長(zhǎng)沙地區(qū)多功能地源熱泵系統(tǒng)的模擬與分析

(中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

在夏熱冬冷地區(qū)，應(yīng)用地源熱泵實(shí)現(xiàn)夏季制冷和冬季供熱，是節(jié)能減排的重要措施，具有良好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益[1]。近年來(lái)，在國(guó)家政策法規(guī)的大力扶持和推動(dòng)下，地源熱泵在夏熱冬冷地區(qū)正面臨著重要的發(fā)展機(jī)遇，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前仍缺乏適用于夏熱冬冷地區(qū)氣候條件、地質(zhì)條件、建筑特點(diǎn)的系統(tǒng)運(yùn)行策略和評(píng)價(jià)體系。夏熱冬冷地區(qū)冬季供熱期短，地源熱泵全年向土壤排放的熱量遠(yuǎn)多于從土壤吸取的熱量，這種土壤吸釋熱不平衡會(huì)導(dǎo)致地埋管區(qū)域土壤溫度逐年升高，從而降低地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率[2?3]，已成為制約地源熱泵發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。應(yīng)用制冷、制熱和制熱水多功能地源熱泵系統(tǒng)，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(lái)制取生活熱水[4?5]。Cui等[6]以香港地區(qū)住宅為例對(duì)多功能地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了研究，Li等[7]對(duì)多功能地源熱泵地埋管換熱器周圍的土壤溫度進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究表明：該系統(tǒng)有望緩解土壤累計(jì)吸釋熱不平衡的問(wèn)題。然而，關(guān)于多功能地源熱泵系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)的適應(yīng)性及其相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法的研究尚未有效開(kāi)展。本文作者在動(dòng)態(tài)能耗模擬軟件 TRNSYS[8]的平臺(tái)上建立了制冷、制熱和制熱水的多功能地源熱泵系統(tǒng)模型，并以長(zhǎng)沙地區(qū)賓館建筑為例對(duì)多功能地源熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行了研究。本研究有助于夏熱冬冷地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)低能耗、低排放可再生能源建筑。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 建筑冷熱負(fù)荷計(jì)算

以長(zhǎng)沙地區(qū)某賓館建筑為研究對(duì)象，該賓館共 3層、南北朝向，總建筑面積為2 080 m2，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能參數(shù)、室內(nèi)空調(diào)和采暖的設(shè)計(jì)參數(shù)均按《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[9]的規(guī)定選取。長(zhǎng)沙地區(qū)典型氣象年數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[10]。利用TRNSYS計(jì)算獲得該建筑的全年逐時(shí)負(fù)荷(如圖 1所示)，得到其峰值冷負(fù)荷為127.5 kW，峰值熱負(fù)荷為78.5 kW，全年累積冷負(fù)荷為201 133.4 kW·h，累積熱負(fù)荷為94 742.3 kW·h。

1.2 地埋管換熱器設(shè)計(jì)

根據(jù)長(zhǎng)沙地區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)查《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》[11]獲得地埋管換熱器設(shè)計(jì)所需的土壤熱物性。表1所示為土壤熱物性參數(shù)及地埋管設(shè)計(jì)的主要參數(shù)。根據(jù)表1給出的基本參數(shù)，采用Bernier修正的ASHRAE算法[12]計(jì)算得到該建筑冷負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的地埋管換熱器總長(zhǎng)度為5.7 km，熱負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的地埋管換熱器總長(zhǎng)度為3.5 km?？紤]到地源熱泵系統(tǒng)同時(shí)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(tǒng)地埋管換熱器總長(zhǎng)度為3.5 km。

圖1 建筑全年逐時(shí)負(fù)荷Fig.1 Hourly load of building

表1 土壤熱物性參數(shù)及地埋管換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters for borehole heat exchanger

1.3 生活熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用地源熱泵作為熱源制取生活熱水，構(gòu)成多功能地源熱泵系統(tǒng)，如圖2所示。根據(jù)不同的運(yùn)行工況可通過(guò)冷凝顯熱熱回收或單獨(dú)制熱水2種方式來(lái)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(dá)不到使用要求，則開(kāi)啟輔助電加熱器進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)以上條件，得到熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)(如表 2所示)，并計(jì)算得到生活熱水貯水箱容積為9.5 m3，設(shè)循環(huán)熱水的循環(huán)加熱溫升為5 ℃，則循環(huán)熱水的設(shè)計(jì)水流量為21 450 kg/h。

