空氣源熱泵-地埋管換熱系統蓄熱性能研究

鮑玲玲,崔軍艷,李永,安宏賓

(1.河北工程大學能源與環境工程學院，邯鄲 056038；2.河北省建筑工程質量檢測中心有限公司，石家莊 0502273.內丘縣豐淼地熱能源開發有限公司，邢臺 054000)

地熱能、空氣熱能等可再生能源，在當前能源結構中占據重要地位，對于熱負荷較大的寒冷地區，土壤源熱泵系統長期獨立運行，使土壤溫度逐年降低，供暖性能衰減，甚至無法正常運行[1]。空氣源熱泵在冬季運行容易出現結霜現象，進而影響系統的運行[2]。而將土壤源與空氣源熱泵技術聯合運行，不僅能緩解土壤溫度的下降，還可提高空氣源熱泵的運行性能。

中外學者對空氣-土壤源熱泵系統進行了模擬與實驗研究。Ilaria等[3]使用TRNSYS搭建了同時使用空氣和地面的雙源熱泵系統模型，進行年度動態模擬，得出雙源熱泵系統可解決土壤熱失衡問題。李科宏[4]提出了空氣源耦合地源一體化熱泵系統，基于TRNSYS建立系統模型，模擬得出復合系統連續運行10年，土壤平均溫度降低0.15 ℃，降幅為1.0%。劉馨等[5]通過對供暖季實測數據的分析，得到土壤-空氣源雙源熱泵系統實際運行效果優于土壤源單源熱泵。韓宗偉等[6]利用TRNSYS軟件對季節性蓄存空氣熱能的土壤源熱泵系統進行了模擬研究，結果表明該系統能夠保障埋管換熱器取熱和排熱的平衡，全年供暖空調綜合性能系數(coefficient of performance，COP)為2.44。高朋等[7]通過對空氣源熱泵輔熱的復合地源熱泵系統運行分析，得到當空氣源熱泵在非采暖季對土壤進行蓄熱，供暖季輔助地源熱泵系統供熱時，可保證地源熱泵系統冷熱不平衡率降低至15%以下。

以往研究中，關于空氣源熱泵在非采暖季對土壤進行蓄熱的實際研究較少。為此，在邢臺某小區已有土壤源熱泵系統基礎上，新增空氣源熱泵，在非采暖季為地埋管換熱系統進行蓄熱，并對系統的運行情況進行實測與分析。利用TRNSYS軟件建立蓄熱系統模型，分析空氣源熱泵額定制熱量、系統日蓄熱時長、循環泵流量之間的交互作用對系統制熱量、能耗、土壤溫升的影響，采用多目標優化算法得到系統運行的最優工況，為解決土壤熱失衡問題提供理論指導及參考價值。

1 實驗系統介紹

1.1 建筑概況

以河北邢臺某住宅小區土壤源熱泵系統為研究對象，建筑面積為60 000 m2，利用DeST軟件建立模型，得到建筑物熱負荷，其中，最大熱負荷為2 635.0 kW，累計熱負荷為4 539 042.65 kW·h。

1.2 系統原理

空氣-土壤雙源熱泵系統可分為兩個獨立系統：一部分是蓄熱系統，另一部分是供暖系統，系統原理圖，如圖1所示。冬季空氣源熱泵輔助土壤源熱泵系統供暖，非采暖季用空氣源熱泵為土壤蓄熱，蓄熱系統循環路徑為1-9-2-8-6-1。主要對蓄熱系統進行研究，系統主要由三部分組成：空氣源熱泵、地埋管換熱器、循環水泵，詳細參數如表1所示。

表1 實驗中設備參數Table 1 Equipment parameters in the experiment

1.3 實驗數據測試

測試參數包括地埋管側進出口水溫及流量、環境溫度及耗電量。使用CENTER-500溫度記錄儀測室外氣溫，測量范圍為-50～50 ℃，測量精度為±0.1 ℃，測試間隔為10 min。使用超聲波流量計測量水流量，測量精度為±1%；使用功率測量表測量機組和水泵功率，使用機械電表記錄設備耗電參數，測量精度為±1%。

