大連某超低能耗別墅水平地埋管地源熱泵系統應用*

大連理工大學 仝 倉 李祥立 端木琳

0 引言

地源熱泵系統作為一種清潔高效的供能系統，常應用于各類建筑。豎直地埋管地源熱泵系統由于占地面積較小、性能穩定等優勢，在實際工程應用中(特別是國內)占據較大比例[1]。但近年來，隨著近零能耗建筑及其相關技術發展和推廣，新建建筑的耗熱量指標呈明顯下降趨勢[2-5]，因此地源熱泵為低負荷建筑供冷/供熱時，所需的地埋管長度隨之下降，無需過大的占地面積。對于這種超低能耗建筑能源系統的選擇，特別是北方地區位于城郊和農村的大量單體居住建筑，是否仍可以憑借“經驗”值得商榷。在此背景下，水平地埋管地源熱泵系統作為一種價格低廉、施工便捷的供能系統[6]，是否適合應用于超低能耗建筑值得探討。

國內學者利用數值模擬法研究了土壤物性、埋管深度、管間距、地表保溫層和降水對水平埋管換熱器性能的影響[7-11]。結果表明：增加埋深、強化土壤導熱能力、擴大管間距、鋪設保溫層和降水有利于提高水平地埋管換熱器單位時間內的換熱量。高巖等人運用實驗法對水平地埋管換熱器進行了研究，結果表明：熱傳遞對水平地埋管換熱器性能影響較大，由密度變化引起的濕傳遞對其影響可以忽略[12]。國外方面，Gan對水平地埋管換熱器周圍土壤的熱恢復特性進行了研究，結果表明淺地層土壤易受地表因素影響，熱恢復能力較強[13]。Fujii等人研究了層間距對雙層水平地埋管換熱器換熱特性的影響，給出了0.5 m的最佳層間距[14]。Wu等人研究了土壤含水量對水平地埋管換熱器的影響，結果表明：土壤含水量的增加有利于提高地埋管換熱器換熱效率，縮短地埋管長度[15]。Selamat等人研究了水平地埋管換熱器的管材和擺放形式對其換熱速率的影響，結果表明：水平環形換熱器的管材由高聚乙烯管換成銅管后，換熱性能提高了16%；環形換熱器由水平鋪設改為豎直鋪設后，換熱性能提高了14%[16]。Florides等人對比了水平地埋管和豎直地埋管換熱器在相同管長和管間距工況下的出水溫度，結果表明：在進水溫度相同條件下，換熱器換熱達到準穩態后，水平蛇形管換熱器的出水溫度低于豎直埋管換熱器[17]。Congedo等人[18]和Dasare等人[19]利用Fluent軟件對比了單直管、環形管和螺旋形水平地埋管換熱器的換熱性能，結果表明：螺旋形換熱器的單位土壤長度換熱量最大，但它的安裝費用最高。

綜上所述，前人主要關注了各影響因素對水平地埋管換熱器性能的研究，而對水平地埋管地源熱泵系統整體研究較少，特別是水平地埋管地源系統應用在低負荷背景下的運行特性和經濟及環境效益有待研究。本文借助于TRNSYS軟件，建立了三維水平地埋管換熱模型，搭建了水平地埋管地源系統，對熱泵系統長期的運行特性進行研究分析，并與相同負荷下豎直U形地埋管地源熱泵系統的經濟和環境效益進行對比，得到了適用于低負荷建筑的最佳的熱泵形式，對以后的工程應用具有一定的指導意義。

1 建筑負荷計算

某獨棟建筑位于遼寧省大連某別墅小區(寒冷氣候區)，建筑分2層，南北朝向，建筑面積約為280 m2，空調面積約為245 m2，建筑體形系數為0.48。該建筑占地面積約為143 m2，長和寬分別為13 m和11 m。由于遼寧地區暫無超低能耗建筑設計規范，故該建筑按DB 13(J)/T273—2018《被動式超低能耗居住建筑節能設計標準》[20](下文簡稱《標準》)進行設計，應用了高性能外圍護結構、節能電器、高效的冷熱回收等技術降低建筑負荷。建筑內常住人口為6人，室內設計溫度為26 ℃/20 ℃(夏/冬)，相對濕度為30%～60%，換氣次數為0.4 h-1。建筑的圍護結構熱工設計參數如表1所示，均滿足《標準》要求。室內電器使用率及人員在室率如圖1所示，空調開啟時間根據人員在室率確定，全年供冷時間為7月1日至8月31日，供熱時間為11月5日至次年4月5日。經過DeST軟件負荷計算，該建筑的全年逐時負荷如圖2所示，建筑全年累計熱負荷為3 648.76 kW·h，最大熱負荷為9.5 kW；全年累計冷負荷為2 615.23 kW·h，最大冷負荷為13.28 kW；年供暖和供冷需求分別為14.89、10.67 kW·h/(m2·a)，均小于《標準》中能耗指標(年供熱/冷需求≤15 kW·h/(m2·a))，故該別墅屬于超低能耗建筑。

