组关闭，水泵4开启，水泵5关闭，阀门7、8、11、12关闭，阀门9、10开启；利用空气-水换热器吸取室外空气的热量，再经地埋管换热器将热量转移至土壤中，使土壤温度得到恢复。

图1 ASHSHP系统原理图Fig.1 ASHSHP system schematic diagram

2 参数的确定

2.1 热负荷的确定

以河北省邢台市某住宅楼为研究对象，总建筑面积为24 000 m2，层高为2.90 m，体形系数为0.30，综合窗墙比为0.23，该建筑末端采取地板辐射供暖，供暖时间为11月15日到次年3月15日。利用DeST软件建立模型，得到建筑物热负荷，其中，累计热负荷2 005 778.78 kW·h，最大热负荷为1 387.91 kW，供暖季建筑热负荷随时间的变化，如图2所示。

2.2 设备参数确定

(1)热泵机组的型号参数。根据建筑物的峰值负荷，选用珠海格力电器股份有限公司生产的地源热泵SSD-DH-7000，制冷量700.0 kW，输入功率122.7 kW，制热量752.0 kW，输入功率162.6 kW，用户侧水循环流量121 m3/h，水源侧水循环流量为145 m3/h，制冷性能系数为5.7，制热性能系数为4.6。

表1 邢台市部分土壤源热泵单供暖项目运行情况统计表Table 1 Statisticaltable of operation of some soil source heat pump single heating projects in Xingtai city

图2 供暖季建筑热负荷随时间的变化Fig.2 Variation of building heat load with time in heating season

(2)地埋管的参数。地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大的塑料管材及管件，本文研究中选用聚乙烯管PE100，水作为传热介质。参考设计规范[7]，钻孔间距应满足换热需要，水平间距一般为3～6 m，现取5 m，钻孔深为100 m，地埋管为双管，井数为300孔。

(3)循环水泵的型号参数。根据热泵机组型号及杨程，本文选用广州中超泵业有限公司生产的循环水泵，负荷侧循环水泵型号为KTB125-100-315，功率为15.0 kW，水流量为120 m3/h，水源侧循环水泵型号为KTB125-100-320，功率为22.0 kW，水流量为146 m3/h。

(4)空气处理机组的型号参数。该建筑为单供暖土壤源热泵系统，在夏季进行蓄热时，应考虑室外换热器运行以及过渡季期间的热损失，假设热损失率为40%，为保障土壤的热平衡，向土壤补偿的热量为

(1)

式(1)中：Qb为土壤的补偿热量，kW；COP为机组的额定性能系数；∑Qh为建筑累计热负荷，kW。

经计算，选用特灵CLCA系列的空气处理机组2台，型号CLCA-045-4530，制冷全热量为743.0 kW，显热量为322.6 kW，水流量为25.2 L/s，风机风量为45 000 m3/h，风机功率15.0 kW。

2.3 蓄热时间段的确定

选择蓄热时间时，应使土壤温度与室外温度相差较大，保证系统蓄热效率。因此选择室外气温较高的时间段进行蓄热，可提高蓄热效率，缩短蓄热时间，使能耗降低。5—9月室外平均气温如表2所示，根据表2中数据，取6—8月进行蓄热。

表2 5—9月室外平均气温Table 2 Average outdoor temperature from May to September

3 ASHSHP系统模型及结果分析

利用TRNSYS仿真模拟软件搭建ASHSHP系统的动态模型，仿真模拟系统如图3所示，系统的主要仿真模型模块如表3所示。以ASHSHP系统为基础，选用定温和定时两种控制蓄热系统启停的方式进行对比分析。

(1)定时蓄热ASHSHP系统：6—8月，每日08:00—20:00开启蓄热模式，冬季土壤源热泵系统为用户供暖。

(2)定温蓄热ASHSHP系统：6—8月，室外空气温度Ta≥27 ℃时开启蓄热模式，冬季土壤源热泵系统为用户供暖。

表3 主要仿真模型模块Table 3 Main simulation model module

由模拟分析可知， ASHSHP系统连续运行20年时，定时蓄热下机组COP平均值为3.96，土壤热平衡率为106%，总耗电量为15 471.37 MW·h，总供热量为39 388.39 MW·h；定温蓄热下机组COP平均值为3.99，土壤热平衡率为102%，总耗电量为15 427.26 MW·h，总供热量为39 388.74 MW·h。