1為地埋管；2為空氣源熱泵；3為地源熱泵機組；4為供暖末端5為風機；6、7為循環水泵；8～15為閥門圖1 空氣-土壤雙源熱泵系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of air-soil source heat pump system

1.4 數據處理方式

(1)熱泵機組能及系統效比計算公式分別為

(1)

(2)

式中：Qh為熱泵機組制熱量，kW；Wh為壓縮機的輸入功率，kW；Wp為循環水泵的輸入功率，kW；COP為熱能機組能效比；EEP為系統能效比。

(2)熱泵機組制熱量的計算公式為

Qh=mCp(tout-tin)

(3)

式(3)中：m為循環水質量流量，kg/s；Cp為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；tout、tin分別為地埋管換熱器中循環水進、出口溫度，℃。

(3)系統累計供熱量的計算公式為

(4)

式(4)中：QH為系統累計供熱量，kWh；touti、tini分別為i時刻地埋管換熱器中循環水的進、出口溫度，℃；Δτi為第i次測試時間間隔，h；T為測試周期。

2 實驗結果與分析

2.1 測試工況分析

蓄熱實驗期間(7月8日—7月29日)，系統全天運行，對邢臺地區室外氣溫進行采集，匯總結果如圖2所示。逐時溫度在25～30 ℃最多，其次是30～35 ℃，因此將全天溫度在25～35 ℃的日期定義為典型日。

圖2 蓄熱期間室外溫度統計及占比Fig.2 Statistics and proportion of outdoor temperature during thermal storage

2.2 典型日蓄熱系統特性分析

對典型日1(7月25日，晴朗日，27.1～34.9 ℃)及典型日2(7月18日，陰天，25.5～27.8 ℃)蓄熱系統的運行特性進行監測，分析室外溫度、地埋管進出口水溫、系統制熱量及能效比隨時間的變化，結果如圖3所示。

從圖3中可以看出，地埋管側進出口水溫度有較小波動，室外氣溫的變化對地埋管進出口水溫的影響較小，蓄熱系統運行穩定。熱泵機組制熱量、系統EER與室外氣溫隨時間的變化趨勢一致。典型日1、2全天室外平均溫度分別為31.0、26.3 ℃，系統平均制熱量分別為1 223.10、1 198.14 kW，約為熱泵機組額定制熱量的2.1倍，系統平均EER分別為6.8、6.7，熱泵機組制熱性能較好。

圖3 典型日地埋管水溫、制熱量及COP隨時間的變化Fig.3 Variation of water temperature,heating capacity and COP of buried pipes with time on typical days

2.3 蓄熱系統整個測試期間的運行性能

測試期間，蓄熱系統地埋管進出口水溫，系統制熱量、耗電量、系統EER值隨時間的變化情況，如圖4所示。可以看出，隨著地埋管向土壤釋放熱量的累積，土壤溫度逐漸升高，使地埋管進、出口水溫度隨時間均呈上升趨勢，供回水平均溫差為4.5 ℃。室外溫度對空氣源熱泵機組制熱量及EER影響較大，蓄熱系統日總制熱量變化范圍為28.19～30.60 MW·h，系統EER值的變化范圍為6.9～7.8。由于熱泵機組冷凝器側進口水溫升高，在相同制熱量下機組能耗增加[8]，使得能效比隨時間呈現一定下降趨勢。

圖4 空氣源熱泵-地埋管蓄熱系統運行特性Fig.4 Operation characteristics of air source heat pump-buried pipe heat storage system

2.4 測試數據的誤差分析

實驗利用各種儀表測得基本參數，如溫度、流量、耗電量，根據一定的函數關系式計算得到系統制熱量、能效比等基本實驗數據，在間接測量中，測量誤差是各個直接測量值誤差的函數[9]，一般為多元函數，函數的系統誤差Δy可表示為