表1 建筑圍護結構的熱工參數

圖1 電器使用率和人員在室率

圖2 建筑全年逐時負荷

2 熱泵系統搭建與數學模型

2.1 熱泵系統搭建

利用TRNSYS平臺搭建地源熱泵系統，如圖3所示。地源熱泵系統由熱泵機組、末端用戶、水泵、控制系統和地埋管換熱器組成。選用某廠家高效水源熱泵機組，額定制熱量為15 kW，額定制熱COP為4.4；額定制冷量為13.5 kW，額定制冷EER為5.1。通過監測用戶側回水溫度實現對熱泵的控制，將壓縮機出力分為四級，具體控制策略如表2所示。地埋管換熱器中包括了水平蛇形地埋管換熱器和豎直U形地埋管換熱器，通過切換地源側分集水器可分別模擬2種埋管的運行工況。地埋管內介質均為軟化水，主要物性參數如表3所示。針對文中的末端建筑，地埋管換熱器的設計應滿足以下約束條件：假定該建筑周邊地下可使用區域不應超過相鄰2棟建筑間距中線，根據GB 50368—2005《住宅建筑規范》[21]和GB 50016—2014《建筑設計防火規范》[22]關于建筑間距的相關規定，該棟建筑可鋪設地埋管換熱器區域為21 m×15 m；夏季運行地埋管出口最高溫度不宜超過33 ℃，冬季流體溫度宜高于4 ℃。另外，由于地源熱泵系統是初投資較大的高效能源系統，根據GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應用工程評價標準》的規定，地源熱泵系統的供熱季平均COPs應大于2.6，制冷季平均EERs應大于3.0。以上述約束條件為前提，2種地埋管換熱器根據文獻[23]提供的方法和推薦值進行設計，具體參數如表4所示,由于水平地埋管所需面積較大，將其設置為雙層，層間距為0.5 m。為了確保地埋管安全，上層地埋管深度為2 m，距大連地區凍土層1.1 m[24]，水平地埋管布置如圖4所示。

圖3 地源熱泵系統圖

表2 熱泵機組控制策略

表3 地源熱泵系統主要物性參數

表4 地埋管換熱器主要設計參數

圖4 水平地埋管布置

2.2 數學模型

地埋管換熱器的數學模型是能否正確反映土壤熱響應特性的關鍵。豎直U形地埋管換熱器使用的是基于線熱源的DST模型[25]。而水平蛇形地埋管換熱器使用的是TRNSYS軟件自帶的Type 997 horizontal模塊。該模塊使用全隱迭代數值算法，土壤區域使用三維擴散方程作為傳熱模型，管道部分傳熱模型簡化為一維非穩態對流能量方程，即認為管道內部流動已充分發展，且流量恒定不變，僅考慮管內主流方向對流項，忽略其他方向對流項，管壁與管內流體換熱量作為方程的源項[26]。邊界條件和初始條件使用Kusuda一諧波土壤未擾動溫度模型進行轉化，如式(1)所示。當Z=0時，t(0,τ)作為計算域內的土壤上邊界，其余邊界均為絕熱邊界。當τ=τs(τs為計算開始時間)時，t(Z,τs)作為計算域初始溫度。

(1)

式中Z為深度，m；τ為時間，s；tM為全年空氣平均溫度,大連地區為12.5 ℃；Aw為土壤表層全年空氣溫度的波幅，大連地區為20 ℃；αs為土壤的熱擴散率，m2/s；P為計算周期,取31 536 000 s；τ0為土壤表層全年空氣最低溫度出現時刻，本文取3 283 200 s時。