图3 ASHSHP系统仿真模拟图Fig.3 ASHSHP system simulation diagram

图4 ASHSHP系统20年土壤平均温度逐年变化趋势Fig.4 Annual variation trend of soil average temperature in ASHSHP system in 20 years

两种控制模式下，土壤平均温度及地埋管进出口水温最值的逐年变化，如图4和图5所示。由图4和图5可知，定时蓄热ASHSHP系统的土壤平均温度从初始的16.00 ℃下降至13.80 ℃，土壤温降为2.20 ℃，地埋管最低进口水温为1.69 ℃，最高出口水温为28.13 ℃；定温蓄热系统的土壤平均温度从初始的16.00 ℃下降至14.74 ℃，土壤温降为1.26 ℃，地埋管最低进口水温为2.78 ℃，最高出口水温为28.98 ℃。

在以往研究中，寒冷地区使用热泵系统供暖的土壤热平衡值在80%～120%[8]，根据规范对于有防冻剂的土壤源热泵系统，夏季地埋管的出口 水温不得高于35.00 ℃，冬季地埋管的进口水温宜高于-2.00 ℃，根据系统运行性能参数，可知两种控制蓄热模式下ASHSHP系统都具有很好的技术可行性，但定温蓄热ASHSHP系统的性能更佳。

图5 ASHSHP系统20地埋管进出口水温年最值变化趋势Fig.5 Annual variation trend of water inlet and outlet of 20 buried pipes in ASHSHP system

4 ASHSHP系统与其他供暖方式的对比分析

目前大多数跨季节蓄热是利用太阳能集热器将热量传递到地埋管换热器进而使土壤温度恢复，与土壤源热泵结合使用，形成太阳能-土壤源热泵(SGSHP)系统。而传统供暖系统的热量多数由不可再生能源提供，已不符合现有能源利用趋势。根据上述模拟结果，选用系统性能更佳的定温蓄热ASHSHP系统与其他供暖系统进行比较，各供暖系统模拟运行20年。

本文研究中涉及的SGSHP供暖系统，夏季利用太阳能蓄热，冬季太阳能提供生活热水，土壤源热泵系统为用户供暖。太阳能非采暖期蓄热模式如下。

(1)集热器侧：当集热器进出口温差≥6 ℃时，开启集热循环水泵；当两者温差<2 ℃时，关闭集热循环水泵。

(2)地埋管侧：当集热器出口水温与土壤温度温差≥7 ℃时，开启蓄热模式；当两者温差<5 ℃时，停止蓄热。

4.1 能源效益分析

能耗方面，ASHSHP系统连续运行20年的制热总量为39 388.74 MW·h(14.18×107MJ)，所消耗的总电量为15 430.00 MW·h。煤电效率按34.7%计算，标准煤的燃烧值为29 306 MJ/t，天然气折标系数取1.33 kg/m3。则ASHSHP系统运行消耗电量所需的燃煤量为5 461.60 t，SGSHP系统运行消耗电量所需的燃煤量为5 412.82 t，若采用传统的燃煤锅炉、燃气锅炉、电锅炉系统进行供暖，燃煤锅炉供暖热效率定为60%，燃气锅炉供暖热效率定为80%，电锅炉供暖热效率定为100%[9-10]，产生上述相同制热量所需煤量分别为8 064.33、6 614.55、13 944.09 t。因此ASHSHP系统供暖比SGSHP系统的能耗高0.90%，与燃煤锅炉、燃气锅炉、电锅炉供暖系统相比，分别可节约32.27%、17.37%和60.83%的能耗。

