严寒地区空气-土壤双源热泵负荷分担比例探究

唐天跻 ，王松庆 （东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

1 引言

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。

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[1]。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[2]。韩宗伟等人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，提出将一次网的高温蒸汽作为吸收式热泵发生器热源的地源热泵系统，并介绍了其控制策略[3]。方肇宏和曲云霞对复合式地埋管地源热泵系统的辅助散热装置的工程经济性能进行了研究[4]。

针对严寒地区的一些远离城市热网的高速公路建筑，可以选择使用空气-土壤双源式复合热泵进行供热以及空气调节，本文便是着眼于此类热泵系统在严寒地区高速公路建筑中的应用，运用TRNSYS软件对此系统进行搭建与模拟运行，探究其在严寒地区工况下最优的负荷分担比例。

2 研究对象及系统设计

2.1 研究对象概况

目标建筑物为哈尔滨市某高速公路服务区，总建筑面积为3573㎡，由于该高速公路服务区远离城市热网，无法进行常规的集中供热，因此考虑使用热泵系统进行供热以及空气调节。

通过TRNBuild软件对目标建筑进行全年逐时负荷模拟，结果如下图1所示，冬季逐时最大热负荷为397.96kW，夏季逐时最大冷负荷为209.13kW。观察模拟结果可以发现，全年累计热负荷远大于全年累计冷负荷，若仅使用地源热泵则会出现土壤热不平衡问题，为了解决此问题，选用空气-土壤双源热泵系统。

2.2 系统组成及运行模式

图1 全年逐时冷、热负荷模拟

为了简化系统，选择空气源热泵独立于地源热泵水循环系统的系统形式。为了达到维持土壤热平衡的目的，针对目标建筑物全年累计热负荷远大于全年累计冷负荷的现象，提出了该系统在全年的不同阶段的四种运行模式。

模式①：一号地源热泵夏季供冷模式。

模式②：二号地源热泵非供暖季蓄热模式。

六种工况下的热负荷分担比例 表1

设备装机容量 表2

10年期逐年累积耗电量 表3

模式③：一、二号地源热泵冬季供暖模式。

模式④：空气源热泵冬季供暖模式。

在夏季选择运行模式①。在冬季供暖初期和末期室外温度相对较高的阶段，充分发挥其在此阶段制热性能相对低温时较高的特点，优先运行模式④，在冬季的其余时间段，优先运行模式③。在非供暖季以及过度季，运行模式②。

3 TRNSYS系统仿真模型构建

TRNSYS模拟的过程即是先通过所搭建系统中的各个模块所对应的数学模型，结合给定的系统连接形式，对一个瞬态进行数值求解，然后对一个周期内的各个瞬态结果进行积分，便可模拟出长期积累的趋势与结果。

3.1 模型展示与模块介绍

所构建的系统仿真模型如下图2所示。该模型所使用的主要部件有：Type225土壤源热泵机组模块、Type665-3空气源热泵机组模块、Type557地埋管换热器模块、Type682与Type693理想末端模块、Type114水泵模块、Type3a风机模块以及各个负责改变负荷比例工况的控制模块等。

4 不同负荷分担比例工况下系统性能仿真分析

4.1 六种工况介绍

基于前文所展示的系统模型和在TRNBuild中对目标建筑物进行的全年逐时负荷模拟结果，对空气源热泵和土壤源热泵所负担的负荷比例进行改变，进而改变系统工况，此外为了尽可能增大土壤释热量，以维持土壤热平衡性，夏季冷负荷全部由地源热泵承担（选择运行模式①），本文着重讨论冬季热负荷的分担比例。选取了6种不同的热负荷分担比例，详见下表1，此外，在一些土壤取放热量不平衡的工况中，还需要运行模式②，以保证土壤的热平衡性。

4.2 经济性评价指标

经济性评价指标分析由初投资和历年运行费用两部分构成。初投资主要指每个工况下所选用的设备费用，设备估算价格：地源热泵机组为602元/kW，空气源热泵机组为516元/kW，地埋管钻孔费用为70元/m。历年运行费用主要指系统运行所需要的电费，电价取0.78元/kW·h[5]，同时要考虑4%的折现率。此外，为了简化模型以及控制变量，各台机组在不同的室内外温度条件下各自对应固定的COP值，即COP值不会随着机组所承载负荷量的变化而改变。运用在前文中所介绍的系统模型进行10年期的模拟运行，得到6个工况下各自的设备装机容量以及10年期的逐年累计耗电量，详见表2与表3。之后再按照净现值法对每个工况的经济性指标进行综合评价，结果详见图3。

图3

由图3可知，工况一的运行费用和初投资的累积值最低。故此，在各台机组于不同的室内外温度各自对应固定的COP值的条件下，从经济性评价指标角度考量，工况一所对应的负荷分担比例是最优选择。

5 结语

本文介绍了空气-土壤双源热泵系统在严寒地区中的应用，并利用仿真模型，对制热工况下，空气源热泵与土壤源热泵所负担的不同负荷比例进行探究，根据经济性评价指标，得出了此严寒地区的高速公路建筑，在各台机组于不同的室内外温度各自对应固定的COP值的条件下，当地源热泵承担其20%热负荷，空气源热泵承担其80%热负荷，地源热泵承担其100%冷负荷的情况下，经济性最优的结论。