(5)

式(5)中：?f/?xi為誤差傳遞函數；Δxi為直接測量值的誤差，i=1,2,…,n。

根據式(5)對系統制熱量Qh、能效比進行誤差分析，結合式(1)～式(3)可得熱泵機組COP的最大相對誤差為

(6)

式(6)中：ΔCOP為間接測量值COP的系統誤差；Δm為直接測量值m的系統誤差；Δtout、Δtin分別為直接測量值tout、tin的系統誤差；ΔWh為直接測量值Wh的系統誤差。

同理，得到系統制熱量Qh、系統EER的最大相對誤差，但由于實測過程中各參數同時同方向出現最大誤差的概率很小，采用上述最大相對誤差作為實測數據的綜合誤差會使結果過大。因此根據間接測量隨機誤差的傳遞公式來計算實測數據綜合誤差σy，得到間接測量值隨機誤差的最大值為

(7)

(8)

(9)

式中：σCOP、σQh、σEER分別為間接測量值COP、Qh、EER的綜合誤差；ΔWp為直接測量值Wh的綜合誤差。

根據式(7)～式(9)計算可知：熱泵機組COP相對誤差為3.443 1%<5%；系統EER的相對誤差為3.586 7%<5%；系統制熱量的相對誤差為3.293 1%<5%，間接誤差<5%，實驗數據可靠。

3 TRNSYS系統模擬分析

3.1 土壤溫度的變化

模擬中氣象參數是由典型氣象年的數據來代替的，導致模擬結果會出現一定的偏差，為了使模擬結果與實驗結果相吻合，對比分析實驗期間實測氣象數據和典型氣象年數據，對模型中氣象參數(7月8日—7月29日)進行修正。

利用TRNSYS軟件搭建空氣源熱泵-地埋管蓄熱系統模型，如圖5所示。為保證非采暖季模擬結果的可靠性，各設備模塊中的參數按實際修改，如空氣源熱泵性能參數、地埋管數量及尺寸、土壤物性參數、水泵流量等，使模擬結果和實驗結果可對比分析。蓄熱階段，模擬得到的地埋管進出口水溫與實測數據的對比以及蓄熱期間土壤溫度的變化，如圖6所示，水溫未出現大的偏差，誤差在5%以內，說明模擬與實驗過程相符。

圖5 空氣源熱泵-地埋管蓄熱系統模型Fig.5 Model of air source heat pump-buried pipe heat storage system

由圖6可知，在測試期間，經蓄熱后土壤溫度從初始的15.8 ℃上升至16.4 ℃，溫升為0.6 ℃。結合測試數據的分析可知，在非采暖季利用空氣源熱泵為土壤蓄熱的方式是可行的。

圖6 蓄熱期間地埋管進出口水溫及土壤溫度的變化Fig.6 Variation of inlet and outlet water temperature and soil temperature of buried pipe during thermal storage

3.2 系統優化

3.2.1 多因素影響分析

測試時間段，以系統制熱量YD、能耗YE、土壤溫升YF作為響應值，空氣源熱泵額定制熱量、系統日蓄熱時長、循環泵流量為自變量，通過Box-Behnken法設計響應曲面試驗，利用蓄熱系統TRNSYS模型進行試驗模擬，采用多目標優化算法得到測試期間蓄熱系統運行的最優工況[10-12]。響應曲面試驗因素與水平設計如表2所示，試驗結果如表3所示。

表2 空氣源熱泵-地埋管蓄熱系統響應曲面試驗設計因素與水平Table 2 Design factors and levels of response surface test for air source heat pump-buried tube heat storage system

通過響應曲面分析法去除模型中不顯著的影響因素(P>0.05)，以表3中系統制熱量YD、能耗YE、土壤溫升YF為目標值建立二次回歸模型，各響應值模型的回歸方差分析結果如表4～表6得到試驗真實水平回歸模型為