4.2 环境效益分析

ASHSHP系统供暖的环境效益，主要是从该系统与其他供暖系统相比所能减少的CO2、SO2、NOx及烟尘的排放量来进行评价[11]。不同供暖形式之间环境效益的比较多数是将各种供暖方式消耗的能源量通过不同的比例转换为标准煤量，再根据标准煤主要燃烧产物的排放量来进行计算，这样导致主要燃烧产物排放量的多少与使用标准煤的数量是同步变化的，但在实际应用时，不同供暖系统因其热源不同导致各类污染物排放量在排放物中所占比例是不同的，并不存在各类污染物排放量均为最低或最高的供暖方式，评判具有一定的模糊性。因此，引入模糊综合分析法，具体步骤[12-13]如下。

(1)不同系统设计方案(d1,d2,…,dn)，构成了模糊综合评判的决策集：D=(d1,d2,…,dn)以及影响评判的目标集：U=(u1,u2,…,um)，本文研究中决策集中d1为ASHSHP系统方案，d2为燃煤锅炉供暖系统方案，d3为燃气锅炉供暖系统方案，d4为电锅炉供暖系统方案，d5为SGSHP系统方案。目标集中u1为CO2排放量，u2为SO2排放量,u3为NOx排放量，u4为烟尘排放量。

(2)根据步骤(1)中的决策集与目标集建立模糊评判矩阵R=(rij)4×5，其中rij为目标集隶属。

由于不同供暖系统环境效益的选优具有相对性，且此处污染物排放量为定量研究，要求rij≤1，故定量目标隶属度rij的计算方法如下。

对于数量值越大越优的目标：

(2)

对于数量值越小越优的目标：

(3)

式中：xij为供暖系统方案中方案j的第i个评判目标的数量值。

各供暖系统使用的能源种类不同，主要污染物的排放量也不同，具体如表4所示。根据各供暖系统的能源消耗以及表4，计算可得到不同供暖系统所产生的主要污染物总量，计算结果如表5所示。

表4 各供暖方式污染物排放清单Table 4 Pollutant emission list of various heating methods

表5 各供暖系统主要污染物排放总量Table 5 The total discharge of major pollutants in each heating system

比较环境效益时，各供暖系统污染物的排放量越小越优，所以利用数量值越小越优的rij计算公式，可得模糊评价矩阵R=(rij)4×5为

(4)

权重向量W的确定。确定权向量方法有专家评议法、比较矩阵法、层次分析法等，根据供暖系统方案的特点和各评比目标对方案的影响程度，选用层次分析法[14]。

(5)

查阅相关文献可得，各污染物在环境影响因素中的重要程度为：NOx>烟尘>SO2>CO2[15-16]，环境影响评价中的4个评判要素间两两对比赋值为：aij=1代表ui与uj同等重要；aij=6/5代表ui比uj略微重要；aij=4/3代表ui比uj重要；aij=3/2代表ui比uj很重要。根据比较方法可得各环境影响因素间相对重要性，如表6所示。

表6 环境影响因素间的相对重要性Table 6 The relative importance of environmental factors

运用二元对比倒数法建立4阶对比矩阵为

(6)

通过优势积累法(求行和)可得权向量W=(3.25，3.78，5.03，4.37)，进行归一化处理得W=(0.19，0.23，0.31，0.27)。根据模糊数学合成原理，将模糊权向量W与模糊评判矩阵R相乘，得到评判向量B=(0.552，0.245，0.990，0.216，0.557)，根据评判向量可得到各供暖系统环境优度的好坏。

从计算结果可得，燃气锅炉供暖系统的环境优度较好，ASHSHP系统的环境优度较燃煤锅炉和电锅炉供暖系统分别高出55.62%、60.87%，略低于SGSHP系统，仅低0.90%，ASHSHP系统的环境效益较为显著。

4.3 经济效益分析

4.3.1 ASHSHP和SGSHP系统费用对比分析

对比SGSHP和ASHSHP系统的经济性，从系统初投资费用和运行费用两方面来考虑。采用寿命周期内费用总值法对系统经济性进行分析。这两系统都是在已有土壤源热泵系统的基础上新增蓄热系统，新增部分设备与材料基本相同，本文研究只考虑两系统中不同设备的增量费用。系统的寿命周期为20a，部分设备的使用周期达不到20a，在系统模拟运行的过程中需要更换，更换系数为系统寿命周期与设备使用寿命的比值。因资金具有时间价值，本文将两系统寿命周期内费用折算为现值进行考虑，计算公式[17-18]为

