空气源辅助地源复合式热泵系统适宜性模拟研究

陈翔宇 敬丽君 王 军 敬成君

（四川大学建筑与环境学院 成都 610065）

0 前言

随着我国经济的不断发展以及城镇化进程的推进，建筑面积不断增加，建筑能耗也随之增加。2017年，我国建筑能源消费总量9.47 亿吨标准煤，占全国能源消费总量的21.10%[1]。地源热泵技术因其高效、节能、运行可靠的特点渐渐进入公众视线。而随着研究发现，地源热泵在为冷热负荷并不平衡的建筑供冷供热过程中，所累积的土壤热不平衡率会导致地源热泵系统能效逐年衰减，因此地源热泵系统需要辅以其他空调系统配合使用，即复合式地源热泵，艾民[2]和杨兴林[3]分别利用DeST 软件和TRNSYS 软件研究了复合式地源热泵系统的可行性与经济性，结果都表明复合式地源热泵系统优于传统地源热泵系统。

然而目前国内外对复合式地源热泵的研究主要集中于冷却塔、冷水机组辅助地源热泵系统，祝立萍[4]和李营[5]研究了冷却塔辅助地源热泵复合式系统运行控制策略，分别针对住宅小区和办公建筑的复合式系统提出了最佳运行控制策略，Zhang[6]建立了一种冷却塔辅助地源热泵复合式系统的模拟模型，以量化不同控制策略对系统性能的影响。尽管这两种复合式地源热泵形式的确有效解决了传统地源热泵系统土壤热不平衡的问题，但冷却塔存在效率较低的问题，常规的冷水机组则存在系统复杂、初投资大的问题，并不能实现最大化的节能高效。此外，国内外关于太阳能辅助地源热泵的复合式系统的研究也有许多，Chen[7]从能源、经济和环境等方面研究太阳能辅助地源复合式热泵的性能，并认为其性能优于传统地源热泵。但太阳能辅助加热复合式地源热泵存在地域限制的问题，在太阳能资源并不丰富的地区无法推广。

在空气能被纳入可再生能源之后，空气源辅助地源热泵的复合式热泵系统开始进入大众的视野。该系统不仅可以解决两种负荷矛盾情况下土壤的热不平衡问题，而且适用地区范围更广。本文分别以冷负荷为矛盾的地区（成都、郑州）和热负荷为矛盾的地区（拉萨）为分析对象。对比目前常见的复合式地源热泵系统，分析空气源辅助地源复合式热泵系统的适宜性。

1 研究对象

1.1 研究对象概况

模拟选取建筑为某办公建筑。该办公建筑地上两层，建筑层高4.8 米，如图1所示。建筑总面积为1425.60m，其中非空调区域为270.54m 。房间功能主要为办公室、会议室和大厅。

图1 某办公建筑模型图Fig.1 Model of an office building

1.2 空调系统参数

该建筑在成都的设计冷负荷为185kW，设计热负荷为96kW，传统地源热泵供暖季累计吸热量为32533.6kWh，空调季累计排热量为95273kWh。在冷负荷为主要矛盾的情况下制定两种空调系统，方案一为空气源辅助地源热泵系统，地源热泵机组额定制冷量为92kW，额定制热量为96kW，打井数18 口，空气源热泵机组制冷量为163kW。方案二为冷却塔辅助散热复合式地源热泵系统，地源热泵机组制冷量为185kW，打井数18 口，冷却塔水量38m /h。

由于成都土壤热不平衡率较大达到65%，为了全面分析空气源辅助地源复合式热泵系统，计算得该建筑在郑州的设计冷负荷为186kW，设计热负荷为148kW，传统地源热泵地埋管累积吸热量91214kWh，累积排热量为117351kWh，土壤热不平衡率22.21%。同时，也制定两种空调系统，方案三为空气源辅助地源热泵系统，地源热泵额定制热量为148kW，空气源热泵制冷量为64kW，打井数20 口。方案四为冷却塔辅助散热复合式地源热泵系统，地源热泵机组额定制冷量为186kW，打井数20 口，冷却塔水量40m /h。