表3 空氣源熱泵-地埋管蓄熱系統試驗方案及結果Table 3 Test scheme and results of air source heat pump-buried pipe heat storage system

表4 系統制熱量回歸方差分析Table 4 Regression analysis of variance of heating capacity

表5 系統能耗回歸方差分析Table 5 Regression variance of system energy consumption

表6 土壤溫升回歸方差分析Table 6 Regression variance of soil temperature rise

YD=-1.30×105-84.18x1+142.18x2+

17 969.42x3+0.56x1x2+10.92x1x3+

(10)

YE=1 497.84-38.19x1-9.88x2+1 414.54x3+0.07x1x2+5.74x2x3

(11)

YF=0.18-5.17×10-4x1-2.71×10-4x2+3.33×10-3x3+8.33×10-7x1x2+

4.17×10-5x2x3

(12)

由響應值回歸方程方差分析及式(10)～式(12)可知，循環泵流量與空氣源熱泵額定制熱量的交互作用對系統制熱量、能耗、土壤溫升的影響較為顯著，循環泵流量與系統日蓄熱時長對能耗和土壤溫升的交互作用不顯著，空氣源熱泵額定制熱量與系統日蓄熱時長的交互作用對3個響應值的影響極為顯著。

(1)三因素對系統制熱量的影響。循環流量對系統制熱量的影響，如圖7(a)所示，制熱量隨流量的增加呈先上升后下降趨勢，表明在空氣源熱泵機組型號及蓄熱時間一定的情況下，適當增加循環泵流量可使制熱量增加，但流量過大時，系統循環水流速過快，與冷凝器、地埋管換熱不充分，系統制熱量下降。

空氣源熱泵額定制熱量與日蓄熱時長對系統制熱量的影響，如圖7(b)所示。可以看出，隨著熱泵機組額定制熱量和蓄熱時長的增加，系統制熱量均增大。蓄熱時間和熱泵額定制熱量對系統制熱量的影響，在回歸方程[式(10)]中表現為二次方系數較小，使得系統制熱量隨熱泵額定制熱量與系統啟停的變化近似平面分布。結果表明，在蓄熱工況下，當地埋管中循環流量滿足要求時，適當的增加熱泵機組額定制熱量，可提高系統制熱量，系統日蓄熱時間越長，制熱量越大。

圖7 三因素對制熱量的影響Fig.7 Influence of three factors on heat capacity

(2)熱泵制熱量與循環泵流量對系統能耗的影響.熱泵額定制熱量與循環泵流量對系統制熱量的影響，如圖8所示。可以看出，空氣源熱泵額定制熱量對系統能耗的影響極為顯著，空氣源熱泵額定制熱量的增加導致系統能耗升高，循環泵流量對能耗的影響較為顯著，影響趨勢表現為曲面較平滑，這與方差分析中的顯著性水平結果一致。兩者的交互作用較顯著，表現為響應曲面傾斜度較陡。結果表明，在蓄熱工況下，空氣源熱泵能耗占主要部分，循環泵能耗與之相比占小部分，循環泵對系統總能耗的影響較小，若從節能角度考慮，應在條件允許下，主要考慮降低空氣源熱泵型號，以降低能耗。

圖8 熱泵額定制熱量及循環泵流量對系統能耗的影響Fig.8 Influence of heat pump rated heat capacity and circulating pump flow on system energy consumption

(3)熱泵制熱量與日蓄熱時長對土壤溫升的影響。熱泵額定制熱量與蓄熱時間對土壤溫升影響的等高線圖，如圖9所示。可以看出，空氣源熱泵額定制熱量及日蓄熱時長對土壤溫升的交互作用并非線性，在循環水泵流量一定的情況下，根據實際需求，通過增加空氣源熱泵額定制熱量及蓄熱時長可使土壤溫升滿足要求。

圖9 熱泵額定制熱量及日蓄熱時長對土壤溫升的影響Fig.9 Effects of heat pump rated heat and daily heat storage time on soil temperature rise