(7)

PI=PI0+PI0(1+j)-k1+PI0(1+j)-k2+…

(8)

式中：PC为系统寿命周期内总运行费用，万元；POy为第y年的运行费用，万元；j为折现率，取8%；PI为设备增量投资费用，万元；PI0为设备的总价，万元；ki为设备更换的年份。

ASHSHP和SGSHP系统的设备增量投资费用及运行费用，如表7～表9所示。

表7 ASHSHP系统设备增量投资费用Table 7 Equipment incremental investment cost of ASHSHP system

表8 SGSHP系统的设备增量投资费用Table 8 Eequipment incremental investment cost of SGSHP system

表9 两系统总费用对比Table 9 Comparison of total cost of two systems

由表9可知，在保持冬季供热量相同的情况下， SGSHP系统运行费用较低，但SGSHP系统初投资，使得总费用高于ASHSHP系统100.70万元，且太阳能集热器占地面积较大，实际使用时受到限制。

4.3.2 ASHSHP系统与传统供暖系统费用对比分析

ASHSHP系统与传统的燃煤锅炉、燃气锅炉、电锅炉、燃油锅炉供暖系统的经济性进行对比，其动力煤、天然气及电费的平均价格采用邢台市当下能源价格。经济对比分析结果，如表10所示。

从表10可看出，ASHSHP系统的供暖费用高于燃煤锅炉供暖，但低于燃气锅炉和电锅炉供暖。若将燃煤锅炉的运行费用设为1作为参照指标，则ASHSHP系统、燃气锅炉及电锅炉的运行费用相对值分别为2.25、2.85、5.76。在满足供暖季供热的需求时，ASHSHP系统的供暖费用比燃煤锅炉供暖高55.65%，与燃气锅炉供暖相比可节约20.89%的供暖费用，与电锅炉相比则可节约60.83%的供暖费用。根据上述分析得出，电锅炉因其能源价格较高并不适合在大面积住宅楼中使用，可在所需供暖量小或所需供暖时长较短的小面积区域使用。

表10 4种供暖系统经济性对比Table 10 Economic comparison of 4 heating systems

5 结论

通过对跨季节空气-土壤蓄热式热泵系统的研究得出以下结论。

(1)利用TRNSYS软件建立跨季节空气-土壤蓄热式热泵(ASHSHP)系统的模型，并进行模拟分析。系统模拟运行20 a时，在定时蓄热和定温蓄热模式下，ASHSHP系统土壤温降分别3.96、3.99，定温蓄热模式下系统的供暖效果更佳。

(2)选用定温蓄热ASHSHP系统与其他供暖系统进行能耗的对比分析，结果表明ASHSHP系统比太阳能-土壤源热泵(SGSHP)系统的能耗高0.90%，与燃煤锅炉、燃气锅炉、电锅炉供暖相比分别可节约32.27%、17.37%、60.83%的能耗，节能效果较为显著。

(3)利用模糊分析法得到几种供暖方式的环优度分别为0.552、0.245、0.990、0.216和0.557，燃气锅炉供暖系统的环境优度较好，ASHSHP系统的环境优度略低于SGSHP系统，仅低0.90%，但比燃煤锅炉和电锅炉供暖系统分别高出55.62%、60.87%。

(4)利用寿命周期内费用总值法进行经济性比较，得到定温蓄热ASHSHP系统与SGSHP系统相比，总增值费用减少100.7万元，与燃煤锅炉、燃气锅炉、电锅炉供暖系统的相对运行费用分别为2.25、1.00、2.85、5.76，ASHSHP系统的供暖费用比燃煤锅炉供暖高55.65%，与燃气锅炉、电锅炉的供暖费用相比分别可节约20.89%、60.83%。