在以热负荷为矛盾的地区，基本上采用辅助热源进行补热。最常见的形式为锅炉辅助加热复合式地缘热泵。因此，本文计算了该建筑在拉萨的设计冷热负荷，分别为60kW，131kW。方案五选用一台制冷量为60kW，制热量45kW 的地源热泵机组，打井数11 口，一台制热量86kW 的空气源热泵。方案六选择一台制热量50kW 的地缘热泵机组，打井数11 口，一台制热量86kW 的燃气锅炉。六种空调系统选型配置详见表1。

2 模拟方法及条件

2.1 EnergyPlus 模型简介

本文采取EnergyPlus 对建筑负荷、设备制冷量以及耗电量进行模拟。1996年美国能源部开始筹划基于DOE-2 和BLAST 开发EnergyPlus，2001年发布了EnergyPlusVersion1.0，目前已经更新到EnergyPlus8.9.0 版本[8]。

地源热泵机组是复合式地源热泵模型中不可或缺的一部分，EnergyPlus 包含水-空气热泵和水-水热泵的模型，Jin 等人[9,10]提出了参数估计模型，利用制造商目录数据用于计算参数，以便使用全局优化算法最小化误差。Shenoy 提出了方程拟合模型，该模型根据制造商样本手册得到6 个制冷/热系数Capacity Coefficient 和Power Consumption Coefficient，设定好名义制冷量，功率，负荷侧及源侧的流量即可使用，使得模拟更具有实际性，因此本文选择使用方程拟合模型。地源热泵系统冷凝侧由垂直地埋管组成使用地环路换热器（GLHE，Ground Loop Heat Exchanger），它将热量输送到地面或从地面输送出去，本文所采用的GLHE 模型是基于Esilson 建立的垂直井眼模型[11]。根据成都地泵热响应测试报告，土壤初始温度为19.7℃，岩土综合导热系数为2.13W/(m ·K)。

2.2 工况条件

本次模拟室外气象参数分别采用EnergyPlus中的成都、郑州、拉萨气象参数，室内设计参数如表2所示。

3 结果分析与讨论

3.1 冷负荷为矛盾地区适宜性分析

本节通过对成都地区方案一和方案二以及郑州地区方案三和方案四的软件模拟，得到系统相关数据，整理如下。

3.1.1 成都地区

通过EnergyPlus 模拟两种方案第一年的运行数据，统计空调季设备的耗电量、地埋管累计吸排热量结果如表3所示。

表3 不同方案累计耗电量对比分析（单位：kWh）Table 3 Comparative analysis of the cumulative power consumption of different schemes

方案一空调季系统累计耗电量为29034kWh，方案二系统累计耗电量为29969kWh，从系统能效来看，空气源辅助优于冷却塔辅助。两种方案冬季热负荷全都由地源热泵机组承担，在土壤热不平衡率为0%的前提下，系统能效基本无差别。供暖季累计耗电量为19535kWh。两种方案经济指标如表4所示，可以看出冷却塔初投资较低，方案二整个复合式地源热泵系统初投资比方案一低3.45 万元，成本增量较小，方案一的净现值率NPVR 小于方案二。又因为初投资高，方案二的静态投资回收期为8.78 大于方案一，但在8.78年后，每年均可节约4129 元的运行费用，考虑利率的影响，其净现值NPV 指标小于方案一。因此，从复合式地源热泵系统的经济性指标来看，方案二的辅助设备冷却塔初投资较小，运行费用较高，系统的静态投资回收期和净现值率要高于方案一。

表4 方案一、二经济性指标Table 4 Scheme 1 and 2 Economic Indicators

复合式地源热泵综合性能评价得分结果如表5所示，虽然方案二能耗略高于方案一，但由于冷却塔经济性优于方案一。综合各指标得分，方案二综合评价得分6.59 分高于方案一6.14 分。因此在保证地埋管冬夏吸排热平衡额定情况下，冷却塔辅助散热复合式地源热泵系统优于空气源辅助地源复合式热泵系统。

表5 方案一、二综合性能打得分表Table 5 Scheme 1,2 comprehensive performance score table

3.1.2 郑州地区

通过EnergyPlus 模拟两种方案第一年的运行数据，统计空调季设备的耗电量、地埋管累计吸排热量结果如表6所示。

表6 不同方案累计耗电量对比分析（单位：kWh）Table 6 Comparative analysis of cumulative power consumption in different schemes