3.2.2 多目標優化結果

以系統制熱量、能耗以及土壤溫升作為約束條件，對系統進行優化分析，得到系統只在白天運行時的最優工況為：循環水泵總流量為400 m3/h、空氣源熱泵總額定制熱量為920.0 kW，此時系統累計制熱量為588 337.2 kWh，耗電量為79 195.7 kW·h，系統EER值為7.44，土壤溫升為0.55 ℃；系統全天運行時最優工況為：循環水泵總流量為100 m3/h、空氣源熱泵總額定制熱量為723.8 kW，此時系統累計制熱量為819 174.4 kW·h，耗電量為114 432.9 kW·h，系統EER值為7.16，土壤溫升為0.76 ℃。

蓄熱系統在上述最優工況下運行時，對比分析氣象參數修正前后系統能耗及土壤溫升的變化(7月7日—7月29日)，如表7所示。結果表明模型若直接采用典型年氣象參數進行模擬也是可取的。

表7 氣象參數修正前后耗電量及土壤溫升的變化Table 7 Variation of power consumption and soil temperature rise before and after meteorological parameter correction

為研究系統在整個非采暖季(7月7日開始)的運行性能，可利用此時間段典型氣象年的參數進行模擬，分別得到系統在白天(12 h)、全天運行(24 h)時，土壤溫升Δt與耗電量W之間的關系，如圖10所示，擬合結果可表示為

圖10 系統耗電量隨土壤溫升的變化Fig.10 Variation of system power consumption with soil temperature rise

W12h=13 146.14+111 900.41Δt+

15 290.34Δt2

(13)

W24h=7 477.37+132 960.38Δt+

7 514.94Δt2

(14)

式中：Δt為土壤溫升，℃；W12h為整個非采暖季系統只在白天運行時的耗電量，kW·h；W24h為整個非采暖季系統全天運行時的耗電量，kW·h。

由圖10可知，當所需土壤溫升≤2.5 ℃時，采用系統在白天運行的方式，系統能耗較低，當所需土壤溫升>2.5 ℃時，采用全天運行的蓄熱方式。由于土壤溫升相同的情況下，只在白天運行的系統，蓄熱期較長，蓄熱后期室外氣溫較低，使得系統性能下降，能耗增加。當土壤目標溫升為3.0 ℃時，全天運行的蓄熱系統能耗為474 820.0 kW·h，增加的蓄熱運行費用為3.96元/m2。

4 蓄熱系統可行性分析

4.1 能源效益

測試時間段內，空氣源熱泵-地埋管蓄熱系統全天運行，最優工況下的制熱總量為819 174.4 kW·h，所消耗的電量為114 432.9 kW·h。煤電效率按27.0%計算，標準煤的燃燒值為29 306 MJ/t，天然氣折標系數取1.33 kg/m3[13]。則空氣源熱泵蓄熱系統運行消耗電量所需的燃煤量為52.06 t，若采用傳統熱源：燃煤、燃氣、熱電聯產的方式為土壤蓄熱，燃煤鍋爐熱效率定為60%，燃氣鍋爐熱效率定為80%，熱電聯產熱效率定為85%[13]，則產生上述相同制熱量所需的煤量分別為167.71 t、137.56 t、118.39 t。空氣源熱泵蓄熱系統與傳統熱源燃煤、燃氣、熱電聯產蓄熱系統相比，分別可節約69.0%、62.2%、56.0%的能耗。

4.2 環境效益

不同蓄熱系統因其熱源不同導致各類污染物排放量在排放物中所占比例是不同的，并不存在各類污染物排放量均為最低或最高的蓄熱方式，評判具有一定的模糊性。因此，引入模糊綜合分析法，具體步驟如下[14]。

步驟1決策集D=(d1,d2,…，dn)以及影響評判的目標集U=(u1,u2,…，um)，決策集中d1為空氣源熱泵蓄熱系統、d2為燃煤鍋爐蓄熱系統、d3為燃氣鍋爐蓄熱系統、d4為熱電聯產蓄熱系統。目標集中u1為CO2排放量、u2為SO2排放量、u3為NOx排放量、u4為煙塵排放量。

