空氣源輔助地源復合式熱泵系統適宜性模擬研究

陳翔宇 敬麗君 王 軍 敬成君

（四川大學建筑與環境學院 成都 610065）

0 前言

隨著我國經濟的不斷發展以及城鎮化進程的推進，建筑面積不斷增加，建筑能耗也隨之增加。2017年，我國建筑能源消費總量9.47 億噸標準煤，占全國能源消費總量的21.10%[1]。地源熱泵技術因其高效、節能、運行可靠的特點漸漸進入公眾視線。而隨著研究發現，地源熱泵在為冷熱負荷并不平衡的建筑供冷供熱過程中，所累積的土壤熱不平衡率會導致地源熱泵系統能效逐年衰減，因此地源熱泵系統需要輔以其他空調系統配合使用，即復合式地源熱泵，艾民[2]和楊興林[3]分別利用DeST 軟件和TRNSYS 軟件研究了復合式地源熱泵系統的可行性與經濟性，結果都表明復合式地源熱泵系統優于傳統地源熱泵系統。

然而目前國內外對復合式地源熱泵的研究主要集中于冷卻塔、冷水機組輔助地源熱泵系統，祝立萍[4]和李營[5]研究了冷卻塔輔助地源熱泵復合式系統運行控制策略，分別針對住宅小區和辦公建筑的復合式系統提出了最佳運行控制策略，Zhang[6]建立了一種冷卻塔輔助地源熱泵復合式系統的模擬模型，以量化不同控制策略對系統性能的影響。盡管這兩種復合式地源熱泵形式的確有效解決了傳統地源熱泵系統土壤熱不平衡的問題，但冷卻塔存在效率較低的問題，常規的冷水機組則存在系統復雜、初投資大的問題，并不能實現最大化的節能高效。此外，國內外關于太陽能輔助地源熱泵的復合式系統的研究也有許多，Chen[7]從能源、經濟和環境等方面研究太陽能輔助地源復合式熱泵的性能，并認為其性能優于傳統地源熱泵。但太陽能輔助加熱復合式地源熱泵存在地域限制的問題，在太陽能資源并不豐富的地區無法推廣。

在空氣能被納入可再生能源之后，空氣源輔助地源熱泵的復合式熱泵系統開始進入大眾的視野。該系統不僅可以解決兩種負荷矛盾情況下土壤的熱不平衡問題，而且適用地區范圍更廣。本文分別以冷負荷為矛盾的地區（成都、鄭州）和熱負荷為矛盾的地區（拉薩）為分析對象。對比目前常見的復合式地源熱泵系統，分析空氣源輔助地源復合式熱泵系統的適宜性。

1 研究對象

1.1 研究對象概況

模擬選取建筑為某辦公建筑。該辦公建筑地上兩層，建筑層高4.8 米，如圖1所示。建筑總面積為1425.60m，其中非空調區域為270.54m 。房間功能主要為辦公室、會議室和大廳。

圖1 某辦公建筑模型圖Fig.1 Model of an office building

1.2 空調系統參數

該建筑在成都的設計冷負荷為185kW，設計熱負荷為96kW，傳統地源熱泵供暖季累計吸熱量為32533.6kWh，空調季累計排熱量為95273kWh。在冷負荷為主要矛盾的情況下制定兩種空調系統，方案一為空氣源輔助地源熱泵系統，地源熱泵機組額定制冷量為92kW，額定制熱量為96kW，打井數18 口，空氣源熱泵機組制冷量為163kW。方案二為冷卻塔輔助散熱復合式地源熱泵系統，地源熱泵機組制冷量為185kW，打井數18 口，冷卻塔水量38m /h。

由于成都土壤熱不平衡率較大達到65%，為了全面分析空氣源輔助地源復合式熱泵系統，計算得該建筑在鄭州的設計冷負荷為186kW，設計熱負荷為148kW，傳統地源熱泵地埋管累積吸熱量91214kWh，累積排熱量為117351kWh，土壤熱不平衡率22.21%。同時，也制定兩種空調系統，方案三為空氣源輔助地源熱泵系統，地源熱泵額定制熱量為148kW，空氣源熱泵制冷量為64kW，打井數20 口。方案四為冷卻塔輔助散熱復合式地源熱泵系統，地源熱泵機組額定制冷量為186kW，打井數20 口，冷卻塔水量40m /h。