圖2 多功能地源熱泵系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameter for domestic hot water system

1.4 常規(guī)熱泵機(jī)組模型

采用特性參數(shù)估計(jì)的方法建立常規(guī)水?水熱泵機(jī)組模型。該模型的計(jì)算流程如下：

(1) 輸入已知參數(shù)蒸發(fā)器進(jìn)水溫度Twi,e和流量，冷凝器進(jìn)水溫度Twi,c和流量以及確定熱泵機(jī)組運(yùn)行性能(制冷和制熱工況)的8個(gè)特性參數(shù)(如表3所示)；

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

(3) 計(jì)算蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，調(diào)用制冷劑物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)求出蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、蒸發(fā)器進(jìn)出口焓值、壓縮機(jī)進(jìn)口比容；

(4) 計(jì)算制冷劑質(zhì)量流量和壓縮機(jī)輸入功率Whp；

(5) 計(jì)算熱泵實(shí)際制冷量(或蒸發(fā)器吸熱量)Qe和冷凝器釋熱量(或制熱量)Qc；

表3 熱泵運(yùn)行特性參數(shù)最優(yōu)值Table 3 Optimum value of estimated characteristic parameters

熱泵特性參數(shù)的確定方法如下：定義蒸發(fā)器進(jìn)水溫度和流量、冷凝器進(jìn)水溫度和流量及其所對(duì)應(yīng)的熱泵制冷量(或制熱量)和功率為 1個(gè)數(shù)據(jù)列；熱泵產(chǎn)品樣本中會(huì)提供多個(gè)數(shù)據(jù)列表示熱泵性能，根據(jù)樣本中提供的不同蒸發(fā)器進(jìn)水溫度和流量、冷凝器進(jìn)水溫度和流量計(jì)算出對(duì)應(yīng)的Qe，Qc和Whp，取式(1)所示目標(biāo)函數(shù)的最小值，即獲得所對(duì)應(yīng)的8個(gè)特性參數(shù)的最優(yōu)值，并將其作為地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。

式中：Qcat和Wcat分別為樣本中提供的與不同蒸發(fā)器進(jìn)水溫度和流量、冷凝器進(jìn)水溫度和流量對(duì)應(yīng)的制冷量(或制熱量)和功率；Q和W分別為計(jì)算得到的制冷量(或制熱量)和功率；n為樣本中數(shù)據(jù)列的總數(shù)；i為樣本中的第i個(gè)數(shù)據(jù)列。

1.5 多功能熱泵機(jī)組模型

在上述常規(guī)熱泵模型基礎(chǔ)上，建立制冷、制熱和制熱水多功能熱泵機(jī)組模型，可實(shí)現(xiàn)熱泵制冷、制熱、制熱水和制冷熱回收4種運(yùn)行工況的模擬。模型中采用了以下假設(shè)：

(1) 多功能熱泵制冷、制熱工況下的特性參數(shù)與常規(guī)熱泵對(duì)應(yīng)工況下的特性參數(shù)相同，制熱水工況與制熱工況下的特性參數(shù)相同；

(2) 在制取生活熱水時(shí)，須首先滿足建筑物冷、熱負(fù)荷的需求；

(3) 制冷熱回收工況下能回收全部冷凝顯熱。

計(jì)算過(guò)程中，需首先根據(jù)室內(nèi)冷、熱負(fù)荷和負(fù)荷因子f的情況確定熱泵的運(yùn)行工況。其中，負(fù)荷因子為單位時(shí)間內(nèi)室內(nèi)冷(熱)負(fù)荷與熱泵實(shí)際的制冷(熱)量的比值，表示熱泵處于制冷(熱)工況運(yùn)行的時(shí)間比例。熱泵的運(yùn)行工況可按以下3種情況確定：

