長沙地區多功能地源熱泵系統的模擬與分析

(中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙，410083)

在夏熱冬冷地區，應用地源熱泵實現夏季制冷和冬季供熱，是節能減排的重要措施，具有良好的環境和經濟效益[1]。近年來，在國家政策法規的大力扶持和推動下，地源熱泵在夏熱冬冷地區正面臨著重要的發展機遇，具有廣闊的應用前景。然而，目前仍缺乏適用于夏熱冬冷地區氣候條件、地質條件、建筑特點的系統運行策略和評價體系。夏熱冬冷地區冬季供熱期短，地源熱泵全年向土壤排放的熱量遠多于從土壤吸取的熱量，這種土壤吸釋熱不平衡會導致地埋管區域土壤溫度逐年升高，從而降低地源熱泵系統的運行效率[2?3]，已成為制約地源熱泵發展的關鍵技術問題之一。應用制冷、制熱和制熱水多功能地源熱泵系統，不僅可減少夏季地埋管換熱器向土壤的釋熱量，而且還可在冬季利用熱泵從土壤中吸熱來制取生活熱水[4?5]。Cui等[6]以香港地區住宅為例對多功能地源熱泵系統進行了研究，Li等[7]對多功能地源熱泵地埋管換熱器周圍的土壤溫度進行了數值模擬，研究表明：該系統有望緩解土壤累計吸釋熱不平衡的問題。然而，關于多功能地源熱泵系統在夏熱冬冷地區的適應性及其相關的技術經濟評價方法的研究尚未有效開展。本文作者在動態能耗模擬軟件 TRNSYS[8]的平臺上建立了制冷、制熱和制熱水的多功能地源熱泵系統模型，并以長沙地區賓館建筑為例對多功能地源熱泵系統全年運行的技術經濟性能進行了研究。本研究有助于夏熱冬冷地區地源熱泵系統的優化設計和推廣應用，促進實現低能耗、低排放可再生能源建筑。

1 數學模型

1.1 建筑冷熱負荷計算

以長沙地區某賓館建筑為研究對象，該賓館共 3層、南北朝向，總建筑面積為2 080 m2，建筑圍護結構的熱工性能參數、室內空調和采暖的設計參數均按《公共建筑節能設計標準》[9]的規定選取。長沙地區典型氣象年數據來自文獻[10]。利用TRNSYS計算獲得該建筑的全年逐時負荷(如圖 1所示)，得到其峰值冷負荷為127.5 kW，峰值熱負荷為78.5 kW，全年累積冷負荷為201 133.4 kW·h，累積熱負荷為94 742.3 kW·h。

1.2 地埋管換熱器設計

根據長沙地區地質特點查《地源熱泵系統工程技術規范》[11]獲得地埋管換熱器設計所需的土壤熱物性。表1所示為土壤熱物性參數及地埋管設計的主要參數。根據表1給出的基本參數，采用Bernier修正的ASHRAE算法[12]計算得到該建筑冷負荷所對應的地埋管換熱器總長度為5.7 km，熱負荷所對應的地埋管換熱器總長度為3.5 km。考慮到地源熱泵系統同時用于制取生活熱水，在夏季將減少地埋管向土壤的釋熱量，在冬季增加地埋管從土壤中的吸熱量，因此確定該系統地埋管換熱器總長度為3.5 km。

圖1 建筑全年逐時負荷Fig.1 Hourly load of building

表1 土壤熱物性參數及地埋管換熱器設計參數Table 1 Design parameters for borehole heat exchanger

1.3 生活熱水系統設計

利用地源熱泵作為熱源制取生活熱水，構成多功能地源熱泵系統，如圖2所示。根據不同的運行工況可通過冷凝顯熱熱回收或單獨制熱水2種方式來制取生活熱水。生活熱水的使用水溫為 40 ℃[13]，日熱水用水量變化曲線如圖3所示[14]。若生活熱水的出水溫度達不到使用要求，則開啟輔助電加熱器進行補償。根據以上條件，得到熱水系統的設計參數(如表 2所示)，并計算得到生活熱水貯水箱容積為9.5 m3，設循環熱水的循環加熱溫升為5 ℃，則循環熱水的設計水流量為21 450 kg/h。