在以熱負荷為矛盾的地區，基本上采用輔助熱源進行補熱。最常見的形式為鍋爐輔助加熱復合式地緣熱泵。因此，本文計算了該建筑在拉薩的設計冷熱負荷，分別為60kW，131kW。方案五選用一臺制冷量為60kW，制熱量45kW 的地源熱泵機組，打井數11 口，一臺制熱量86kW 的空氣源熱泵。方案六選擇一臺制熱量50kW 的地緣熱泵機組，打井數11 口，一臺制熱量86kW 的燃氣鍋爐。六種空調系統選型配置詳見表1。

2 模擬方法及條件

2.1 EnergyPlus 模型簡介

本文采取EnergyPlus 對建筑負荷、設備制冷量以及耗電量進行模擬。1996年美國能源部開始籌劃基于DOE-2 和BLAST 開發EnergyPlus，2001年發布了EnergyPlusVersion1.0，目前已經更新到EnergyPlus8.9.0 版本[8]。

地源熱泵機組是復合式地源熱泵模型中不可或缺的一部分，EnergyPlus 包含水-空氣熱泵和水-水熱泵的模型，Jin 等人[9,10]提出了參數估計模型，利用制造商目錄數據用于計算參數，以便使用全局優化算法最小化誤差。Shenoy 提出了方程擬合模型，該模型根據制造商樣本手冊得到6 個制冷/熱系數Capacity Coefficient 和Power Consumption Coefficient，設定好名義制冷量，功率，負荷側及源側的流量即可使用，使得模擬更具有實際性，因此本文選擇使用方程擬合模型。地源熱泵系統冷凝側由垂直地埋管組成使用地環路換熱器（GLHE，Ground Loop Heat Exchanger），它將熱量輸送到地面或從地面輸送出去，本文所采用的GLHE 模型是基于Esilson 建立的垂直井眼模型[11]。根據成都地泵熱響應測試報告，土壤初始溫度為19.7℃，巖土綜合導熱系數為2.13W/(m ·K)。

2.2 工況條件

本次模擬室外氣象參數分別采用EnergyPlus中的成都、鄭州、拉薩氣象參數，室內設計參數如表2所示。

3 結果分析與討論

3.1 冷負荷為矛盾地區適宜性分析

本節通過對成都地區方案一和方案二以及鄭州地區方案三和方案四的軟件模擬，得到系統相關數據，整理如下。

3.1.1 成都地區

通過EnergyPlus 模擬兩種方案第一年的運行數據，統計空調季設備的耗電量、地埋管累計吸排熱量結果如表3所示。

表3 不同方案累計耗電量對比分析（單位：kWh）Table 3 Comparative analysis of the cumulative power consumption of different schemes

方案一空調季系統累計耗電量為29034kWh，方案二系統累計耗電量為29969kWh，從系統能效來看，空氣源輔助優于冷卻塔輔助。兩種方案冬季熱負荷全都由地源熱泵機組承擔，在土壤熱不平衡率為0%的前提下，系統能效基本無差別。供暖季累計耗電量為19535kWh。兩種方案經濟指標如表4所示，可以看出冷卻塔初投資較低，方案二整個復合式地源熱泵系統初投資比方案一低3.45 萬元，成本增量較小，方案一的凈現值率NPVR 小于方案二。又因為初投資高，方案二的靜態投資回收期為8.78 大于方案一，但在8.78年后，每年均可節約4129 元的運行費用，考慮利率的影響，其凈現值NPV 指標小于方案一。因此，從復合式地源熱泵系統的經濟性指標來看，方案二的輔助設備冷卻塔初投資較小，運行費用較高，系統的靜態投資回收期和凈現值率要高于方案一。

表4 方案一、二經濟性指標Table 4 Scheme 1 and 2 Economic Indicators

復合式地源熱泵綜合性能評價得分結果如表5所示，雖然方案二能耗略高于方案一，但由于冷卻塔經濟性優于方案一。綜合各指標得分，方案二綜合評價得分6.59 分高于方案一6.14 分。因此在保證地埋管冬夏吸排熱平衡額定情況下，冷卻塔輔助散熱復合式地源熱泵系統優于空氣源輔助地源復合式熱泵系統。

表5 方案一、二綜合性能打得分表Table 5 Scheme 1,2 comprehensive performance score table

3.1.2 鄭州地區

通過EnergyPlus 模擬兩種方案第一年的運行數據，統計空調季設備的耗電量、地埋管累計吸排熱量結果如表6所示。

表6 不同方案累計耗電量對比分析（單位：kWh）Table 6 Comparative analysis of cumulative power consumption in different schemes

