空气源热泵-地埋管换热系统蓄热性能研究

鲍玲玲,崔军艳,李永,安宏宾

(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 0502273.内丘县丰淼地热能源开发有限公司，邢台 054000)

地热能、空气热能等可再生能源，在当前能源结构中占据重要地位，对于热负荷较大的寒冷地区，土壤源热泵系统长期独立运行，使土壤温度逐年降低，供暖性能衰减，甚至无法正常运行[1]。空气源热泵在冬季运行容易出现结霜现象，进而影响系统的运行[2]。而将土壤源与空气源热泵技术联合运行，不仅能缓解土壤温度的下降，还可提高空气源热泵的运行性能。

中外学者对空气-土壤源热泵系统进行了模拟与实验研究。Ilaria等[3]使用TRNSYS搭建了同时使用空气和地面的双源热泵系统模型，进行年度动态模拟，得出双源热泵系统可解决土壤热失衡问题。李科宏[4]提出了空气源耦合地源一体化热泵系统，基于TRNSYS建立系统模型，模拟得出复合系统连续运行10年，土壤平均温度降低0.15 ℃，降幅为1.0%。刘馨等[5]通过对供暖季实测数据的分析，得到土壤-空气源双源热泵系统实际运行效果优于土壤源单源热泵。韩宗伟等[6]利用TRNSYS软件对季节性蓄存空气热能的土壤源热泵系统进行了模拟研究，结果表明该系统能够保障埋管换热器取热和排热的平衡，全年供暖空调综合性能系数(coefficient of performance，COP)为2.44。高朋等[7]通过对空气源热泵辅热的复合地源热泵系统运行分析，得到当空气源热泵在非采暖季对土壤进行蓄热，供暖季辅助地源热泵系统供热时，可保证地源热泵系统冷热不平衡率降低至15%以下。

以往研究中，关于空气源热泵在非采暖季对土壤进行蓄热的实际研究较少。为此，在邢台某小区已有土壤源热泵系统基础上，新增空气源热泵，在非采暖季为地埋管换热系统进行蓄热，并对系统的运行情况进行实测与分析。利用TRNSYS软件建立蓄热系统模型，分析空气源热泵额定制热量、系统日蓄热时长、循环泵流量之间的交互作用对系统制热量、能耗、土壤温升的影响，采用多目标优化算法得到系统运行的最优工况，为解决土壤热失衡问题提供理论指导及参考价值。

1 实验系统介绍

1.1 建筑概况

以河北邢台某住宅小区土壤源热泵系统为研究对象，建筑面积为60 000 m2，利用DeST软件建立模型，得到建筑物热负荷，其中，最大热负荷为2 635.0 kW，累计热负荷为4 539 042.65 kW·h。

1.2 系统原理

空气-土壤双源热泵系统可分为两个独立系统：一部分是蓄热系统，另一部分是供暖系统，系统原理图，如图1所示。冬季空气源热泵辅助土壤源热泵系统供暖，非采暖季用空气源热泵为土壤蓄热，蓄热系统循环路径为1-9-2-8-6-1。主要对蓄热系统进行研究，系统主要由三部分组成：空气源热泵、地埋管换热器、循环水泵，详细参数如表1所示。

表1 实验中设备参数Table 1 Equipment parameters in the experiment

1.3 实验数据测试

测试参数包括地埋管侧进出口水温及流量、环境温度及耗电量。使用CENTER-500温度记录仪测室外气温，测量范围为-50～50 ℃，测量精度为±0.1 ℃，测试间隔为10 min。使用超声波流量计测量水流量，测量精度为±1%；使用功率测量表测量机组和水泵功率，使用机械电表记录设备耗电参数，测量精度为±1%。

1为地埋管；2为空气源热泵；3为地源热泵机组；4为供暖末端5为风机；6、7为循环水泵；8～15为阀门图1 空气-土壤双源热泵系统原理图Fig.1 Schematic diagram of air-soil source heat pump system

1.4 数据处理方式

(1)热泵机组能及系统效比计算公式分别为

(1)

(2)

式中：Qh为热泵机组制热量，kW；Wh为压缩机的输入功率，kW；Wp为循环水泵的输入功率，kW；COP为热能机组能效比；EEP为系统能效比。

(2)热泵机组制热量的计算公式为

Qh=mCp(tout-tin)