圖2 多功能地源熱泵系統示意圖Fig.2 Sketch of multi-function GSHP system

圖3 熱水日用水量變化曲線Fig.3 Profile of daily domestic hot water consumption

表2 生活熱水系統設計參數Table 2 Design parameter for domestic hot water system

1.4 常規熱泵機組模型

采用特性參數估計的方法建立常規水?水熱泵機組模型。該模型的計算流程如下：

(1) 輸入已知參數蒸發器進水溫度Twi,e和流量，冷凝器進水溫度Twi,c和流量以及確定熱泵機組運行性能(制冷和制熱工況)的8個特性參數(如表3所示)；

(2) 假定熱泵制冷量(或蒸發器吸熱量)Qeo和冷凝器釋熱量(或制熱量)Qco；

(3) 計算蒸發溫度和冷凝溫度，調用制冷劑物性參數數據庫求出蒸發壓力、冷凝壓力、蒸發器進出口焓值、壓縮機進口比容；

(4) 計算制冷劑質量流量和壓縮機輸入功率Whp；

(5) 計算熱泵實際制冷量(或蒸發器吸熱量)Qe和冷凝器釋熱量(或制熱量)Qc；

表3 熱泵運行特性參數最優值Table 3 Optimum value of estimated characteristic parameters

熱泵特性參數的確定方法如下：定義蒸發器進水溫度和流量、冷凝器進水溫度和流量及其所對應的熱泵制冷量(或制熱量)和功率為 1個數據列；熱泵產品樣本中會提供多個數據列表示熱泵性能，根據樣本中提供的不同蒸發器進水溫度和流量、冷凝器進水溫度和流量計算出對應的Qe，Qc和Whp，取式(1)所示目標函數的最小值，即獲得所對應的8個特性參數的最優值，并將其作為地源熱泵系統的運行參數。

式中：Qcat和Wcat分別為樣本中提供的與不同蒸發器進水溫度和流量、冷凝器進水溫度和流量對應的制冷量(或制熱量)和功率；Q和W分別為計算得到的制冷量(或制熱量)和功率；n為樣本中數據列的總數；i為樣本中的第i個數據列。

1.5 多功能熱泵機組模型

在上述常規熱泵模型基礎上，建立制冷、制熱和制熱水多功能熱泵機組模型，可實現熱泵制冷、制熱、制熱水和制冷熱回收4種運行工況的模擬。模型中采用了以下假設：

(1) 多功能熱泵制冷、制熱工況下的特性參數與常規熱泵對應工況下的特性參數相同，制熱水工況與制熱工況下的特性參數相同；

(2) 在制取生活熱水時，須首先滿足建筑物冷、熱負荷的需求；

(3) 制冷熱回收工況下能回收全部冷凝顯熱。

計算過程中，需首先根據室內冷、熱負荷和負荷因子f的情況確定熱泵的運行工況。其中，負荷因子為單位時間內室內冷(熱)負荷與熱泵實際的制冷(熱)量的比值，表示熱泵處于制冷(熱)工況運行的時間比例。熱泵的運行工況可按以下3種情況確定：

(1) 當熱泵制冷運行且負荷因子大于0.5時，熱泵運行于制冷熱回收工況，此時熱泵的冷凝顯熱全部用于加熱生活熱水，模型的計算步驟如下：

(a) 通過熱泵模型得到制冷量Qload，全部冷凝熱Qc，冷凝顯熱Qc,dhw，壓縮機輸入功率Whp；

(b) 循環熱水出水溫度為：

式中：θin,dhw為循環熱水進水溫度，℃；cp為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；m˙w,dhw為循環熱水設計流量，kg/s。

(c) 熱源側的出水溫度為：

(2) 當熱泵制冷運行且負荷因子小于0.5時，熱泵運行于制冷和制熱水工況共存的狀態下。假設熱泵在2種運行模式下熱源側的進水溫度和水流量相同，此時模型的計算步驟如下：

(a) 熱泵按制冷模式運行得到熱泵總制冷量Qload(符號為負)、全部冷凝熱Qc(符號為負)和壓縮機輸入功率Whp；

(b) 熱泵按制熱水模式運行得到蒸發器吸熱量Qe,dhw(符號為正)、冷凝器釋熱量Qc,dhw(符號為正)和壓縮機輸入功率Wdhw；

(c) 利用式(2)計算循環熱水出水溫度；

(d) 熱源側出水溫度為：

(3) 當熱泵制熱運行時，熱泵需首先處于制熱工況運行以滿足建筑熱負荷需求，然后在其剩余時間內運行于制熱水工況來制取生活熱水。模型的計算步驟如下：

(a) 熱泵按制熱模式運行得到熱泵總制熱量Qload、熱源側的吸熱量Qe,hp和壓縮機輸入功率Whp；

(b) 熱泵按制熱水模式運行得到熱水制熱量Qc,dhw、熱源側的吸熱量Qe,dhw和壓縮機輸入功率Wdhw；

Box-Behnken響應面法優化蓽茇總生物堿的提取工藝研究…………………………………………………… 楊家強等（13）：1802

(c) 循環熱水出水溫度按式(2)計算；

(d) 熱源側出水溫度為：

1.6 多功能地源熱泵系統模型

在上述多功能熱泵機組模型的基礎上，耦合地埋管換熱器模塊、建筑負荷輸入模塊、生活熱水貯水箱模塊、氣象數據輸入模塊以及用于參數計算的方程運算器及控制模塊，建立非穩態的多功能地源熱泵系統模型。圖 4所示為多功能地源熱泵系統模型在TRNSYS中各模塊連接的示意圖。模型在t時刻的計算流程如下：