統計得到方案三系統總累計耗電量29946kWh，方案四系統總耗電量為30415kWh。方案四由于存在冷卻塔及循環泵額外的耗電量，因此其能效略低于方案三的空調系統。方案三與方案四冬季熱負荷全部有地源熱泵機組承擔，在土壤熱不平衡率為0%的前提下，系統不受影響，累計耗電量為50259kWh。鄭州市商業電價為0.86 元/度，天然氣價格為3.3 元/m 。根據工程經驗，計算得到系統的初投資及運行費用，根據經濟指標計算模型，得到結果如表7所示。

表7 方案三、四經濟性指標Table 7 Scheme 3 and 4 Economic Indicators

從表7可以看出，隨著土壤熱不平衡率的降低及50%負荷率小時數的增加，空氣源熱泵額定制冷量相對于成都地區的方案一大幅度降低。在鄭州地區，兩種復合式地源熱泵系統初投資僅相差0.1 萬元。方案三相對于方案一每年可節約500 元，因此與常規復合式地源熱泵系統相比，方案三的靜態投資回收期和凈現值率均優于方案四。

最終，從兩種方案的綜合性能評價得分結果表8來看，方案三綜合得分7.87 高于方案四的7.82分，兩者差距不大。但方案三的系統相對于方案四節能，每年可以節約469kWh，技術節能性、環境保護性及經濟性指標均較優。即在保證地埋管冬夏季吸排熱平衡額定情況下，空氣源輔助地源復合式熱泵系統要優于冷卻塔輔助散熱復合式地源熱泵系統。

表8 方案三、四綜合性能打得分表Table 8 Scheme 3,4 comprehensive performance score table

3.2 熱負荷為矛盾地區適宜性分析

在以熱負荷為矛盾的拉薩，方案六為鍋爐輔助加熱復合式地源熱泵系統，這種系統適宜性取決于當地燃氣價格，在此以拉薩地區為例，分析了不同燃氣價格時燃氣鍋爐輔助加熱復合式地源熱泵、空氣源輔助地源復合式熱泵系統的綜合性能指標，模擬得到方案五、六系統年累計耗電量、耗氣量，如表9所示。方案五在供暖季總耗電量為23713kWh，方案六總耗電量為12175kWh，耗氣量3939m 。根據綜合能耗計算通則[12]折算為標準煤，方案五能耗為2914.33kgce，方案六能耗為6279.44kgce，方案六能耗遠遠大于方案五。

表9 方案五、六系統累計耗電量Table 9 Scheme 5 and 6 system cumulative power consumption

對比不同燃氣價格下兩種方案的性能見表10，在天然氣價格為3.4 元/m 以下時，系統NPVR 值均低于0，即與常規冷熱源相比不具有可行性。隨著燃氣價格的增加，系統靜態投資回收期隨著降低。當燃氣價格由3.0 元/m 增長到3.6 元/m，靜態投資回收期從18.39年降低到9.4年。同時，凈現值率也由負值增長為正值，與常規冷熱源相比，復合式地源熱泵那個系統更具有可行性。

表10 不同燃氣價格方案五、六綜合性能對比Table 10 Comparison of comprehensive performance of scheme 5 and 6 with different gas prices

無論從經濟性還是環境保護性考慮，方案五均優于方案六。綜上，無論燃氣價格多少，空氣源輔助地源復合式熱泵系統綜合性能均優于鍋爐輔助加熱復合式地源熱泵系統。

4 結論

通過EnergyPlus 分別模擬了成都、鄭州和拉薩地區不同復合式地源熱泵系統運行能耗，并對其綜合性能做了對比，得出以下結論：

（1）在以冷負荷為主要矛盾地區，若土壤熱不平衡率較大（成都），冷卻塔輔助冷卻復合式地源熱泵系統較優。

（2）在以冷負荷為主要矛盾地區，若土壤熱不平衡率較小（鄭州），空氣源輔助地源復合式熱泵系統較優。

（3）在以熱負荷為矛盾的地區，與常規冷水機組+鍋爐系統相比，復合式地源熱泵系統受燃氣價格的影響，當燃氣價格低于3.6 元/m 時，經濟性較差。而與空氣源輔助地源復合式熱泵系統相比，無論燃氣價格多少，空氣源輔助地源復合式熱泵系統在技術節能、環境保護、經濟性方面均優于鍋爐輔助加熱復合式地源熱泵系統。