(3)

式(3)中：m为循环水质量流量，kg/s；Cp为水的比热容，kJ/(kg·℃)；tout、tin分别为地埋管换热器中循环水进、出口温度，℃。

(3)系统累计供热量的计算公式为

(4)

式(4)中：QH为系统累计供热量，kWh；touti、tini分别为i时刻地埋管换热器中循环水的进、出口温度，℃；Δτi为第i次测试时间间隔，h；T为测试周期。

2 实验结果与分析

2.1 测试工况分析

蓄热实验期间(7月8日—7月29日)，系统全天运行，对邢台地区室外气温进行采集，汇总结果如图2所示。逐时温度在25～30 ℃最多，其次是30～35 ℃，因此将全天温度在25～35 ℃的日期定义为典型日。

图2 蓄热期间室外温度统计及占比Fig.2 Statistics and proportion of outdoor temperature during thermal storage

2.2 典型日蓄热系统特性分析

对典型日1(7月25日，晴朗日，27.1～34.9 ℃)及典型日2(7月18日，阴天，25.5～27.8 ℃)蓄热系统的运行特性进行监测，分析室外温度、地埋管进出口水温、系统制热量及能效比随时间的变化，结果如图3所示。

从图3中可以看出，地埋管侧进出口水温度有较小波动，室外气温的变化对地埋管进出口水温的影响较小，蓄热系统运行稳定。热泵机组制热量、系统EER与室外气温随时间的变化趋势一致。典型日1、2全天室外平均温度分别为31.0、26.3 ℃，系统平均制热量分别为1 223.10、1 198.14 kW，约为热泵机组额定制热量的2.1倍，系统平均EER分别为6.8、6.7，热泵机组制热性能较好。

图3 典型日地埋管水温、制热量及COP随时间的变化Fig.3 Variation of water temperature,heating capacity and COP of buried pipes with time on typical days

2.3 蓄热系统整个测试期间的运行性能

测试期间，蓄热系统地埋管进出口水温，系统制热量、耗电量、系统EER值随时间的变化情况，如图4所示。可以看出，随着地埋管向土壤释放热量的累积，土壤温度逐渐升高，使地埋管进、出口水温度随时间均呈上升趋势，供回水平均温差为4.5 ℃。室外温度对空气源热泵机组制热量及EER影响较大，蓄热系统日总制热量变化范围为28.19～30.60 MW·h，系统EER值的变化范围为6.9～7.8。由于热泵机组冷凝器侧进口水温升高，在相同制热量下机组能耗增加[8]，使得能效比随时间呈现一定下降趋势。

图4 空气源热泵-地埋管蓄热系统运行特性Fig.4 Operation characteristics of air source heat pump-buried pipe heat storage system

2.4 测试数据的误差分析

实验利用各种仪表测得基本参数，如温度、流量、耗电量，根据一定的函数关系式计算得到系统制热量、能效比等基本实验数据，在间接测量中，测量误差是各个直接测量值误差的函数[9]，一般为多元函数，函数的系统误差Δy可表示为

(5)

式(5)中：∂f/∂xi为误差传递函数；Δxi为直接测量值的误差，i=1,2,…,n。

根据式(5)对系统制热量Qh、能效比进行误差分析，结合式(1)～式(3)可得热泵机组COP的最大相对误差为

(6)

式(6)中：ΔCOP为间接测量值COP的系统误差；Δm为直接测量值m的系统误差；Δtout、Δtin分别为直接测量值tout、tin的系统误差；ΔWh为直接测量值Wh的系统误差。

同理，得到系统制热量Qh、系统EER的最大相对误差，但由于实测过程中各参数同时同方向出现最大误差的概率很小，采用上述最大相对误差作为实测数据的综合误差会使结果过大。因此根据间接测量随机误差的传递公式来计算实测数据综合误差σy，得到间接测量值随机误差的最大值为

(7)

(8)

(9)

式中：σCOP、σQh、σEER分别为间接测量值COP、Qh、EER的综合误差；ΔWp为直接测量值Wh的综合误差。

根据式(7)～式(9)计算可知：热泵机组COP相对误差为3.443 1%<5%；系统EER的相对误差为3.586 7%<5%；系统制热量的相对误差为3.293 1%<5%，间接误差<5%，实验数据可靠。