(1) 給定熱泵負荷側進水溫度和水流量以及熱源側水流量，把地埋管換熱器模塊在上一時刻的出水溫度作為熱泵熱源側進水溫度，從建筑負荷輸入模塊中得到t時刻室內負荷，并計算負荷因子；

(2) 利用多功能熱泵模塊得到t時刻熱源側出水溫度和平均水流量、實際輸入功率和循環熱水出水溫度，進而利用貯水箱模塊得到生活熱水供水溫度；

(3) 利用地埋管換熱器模塊計算t時刻地埋管出水溫度。

2 結果與討論

2.1 土壤熱平衡分析

圖5所示為常規地源熱泵系統和多功能地源熱泵系統連續運行10 a的地埋管周圍土壤平均溫度變化曲線。多功能系統運行10 a后，土壤平均溫度為23.9 ℃，與初始地溫19.3 ℃相比上升了4.6 ℃，平均每年上升0.46 ℃，并且土壤溫度上升幅度有逐年減緩的趨勢。常規地源熱泵系統在地埋管長度分別為3.5 km和5.7 km時，系統運行10 a后，土壤溫度分別達到了27.8 ℃和27.0 ℃。通過對比發現，在相同地埋管長度下，多功能系統的土壤溫度比常規系統降低了3.9 ℃；即使常規系統的地埋管長度增加至冷負荷所對應的長度，其土壤溫度仍比多功能系統時高3.1 ℃。可見：應用多功能系統可有效緩解夏熱冬冷地區地源熱泵系統的土壤吸釋熱不平衡問題。

圖5 逐時土壤溫度變化曲線Fig.5 Hourly soil temperature profiles

2.2 系統能耗分析

多功能地源熱泵系統能耗主要包括熱泵能耗、地埋管環路水泵能耗、循環熱水環路水泵能耗和輔助電加熱器能耗。通過模擬計算，得到系統運行1 a的能耗為138 406 kW·h。圖6所示為全年每月的系統總能耗。可見：該系統在夏季能耗較高，冬季能耗次之，春秋季能耗最少。這是因為夏季的冷負荷較高造成的熱泵機組能耗偏高；同時，在夏季熱泵運行工況中制冷熱回收工況占了很大的比例，而該工況下回收的熱量不能完全滿足加熱生活熱水的要求，需要開啟輔助電加熱器，增加了系統能耗。在冬季或春秋季運行時，熱泵在制熱水工況下基本能滿足生活熱水的需求。

圖6 逐月系統總能耗Fig.6 Monthly energy consumption

2.3 對比分析

考慮對同一建筑采用空氣源熱泵滿足建筑物的冷熱負荷和用電熱水器提供生活熱水(以下簡稱為傳統系統)，通過 TRNSYS對傳統系統進行能耗模擬，并與多功能地源熱泵系統進行能耗和全生命周期經濟性對比。假設不考慮冬季結霜對熱泵性能的影響，電熱水器的輸入功率恰好能滿足生活熱水需熱量的要求。額定工況下空氣源熱泵總制冷量 130 kW，總功率44.8 kW；總制熱量165 kW，總功率43.4 kW。

2.3.1 能耗對比分析

傳統系統的能耗包括空氣源熱泵的能耗和電熱水器的能耗。運行1 a后，空氣源熱泵的能耗為74 182 kW·h，電熱水器的能耗為 183 525 kW·h，總能耗為257 707 kW·h。因此，比傳統系統相比，多功能地源熱泵系統可節省46%的能耗。另外，如考慮空氣源熱泵冬季結霜對其性能的影響，傳統系統的能耗將更大，采用多功能地源熱泵系統的優勢將更明顯。

2.3.2 全生命周期經濟性對比

采用費用現值作為評價指標對2個系統在全生命周期內的經濟性進行比較。費用現值由初投資和系統每年運行費用2部分組成。假設2個系統的初投資差異僅體現為地源熱泵系統比傳統系統增加了地埋管換熱器的初投資，地埋管換熱器的初投資按 200 元/m計算。因此費用現值C的計算公式[15]可表示為：