步驟2根據步驟1中決策集與目標集建立模糊評判矩陣R=(rij)4×4，rij為目標集隸屬。

根據各蓄熱系統的能源消耗以及污染物排放清單[13]，可得到不同蓄熱系統產生的主要污染物總量，計算結果如表8所示。

表8 各供暖系統主要污染物排放總量Table 8 Total emission of main pollutants of heating system

比較環境效益時，各蓄熱系統污染物排放量越小越優，所以利用數量值越小越優的rij的計算公式為

(15)

式(15)中：xij為蓄熱系統方案中方案j的第i個評判目標的數量值。

可得模糊評價矩陣R=(rij)4×4為

(16)

根據蓄熱系統方案特點和各評比目標對方案的影響程度，選用層次分析法確定權重向量W[14]，可表示為

(17)

查閱文獻得，各污染物在環境影響因素中的重要程度為：NOx>煙塵>SO2>CO2[15]，環境影響評價中的四個評判要素間兩兩對比賦值為：aij=1表示ui與uj同等重要；aij=6/5表示ui比uj略微重要；aij=4/3表示ui比uj重要；aij=3/2表示ui比uj很重要。根據比較方法可得各環境影響因素間相對重要性，如表9所示。

表9 環境影響因素間的相對重要性Table 9 Relative importance of environmental impact factors

用二元對比倒數法建立4階對比矩陣為

(18)

通過優勢積累法可得權向量W=(3.25，3.78，5.03，4.37)，進行歸一化處理得W=(0.19，0.23，0.31，0.27)。根據模糊數學合成原理，將模糊權向量W與模糊評判矩陣R相乘，得到評判向量B=(0.810，0.286，0.738，0.297)，根據評判向量可得到各蓄熱系統環境優度的好壞。

從計算結果可得，空氣源熱泵蓄熱系統的環境優度較傳統熱源燃煤、燃氣、熱電聯產蓄熱系統分別高出64.8%、8.9%、63.3%，空氣源熱泵蓄熱系統的環境效益顯著。

5 結論

(1)測試期間(7月7日—7月29日)，系統制熱量可達到空氣源熱泵額定制熱量的2.17倍，熱泵機組及系統平均能效比分別為8.8、7.2，地埋管進出口平均溫差為4.5 ℃，空氣源熱泵-地埋管換熱系統蓄熱運行穩定。

(2)對典型氣象年氣象數據進行修正，利用TRNSYS軟件對空氣源熱泵-地埋管換熱系統蓄熱性能進行模擬，結果表明：蓄熱后土壤溫度從初始的15.8 ℃上升至16.4 ℃，溫升0.6 ℃，在非采暖季利用空氣源熱泵為土壤蓄熱的方式是可行的。

(3)測試期間，系統全天運行時的最優工況為：循環水泵總流量為100 m3/h、空氣源熱泵總額定制熱量為723.8 kW，系統EER值為7.16，土壤溫升為0.76 ℃。

(4)非采暖季(7月7日開始)，空氣源熱泵-地埋管換熱系統蓄熱運行時，耗電量與土壤溫升為二次函數關系。當土壤目標溫升≤2.5 ℃時，采用系統在白天運行的方式，系統能耗較低，反之，采用全天運行的蓄熱方式。當土壤目標溫升為3.0 ℃時，全天蓄熱系統能耗為474 820.0 kW·h，增加的蓄熱費用為3.96元/m2。

(5)空氣源熱泵蓄熱系統與傳統熱源燃煤、燃氣、熱電聯產蓄熱方式相比，分別可節約69.0%、62.2%、56.0%的能耗。環境優度較上述3種蓄熱系統分別高出64.8%、8.9%、63.3%，空氣源熱泵蓄熱系統的能源及環境效益顯著。