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

(a) 通過(guò)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(jī)輸入功率Whp；

(b) 循環(huán)熱水出水溫度為：

式中：θin,dhw為循環(huán)熱水進(jìn)水溫度，℃；cp為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；m˙w,dhw為循環(huán)熱水設(shè)計(jì)流量，kg/s。

(c) 熱源側(cè)的出水溫度為：

(2) 當(dāng)熱泵制冷運(yùn)行且負(fù)荷因子小于0.5時(shí)，熱泵運(yùn)行于制冷和制熱水工況共存的狀態(tài)下。假設(shè)熱泵在2種運(yùn)行模式下熱源側(cè)的進(jìn)水溫度和水流量相同，此時(shí)模型的計(jì)算步驟如下：

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

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

(c) 利用式(2)計(jì)算循環(huán)熱水出水溫度；

(d) 熱源側(cè)出水溫度為：

(3) 當(dāng)熱泵制熱運(yùn)行時(shí)，熱泵需首先處于制熱工況運(yùn)行以滿足建筑熱負(fù)荷需求，然后在其剩余時(shí)間內(nèi)運(yùn)行于制熱水工況來(lái)制取生活熱水。模型的計(jì)算步驟如下：

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

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

Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化蓽茇總生物堿的提取工藝研究…………………………………………………… 楊家強(qiáng)等（13）：1802

(c) 循環(huán)熱水出水溫度按式(2)計(jì)算；

(d) 熱源側(cè)出水溫度為：

1.6 多功能地源熱泵系統(tǒng)模型

在上述多功能熱泵機(jī)組模型的基礎(chǔ)上，耦合地埋管換熱器模塊、建筑負(fù)荷輸入模塊、生活熱水貯水箱模塊、氣象數(shù)據(jù)輸入模塊以及用于參數(shù)計(jì)算的方程運(yùn)算器及控制模塊，建立非穩(wěn)態(tài)的多功能地源熱泵系統(tǒng)模型。圖 4所示為多功能地源熱泵系統(tǒng)模型在TRNSYS中各模塊連接的示意圖。模型在t時(shí)刻的計(jì)算流程如下：

(1) 給定熱泵負(fù)荷側(cè)進(jìn)水溫度和水流量以及熱源側(cè)水流量，把地埋管換熱器模塊在上一時(shí)刻的出水溫度作為熱泵熱源側(cè)進(jìn)水溫度，從建筑負(fù)荷輸入模塊中得到t時(shí)刻室內(nèi)負(fù)荷，并計(jì)算負(fù)荷因子；

(2) 利用多功能熱泵模塊得到t時(shí)刻熱源側(cè)出水溫度和平均水流量、實(shí)際輸入功率和循環(huán)熱水出水溫度，進(jìn)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(jì)算t時(shí)刻地埋管出水溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤熱平衡分析

圖5所示為常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)和多功能地源熱泵系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10 a的地埋管周圍土壤平均溫度變化曲線。多功能系統(tǒng)運(yùn)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(shì)。常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)在地埋管長(zhǎng)度分別為3.5 km和5.7 km時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行10 a后，土壤溫度分別達(dá)到了27.8 ℃和27.0 ℃。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同地埋管長(zhǎng)度下，多功能系統(tǒng)的土壤溫度比常規(guī)系統(tǒng)降低了3.9 ℃；即使常規(guī)系統(tǒng)的地埋管長(zhǎng)度增加至冷負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度，其土壤溫度仍比多功能系統(tǒng)時(shí)高3.1 ℃。可見(jiàn)：應(yīng)用多功能系統(tǒng)可有效緩解夏熱冬冷地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)的土壤吸釋熱不平衡問(wèn)題。

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

2.2 系統(tǒng)能耗分析

多功能地源熱泵系統(tǒng)能耗主要包括熱泵能耗、地埋管環(huán)路水泵能耗、循環(huán)熱水環(huán)路水泵能耗和輔助電加熱器能耗。通過(guò)模擬計(jì)算，得到系統(tǒng)運(yùn)行1 a的能耗為138 406 kW·h。圖6所示為全年每月的系統(tǒng)總能耗。可見(jiàn)：該系統(tǒng)在夏季能耗較高，冬季能耗次之，春秋季能耗最少。這是因?yàn)橄募镜睦湄?fù)荷較高造成的熱泵機(jī)組能耗偏高；同時(shí)，在夏季熱泵運(yùn)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(kāi)啟輔助電加熱器，增加了系統(tǒng)能耗。在冬季或春秋季運(yùn)行時(shí)，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(tǒng)總能耗Fig.6 Monthly energy consumption