3 TRNSYS系统模拟分析

3.1 土壤温度的变化

模拟中气象参数是由典型气象年的数据来代替的，导致模拟结果会出现一定的偏差，为了使模拟结果与实验结果相吻合，对比分析实验期间实测气象数据和典型气象年数据，对模型中气象参数(7月8日—7月29日)进行修正。

利用TRNSYS软件搭建空气源热泵-地埋管蓄热系统模型，如图5所示。为保证非采暖季模拟结果的可靠性，各设备模块中的参数按实际修改，如空气源热泵性能参数、地埋管数量及尺寸、土壤物性参数、水泵流量等，使模拟结果和实验结果可对比分析。蓄热阶段，模拟得到的地埋管进出口水温与实测数据的对比以及蓄热期间土壤温度的变化，如图6所示，水温未出现大的偏差，误差在5%以内，说明模拟与实验过程相符。

图5 空气源热泵-地埋管蓄热系统模型Fig.5 Model of air source heat pump-buried pipe heat storage system

由图6可知，在测试期间，经蓄热后土壤温度从初始的15.8 ℃上升至16.4 ℃，温升为0.6 ℃。结合测试数据的分析可知，在非采暖季利用空气源热泵为土壤蓄热的方式是可行的。

图6 蓄热期间地埋管进出口水温及土壤温度的变化Fig.6 Variation of inlet and outlet water temperature and soil temperature of buried pipe during thermal storage

3.2 系统优化

3.2.1 多因素影响分析

测试时间段，以系统制热量YD、能耗YE、土壤温升YF作为响应值，空气源热泵额定制热量、系统日蓄热时长、循环泵流量为自变量，通过Box-Behnken法设计响应曲面试验，利用蓄热系统TRNSYS模型进行试验模拟，采用多目标优化算法得到测试期间蓄热系统运行的最优工况[10-12]。响应曲面试验因素与水平设计如表2所示，试验结果如表3所示。

表2 空气源热泵-地埋管蓄热系统响应曲面试验设计因素与水平Table 2 Design factors and levels of response surface test for air source heat pump-buried tube heat storage system

通过响应曲面分析法去除模型中不显著的影响因素(P>0.05)，以表3中系统制热量YD、能耗YE、土壤温升YF为目标值建立二次回归模型，各响应值模型的回归方差分析结果如表4～表6得到试验真实水平回归模型为

表3 空气源热泵-地埋管蓄热系统试验方案及结果Table 3 Test scheme and results of air source heat pump-buried pipe heat storage system

表4 系统制热量回归方差分析Table 4 Regression analysis of variance of heating capacity

表5 系统能耗回归方差分析Table 5 Regression variance of system energy consumption

表6 土壤温升回归方差分析Table 6 Regression variance of soil temperature rise

YD=-1.30×105-84.18x1+142.18x2+

17 969.42x3+0.56x1x2+10.92x1x3+

(10)

YE=1 497.84-38.19x1-9.88x2+1 414.54x3+0.07x1x2+5.74x2x3

(11)

YF=0.18-5.17×10-4x1-2.71×10-4x2+3.33×10-3x3+8.33×10-7x1x2+

4.17×10-5x2x3

(12)

由响应值回归方程方差分析及式(10)～式(12)可知，循环泵流量与空气源热泵额定制热量的交互作用对系统制热量、能耗、土壤温升的影响较为显著，循环泵流量与系统日蓄热时长对能耗和土壤温升的交互作用不显著，空气源热泵额定制热量与系统日蓄热时长的交互作用对3个响应值的影响极为显著。

(1)三因素对系统制热量的影响。循环流量对系统制热量的影响，如图7(a)所示，制热量随流量的增加呈先上升后下降趋势，表明在空气源热泵机组型号及蓄热时间一定的情况下，适当增加循环泵流量可使制热量增加，但流量过大时，系统循环水流速过快，与冷凝器、地埋管换热不充分，系统制热量下降。

空气源热泵额定制热量与日蓄热时长对系统制热量的影响，如图7(b)所示。可以看出，随着热泵机组额定制热量和蓄热时长的增加，系统制热量均增大。蓄热时间和热泵额定制热量对系统制热量的影响，在回归方程[式(10)]中表现为二次方系数较小，使得系统制热量随热泵额定制热量与系统启停的变化近似平面分布。结果表明，在蓄热工况下，当地埋管中循环流量满足要求时，适当的增加热泵机组额定制热量，可提高系统制热量，系统日蓄热时间越长，制热量越大。