式中：n為系統進行經濟性分析的周期，a；C0為初投資，元；Wt為系統第t年的總能耗，kW·h；P0為第0年時的電價，元/(kW·h)；d為電價的每年增長率，%；i為基準折現率，%。

假設系統生命周期為 20 a，第 0年電價為 1元/(kW·h)，電價的年增長率為 6%，基準折現率為10%。圖7所示為全生命周期的費用現值對比。從圖7可以看出：多功能地源熱泵系統在運行20 a后的費用現值(261.4 萬元)比傳統系統的總投資(357.8 萬元)節省了 96.4 萬元，節約率達到了 27%。多功能地源熱泵系統在運行到第 7年時費用現值即開始少于后者，也就是說采用地源熱泵系統的投資回收期為7 a。

通過改變電價的年增長率和基準折現率，對2個系統全生命周期的費用現值進行敏感性分析。表4所示為2個系統的敏感性分析結果。可以看出：改變電價的年增長率或改變基準折現率后，多功能地源熱泵系統的費用現值仍較小，費用現值節約率為7%～40%，投資回收期為5～12 a。

圖7 全生命周期的費用現值對比Fig.7 Comparison of cost present value of life cycle

表4 敏感性分析Table 4 Sensitive analysis

3 結論

(1) 在夏熱冬冷地區應用多功能地源熱泵系統可明顯緩解地下土壤全年釋熱量與吸熱量的不平衡性，保證系統多年運行效果的穩定性。

(2) 在多功能地源熱泵系統中，由于夏熱冬冷地區冷熱負荷的特點以及熱泵制熱水方式的不同，因此夏季系統總能耗最高，冬季次之，春秋季最低。

(3) 多功能地源熱泵系統與傳統系統相比，每年系統總能耗可以節省46%。生命周期內的費用現值節約率變化范圍為 7%～40%，投資回收期變化范圍為5～12 a。

[1] Mustafa O A.Ground-source heat pumps systems and applications[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2008, 12(2): 344?371.

[2] Lund J, Sanner B, Rybach R, et al.Geothermal (Ground Source)heat pumps: A world overview[J].GHC Quarterly Bulletin, 2004,25(3): 1?10.

[3] Kavanaugh S P.Impact of operating hours on long-term heat storage and the design of ground heat exchangers[J].ASHRAE Transactions, 2003, 109(1): 187?192.

[4] 胡松濤, 郭瀟瀟, 李緒泉.地源熱泵技術在生活熱水供應中的應用[J].流體機械, 2007, 35(9): 62?64.HU Songtao, GUO Xiaoxiao, LI Xuquan.Application of ground source heat pump to domestic hot water supply[J].Fluid Machinery, 2007, 35(9): 62?64.

[5] Biaou A L, Bernier M A.Achieving total domestic hot water production with renewable energy[J].Building and Environment,2008, 43(4): 651?660.

[6] CUI Ping, YANG Hongxing, Spitler Jeffrey D, et al.Simulation of hybrid ground-coupled heat pump with domestic hot water heating systems using HVACSIM+[J].Energy and Buildings,2008, 40(9): 1731?1736.

[7] Li S, Yang W, Zhang X.Soil temperature distribution around a U-tube heat exchanger in a multi-function ground source heat pump system[J].Applied Thermal Engineering, 2009, 29(17/18):3679?3686.

[8] TRNSYS.TRNSYS 16-a transient system simulation program[R].Madison: Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin-Madison, 2006.

[9] GB 50189—2005, 公共建筑節能設計標準[S].GB 50189—2005, Design standard for energy efficiency of public buildings[S].

[10] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室, 清華大學建筑技術科學系.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[M].北京: 中國建筑工業出版, 2005: 51?58.Climate Information Center, Climate Data Office of China Meteorological Bureau, Department of Building Science and Technology of Tsinghua University.China standard weather data for analyzing building thermal conditions[M].Beijing: China Building Industry Publishing House, 2005: 51?58.

[11] GB 50366—2005, 地源熱泵系統工程技術規范[S].GB 50366—2005, Technical code for ground-source heat pump system[S].

[12] Bernier M A.Ground-coupled heat pump system simulation[J].ASHRAE Transactions, 2001, 107(1): 605?616.

[13] GB 50015—2003, 建筑給水排水設計規范[S].GB 50015—2003, Code for design of building water supply and drainage[S].

[14] ASHRAE.2007 ASHRAE Handbook: HVAC Applications,chapter 49 Service water heating[M].Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.2007: 11?12.

[15] 龍惟定.建筑節能與建筑能效管理[M].北京: 中國建筑工業出版社, 2005: 80?83.LONG Weiding.Building saving energy and building energy efficient management[M].Beijing: China Building Industry Publishing House, 2005: 80?83.