3 水平地埋管地源熱泵系統運行特性及經濟性分析

3.1 系統運行特性

借助上述數值模型，分析了水平地埋管地源熱泵系統在低負荷背景下的運行特性。系統中水源熱泵機組于11月5日至次年4月5日執行供熱模式，7月1日至8月31日執行供冷模式。用戶側供回水溫度如圖5所示。由圖5可知，供熱季用戶側的供水溫度在45 ℃上下波動，用戶側的回水溫度在40 ℃上下波動。但隨著室外氣溫降低，特別是在熱負荷較大的1、2月份，用戶側的供回水溫度逐漸降至極值點，供水最低溫度為40.1 ℃，回水最低溫度為36.4 ℃，這是由于熱泵持續從土壤中取熱，土壤溫度降低導致地埋管的出水溫度逐漸下降(見圖6)，造成了熱泵壓縮機出力不足，供水溫度難以維持在45 ℃；供冷季用戶側供水溫度在6.5～11.9 ℃波動，回水溫度在7.4～15.1 ℃波動。供熱季和供冷季用戶側最不利供水溫度與室內設計溫度的差值分別為20.1 ℃和14.1 ℃，若用戶末端采用風機盤管調節溫度，該水平地埋管熱泵系統基本可以滿足需求。

圖5 水平地埋管熱泵系統用戶側供回水溫度

圖6 水平地埋管換熱器進出口溫度

地埋管換熱器進出口溫度如圖6所示。供熱季地埋管進出口溫度隨著熱泵的連續運行逐漸降低，而供冷季地埋管進出口溫度隨著熱泵的連續運行逐漸升高，每年地埋管換熱器的最高和最低出水溫度已在圖6中標注，溫度極值均滿足第2.1節的水溫約束條件。圖6中3年地埋管平均出水溫度呈上升趨勢，反映出土壤年平均溫度有所升高，這是由于每年熱泵機組對埋管區域的土壤的釋熱量多于取熱量造成的。通常地源熱泵應用于寒冷地區居住建筑時，易出現冷堆積現象，但超低能耗建筑在使用高性能圍護結構和高效熱回收技術后，熱負荷可大幅度降低，而冷負荷主要受室內熱源影響，無大幅度減少[27-28]，故熱冷負荷比下降，系統全年釋熱量和取熱量發生改變。以第1年運行工況為例，熱泵機組供熱平均COP為3.47，機組耗電量為1 051.41 kW·h；制冷平均EER為4.91，機組耗電量為567.73 kW·h；對土壤的取熱量和釋熱量分別為2 597.0 kW·h和3 355.3 kW·h，即釋熱量高于取熱量(比例為1.29)，造成土壤溫度整體上升，但溫升微小，且幅度逐年減緩，具有再達到熱平衡趨勢，表明水平地埋管地源熱泵系統在其壽命周期內可維持穩定運行。

3.2 系統經濟效益和環境效益分析

豎直地埋管和水平地埋管均可應用于地源熱泵系統中，但對于低負荷獨棟建筑，應用哪種埋管形式的效果更佳值得探討。熱泵供能系統在其壽命周期內的經濟效益和環境效益是評價該系統效果的主要指標，本文分別對在相同負荷下水平地埋管和豎直U形管換熱器地源熱泵系統的經濟費用和二氧化碳、二氧化硫、粉塵等污染物減排量進行計算，對比分析2種系統形式的優劣，并給出最佳系統形式。

使用費用年值評價以上2種系統的經濟性。

(2)

式中E為費用年值；Co為系統初投資，本文主要指挖掘溝槽費用和管材費用，根據大連地區市場調研結果，熱泵機組價格為28 000元，挖掘溝槽單價為7元/m3，管材為10元/m(含鋪設管道人員酬金)，與熱泵系統匹配的水泵價格為280元，建筑物內末端換熱系統價格為2 100元，鉆井費用為120元/m(含管材和人員酬金費用);i為基準折現利率，取7%；n為系統壽命，取15年；Ck為系統年運營費用，包括系統運行費用和維護費用，運行費用主要是系統運行消耗電能產生的電費，通過系統動態的小時COP計算可得到系統的逐時耗電量，將逐時耗電量進行累加得到系統全年總耗電量，將系統全年總耗電量與當地清潔能源補貼電價(大連地區為0.837元/(kW·h))相乘即可得到系統全年運行所需的電費，即運行費用，每年的維護費用為初投資的0.8%。

溝槽土方量按式(3)計算：

(3)