图7 三因素对制热量的影响Fig.7 Influence of three factors on heat capacity

(2)热泵制热量与循环泵流量对系统能耗的影响.热泵额定制热量与循环泵流量对系统制热量的影响，如图8所示。可以看出，空气源热泵额定制热量对系统能耗的影响极为显著，空气源热泵额定制热量的增加导致系统能耗升高，循环泵流量对能耗的影响较为显著，影响趋势表现为曲面较平滑，这与方差分析中的显著性水平结果一致。两者的交互作用较显著，表现为响应曲面倾斜度较陡。结果表明，在蓄热工况下，空气源热泵能耗占主要部分，循环泵能耗与之相比占小部分，循环泵对系统总能耗的影响较小，若从节能角度考虑，应在条件允许下，主要考虑降低空气源热泵型号，以降低能耗。

图8 热泵额定制热量及循环泵流量对系统能耗的影响Fig.8 Influence of heat pump rated heat capacity and circulating pump flow on system energy consumption

(3)热泵制热量与日蓄热时长对土壤温升的影响。热泵额定制热量与蓄热时间对土壤温升影响的等高线图，如图9所示。可以看出，空气源热泵额定制热量及日蓄热时长对土壤温升的交互作用并非线性，在循环水泵流量一定的情况下，根据实际需求，通过增加空气源热泵额定制热量及蓄热时长可使土壤温升满足要求。

图9 热泵额定制热量及日蓄热时长对土壤温升的影响Fig.9 Effects of heat pump rated heat and daily heat storage time on soil temperature rise

3.2.2 多目标优化结果

以系统制热量、能耗以及土壤温升作为约束条件，对系统进行优化分析，得到系统只在白天运行时的最优工况为：循环水泵总流量为400 m3/h、空气源热泵总额定制热量为920.0 kW，此时系统累计制热量为588 337.2 kWh，耗电量为79 195.7 kW·h，系统EER值为7.44，土壤温升为0.55 ℃；系统全天运行时最优工况为：循环水泵总流量为100 m3/h、空气源热泵总额定制热量为723.8 kW，此时系统累计制热量为819 174.4 kW·h，耗电量为114 432.9 kW·h，系统EER值为7.16，土壤温升为0.76 ℃。

蓄热系统在上述最优工况下运行时，对比分析气象参数修正前后系统能耗及土壤温升的变化(7月7日—7月29日)，如表7所示。结果表明模型若直接采用典型年气象参数进行模拟也是可取的。

表7 气象参数修正前后耗电量及土壤温升的变化Table 7 Variation of power consumption and soil temperature rise before and after meteorological parameter correction

为研究系统在整个非采暖季(7月7日开始)的运行性能，可利用此时间段典型气象年的参数进行模拟，分别得到系统在白天(12 h)、全天运行(24 h)时，土壤温升Δt与耗电量W之间的关系，如图10所示，拟合结果可表示为

图10 系统耗电量随土壤温升的变化Fig.10 Variation of system power consumption with soil temperature rise

W12h=13 146.14+111 900.41Δt+

15 290.34Δt2

(13)

W24h=7 477.37+132 960.38Δt+

7 514.94Δt2

(14)

式中：Δt为土壤温升，℃；W12h为整个非采暖季系统只在白天运行时的耗电量，kW·h；W24h为整个非采暖季系统全天运行时的耗电量，kW·h。

由图10可知，当所需土壤温升≤2.5 ℃时，采用系统在白天运行的方式，系统能耗较低，当所需土壤温升>2.5 ℃时，采用全天运行的蓄热方式。由于土壤温升相同的情况下，只在白天运行的系统，蓄热期较长，蓄热后期室外气温较低，使得系统性能下降，能耗增加。当土壤目标温升为3.0 ℃时，全天运行的蓄热系统能耗为474 820.0 kW·h，增加的蓄热运行费用为3.96元/m2。