2.3 對(duì)比分析

考慮對(duì)同一建筑采用空氣源熱泵滿足建筑物的冷熱負(fù)荷和用電熱水器提供生活熱水(以下簡(jiǎn)稱為傳統(tǒng)系統(tǒng))，通過(guò) TRNSYS對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行能耗模擬，并與多功能地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行能耗和全生命周期經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。假設(shè)不考慮冬季結(jié)霜對(duì)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(duì)比分析

傳統(tǒng)系統(tǒng)的能耗包括空氣源熱泵的能耗和電熱水器的能耗。運(yùn)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(tǒng)系統(tǒng)相比，多功能地源熱泵系統(tǒng)可節(jié)省46%的能耗。另外，如考慮空氣源熱泵冬季結(jié)霜對(duì)其性能的影響，傳統(tǒng)系統(tǒng)的能耗將更大，采用多功能地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)將更明顯。

2.3.2 全生命周期經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

采用費(fèi)用現(xiàn)值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)2個(gè)系統(tǒng)在全生命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較。費(fèi)用現(xiàn)值由初投資和系統(tǒng)每年運(yùn)行費(fèi)用2部分組成。假設(shè)2個(gè)系統(tǒng)的初投資差異僅體現(xiàn)為地源熱泵系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)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(jì)算。因此費(fèi)用現(xiàn)值C的計(jì)算公式[15]可表示為：

式中：n為系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析的周期，a；C0為初投資，元；Wt為系統(tǒng)第t年的總能耗，kW·h；P0為第0年時(shí)的電價(jià)，元/(kW·h)；d為電價(jià)的每年增長(zhǎng)率，%；i為基準(zhǔn)折現(xiàn)率，%。

假設(shè)系統(tǒng)生命周期為 20 a，第 0年電價(jià)為 1元/(kW·h)，電價(jià)的年增長(zhǎng)率為 6%，基準(zhǔn)折現(xiàn)率為10%。圖7所示為全生命周期的費(fèi)用現(xiàn)值對(duì)比。從圖7可以看出：多功能地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行20 a后的費(fèi)用現(xiàn)值(261.4 萬(wàn)元)比傳統(tǒng)系統(tǒng)的總投資(357.8 萬(wàn)元)節(jié)省了 96.4 萬(wàn)元，節(jié)約率達(dá)到了 27%。多功能地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行到第 7年時(shí)費(fèi)用現(xiàn)值即開(kāi)始少于后者，也就是說(shuō)采用地源熱泵系統(tǒng)的投資回收期為7 a。

通過(guò)改變電價(jià)的年增長(zhǎng)率和基準(zhǔn)折現(xiàn)率，對(duì)2個(gè)系統(tǒng)全生命周期的費(fèi)用現(xiàn)值進(jìn)行敏感性分析。表4所示為2個(gè)系統(tǒng)的敏感性分析結(jié)果?？梢钥闯觯焊淖冸妰r(jià)的年增長(zhǎng)率或改變基準(zhǔn)折現(xiàn)率后，多功能地源熱泵系統(tǒng)的費(fèi)用現(xiàn)值仍較小，費(fèi)用現(xiàn)值節(jié)約率為7%～40%，投資回收期為5～12 a。

圖7 全生命周期的費(fèi)用現(xiàn)值對(duì)比Fig.7 Comparison of cost present value of life cycle

表4 敏感性分析Table 4 Sensitive analysis

3 結(jié)論

(1) 在夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用多功能地源熱泵系統(tǒng)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(tǒng)多年運(yùn)行效果的穩(wěn)定性。

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

(3) 多功能地源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，每年系統(tǒng)總能耗可以節(jié)省46%。生命周期內(nèi)的費(fèi)用現(xiàn)值節(jié)約率變化范圍為 7%～40%，投資回收期變化范圍為5～12 a。

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