式中V為溝槽土方量，m3；B為水平地埋管換熱器的管間距,m；L為水平地埋管換熱器的管長,m；l為管排中單管的長度,取14.4 m；H為溝槽深度，m。

經計算，2種系統的費用明細如圖7所示。水平地埋管地源熱泵系統初投資為39 054元，遠低于豎直地埋管地源熱泵系統，約為后者的59.1%。而前者的年運行費用略高于后者，約為后者的1.15倍，這是因為供熱季豎直地埋管的水溫要高于水平地埋管，而供冷工況時豎直地埋管的水溫要低于水平地埋管(見圖6、8)，導致豎直地埋管熱泵的系統效率高于水平地埋管熱泵系統。如圖9所示，水平地埋管地源熱泵系統供熱季平均COP為2.78，供冷季平均EER為4.09，系統全年平均COP為3.23，均高于第2.1節的約束指標；而豎直地埋管地源熱泵系統供熱季平均COP為3.28，供冷季平均EER為4.48，全年平均COP為3.71。豎直地埋管地源熱泵系統具有較穩定的低溫熱源(匯)，而水平地埋管換熱器所處的淺地層易受地表因素影響，特別是1—2月份，在地表溫度較低時水平系統的土壤溫度低于豎直系統所在的溫度環境，導致熱泵系統效率較低。但總體而言，水平地埋管地源熱泵系統經濟性仍優于豎直地埋管地源熱泵系統，前者的費用年值僅為后者的67.9%。

圖7 2種地源熱泵系統的費用明細

圖8 豎直地埋管換熱器進出口溫度

圖9 2種地源熱泵系統的系統效率

地源熱泵系統作為一種清潔供能系統，所帶來的環境效益不容忽視。通過計算2種地源熱泵系統的減排量分析其環境效益。地源熱泵系統CO2、SO2和粉塵減排量計算如下：

(4)

式中Q為減排量，下標CO2、SO2、fc分別代表二氧化碳、二氧化硫和粉塵，kg；Qs為標準煤代替量，可根據式(5)計算，kg；V為標準煤的排放因子，二氧化碳、二氧化硫和粉塵分別為2.47、0.02和0.01。

(5)

式中QH為供熱季累計熱負荷，MJ；ηt為常規能源系統運行效率，取0.7；q為標準煤熱值，取29.307 MJ/kg；D為每kW·h電折合所耗標準煤量，取0.32 kg/(kW·h)；QC為供冷季累計冷負荷，MJ；EERt為傳統制冷空調系統能效比，取2.3；Wg為地源熱泵系統全年耗電量，kW·h。

2種系統與傳統能源系統相比每年帶來的環境效益如表5所示。由于豎直地埋管換熱器熱泵系統耗電量低于水平地埋管換熱器熱泵系統，即一次能源消耗量減小，帶來的環境效益更高。

綜上，水平地埋管地源熱泵系統的經濟性優于豎直地埋管地源熱泵系統，但水平地埋管地源熱泵系統的環境效益卻低于后者。對于此類情況，通常可采用層次分析法評價，但層次分析法權重選取易

表5 2種地源熱泵系統的環境效益及綜合效益

受主觀因素影響。鑒于此，將環境效益貨幣化，統一轉化為經濟性指標對系統進行評價。由于我國排污權有償使用交易體系仍在試點階段，遼寧地區暫無具體交易價格，采用北京市碳排放交易所和文獻[29-30]中的價格進行計算，CO2轉讓交易費用為86元/t，SO2轉讓交易費用為6 000元/t，粉塵轉讓交易費用為500元/t，排污權的轉讓或出售可減少清潔能源系統的運營費用。修正后的費用年值如表5所示。水平地埋管地源熱泵系統費用年值是豎直地埋管地源熱泵系統的67.6%，前者的綜合效益仍優于后者。

4 結論

水平地埋管地源熱泵系統應用于超低能耗獨棟建筑可在壽命周期內穩定運行。水平地埋管地源熱泵系統全年平均COP為3.23，供熱季平均COP為2.78，供冷季平均COP為4.09，高于傳統能源系統。水平地埋管地源熱泵系統雖運行費用和環境效益劣于豎直地埋管系統，但其經濟性和壽命周期內系統綜合效益仍優于后者，是可應用于超低能耗建筑的優良能源系統。上述結論是基于單體超低能耗建筑得到，具有一定局限性，在后續的研究中將對多個氣候區典型超低能耗建筑的能源系統進行分析，擴展結論的適用性。