4 蓄热系统可行性分析

4.1 能源效益

测试时间段内，空气源热泵-地埋管蓄热系统全天运行，最优工况下的制热总量为819 174.4 kW·h，所消耗的电量为114 432.9 kW·h。煤电效率按27.0%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[13]。则空气源热泵蓄热系统运行消耗电量所需的燃煤量为52.06 t，若采用传统热源：燃煤、燃气、热电联产的方式为土壤蓄热，燃煤锅炉热效率定为60%，燃气锅炉热效率定为80%，热电联产热效率定为85%[13]，则产生上述相同制热量所需的煤量分别为167.71 t、137.56 t、118.39 t。空气源热泵蓄热系统与传统热源燃煤、燃气、热电联产蓄热系统相比，分别可节约69.0%、62.2%、56.0%的能耗。

4.2 环境效益

不同蓄热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蓄热方式，评判具有一定的模糊性。因此，引入模糊综合分析法，具体步骤如下[14]。

步骤1决策集D=(d1,d2,…，dn)以及影响评判的目标集U=(u1,u2,…，um)，决策集中d1为空气源热泵蓄热系统、d2为燃煤锅炉蓄热系统、d3为燃气锅炉蓄热系统、d4为热电联产蓄热系统。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。

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

根据各蓄热系统的能源消耗以及污染物排放清单[13]，可得到不同蓄热系统产生的主要污染物总量，计算结果如表8所示。

表8 各供暖系统主要污染物排放总量Table 8 Total emission of main pollutants of heating system

比较环境效益时，各蓄热系统污染物排放量越小越优，所以利用数量值越小越优的rij的计算公式为

(15)

式(15)中：xij为蓄热系统方案中方案j的第i个评判目标的数量值。

可得模糊评价矩阵R=(rij)4×4为

(16)

根据蓄热系统方案特点和各评比目标对方案的影响程度，选用层次分析法确定权重向量W[14]，可表示为

(17)

查阅文献得，各污染物在环境影响因素中的重要程度为：NOx>烟尘>SO2>CO2[15]，环境影响评价中的四个评判要素间两两对比赋值为：aij=1表示ui与uj同等重要；aij=6/5表示ui比uj略微重要；aij=4/3表示ui比uj重要；aij=3/2表示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9所示。

表9 环境影响因素间的相对重要性Table 9 Relative importance of environmental impact factors

用二元对比倒数法建立4阶对比矩阵为

(18)

通过优势积累法可得权向量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=(0.810，0.286，0.738，0.297)，根据评判向量可得到各蓄热系统环境优度的好坏。

从计算结果可得，空气源热泵蓄热系统的环境优度较传统热源燃煤、燃气、热电联产蓄热系统分别高出64.8%、8.9%、63.3%，空气源热泵蓄热系统的环境效益显著。

5 结论

(1)测试期间(7月7日—7月29日)，系统制热量可达到空气源热泵额定制热量的2.17倍，热泵机组及系统平均能效比分别为8.8、7.2，地埋管进出口平均温差为4.5 ℃，空气源热泵-地埋管换热系统蓄热运行稳定。

(2)对典型气象年气象数据进行修正，利用TRNSYS软件对空气源热泵-地埋管换热系统蓄热性能进行模拟，结果表明：蓄热后土壤温度从初始的15.8 ℃上升至16.4 ℃，温升0.6 ℃，在非采暖季利用空气源热泵为土壤蓄热的方式是可行的。

(3)测试期间，系统全天运行时的最优工况为：循环水泵总流量为100 m3/h、空气源热泵总额定制热量为723.8 kW，系统EER值为7.16，土壤温升为0.76 ℃。

(4)非采暖季(7月7日开始)，空气源热泵-地埋管换热系统蓄热运行时，耗电量与土壤温升为二次函数关系。当土壤目标温升≤2.5 ℃时，采用系统在白天运行的方式，系统能耗较低，反之，采用全天运行的蓄热方式。当土壤目标温升为3.0 ℃时，全天蓄热系统能耗为474 820.0 kW·h，增加的蓄热费用为3.96元/m2。

(5)空气源热泵蓄热系统与传统热源燃煤、燃气、热电联产蓄热方式相比，分别可节约69.0%、62.2%、56.0%的能耗。环境优度较上述3种蓄热系统分别高出64.8%、8.9%、63.3%，空气源热泵蓄热系统的能源及环境效益显著。