统计得到方案三系统总累计耗电量29946kWh，方案四系统总耗电量为30415kWh。方案四由于存在冷却塔及循环泵额外的耗电量，因此其能效略低于方案三的空调系统。方案三与方案四冬季热负荷全部有地源热泵机组承担，在土壤热不平衡率为0%的前提下，系统不受影响，累计耗电量为50259kWh。郑州市商业电价为0.86 元/度，天然气价格为3.3 元/m 。根据工程经验，计算得到系统的初投资及运行费用，根据经济指标计算模型，得到结果如表7所示。

表7 方案三、四经济性指标Table 7 Scheme 3 and 4 Economic Indicators

从表7可以看出，随着土壤热不平衡率的降低及50%负荷率小时数的增加，空气源热泵额定制冷量相对于成都地区的方案一大幅度降低。在郑州地区，两种复合式地源热泵系统初投资仅相差0.1 万元。方案三相对于方案一每年可节约500 元，因此与常规复合式地源热泵系统相比，方案三的静态投资回收期和净现值率均优于方案四。

最终，从两种方案的综合性能评价得分结果表8来看，方案三综合得分7.87 高于方案四的7.82分，两者差距不大。但方案三的系统相对于方案四节能，每年可以节约469kWh，技术节能性、环境保护性及经济性指标均较优。即在保证地埋管冬夏季吸排热平衡额定情况下，空气源辅助地源复合式热泵系统要优于冷却塔辅助散热复合式地源热泵系统。

表8 方案三、四综合性能打得分表Table 8 Scheme 3,4 comprehensive performance score table

3.2 热负荷为矛盾地区适宜性分析

在以热负荷为矛盾的拉萨，方案六为锅炉辅助加热复合式地源热泵系统，这种系统适宜性取决于当地燃气价格，在此以拉萨地区为例，分析了不同燃气价格时燃气锅炉辅助加热复合式地源热泵、空气源辅助地源复合式热泵系统的综合性能指标，模拟得到方案五、六系统年累计耗电量、耗气量，如表9所示。方案五在供暖季总耗电量为23713kWh，方案六总耗电量为12175kWh，耗气量3939m 。根据综合能耗计算通则[12]折算为标准煤，方案五能耗为2914.33kgce，方案六能耗为6279.44kgce，方案六能耗远远大于方案五。

表9 方案五、六系统累计耗电量Table 9 Scheme 5 and 6 system cumulative power consumption

对比不同燃气价格下两种方案的性能见表10，在天然气价格为3.4 元/m 以下时，系统NPVR 值均低于0，即与常规冷热源相比不具有可行性。随着燃气价格的增加，系统静态投资回收期随着降低。当燃气价格由3.0 元/m 增长到3.6 元/m，静态投资回收期从18.39年降低到9.4年。同时，净现值率也由负值增长为正值，与常规冷热源相比，复合式地源热泵那个系统更具有可行性。

表10 不同燃气价格方案五、六综合性能对比Table 10 Comparison of comprehensive performance of scheme 5 and 6 with different gas prices

无论从经济性还是环境保护性考虑，方案五均优于方案六。综上，无论燃气价格多少，空气源辅助地源复合式热泵系统综合性能均优于锅炉辅助加热复合式地源热泵系统。

4 结论

通过EnergyPlus 分别模拟了成都、郑州和拉萨地区不同复合式地源热泵系统运行能耗，并对其综合性能做了对比，得出以下结论：

（1）在以冷负荷为主要矛盾地区，若土壤热不平衡率较大（成都），冷却塔辅助冷却复合式地源热泵系统较优。

（2）在以冷负荷为主要矛盾地区，若土壤热不平衡率较小（郑州），空气源辅助地源复合式热泵系统较优。

（3）在以热负荷为矛盾的地区，与常规冷水机组+锅炉系统相比，复合式地源热泵系统受燃气价格的影响，当燃气价格低于3.6 元/m 时，经济性较差。而与空气源辅助地源复合式热泵系统相比，无论燃气价格多少，空气源辅助地源复合式热泵系统在技术节能、环境保护、经济性方面均优于锅炉辅助加热复合式地源热泵系统。