空氣源熱泵輔助吸收式地源熱泵系統(tǒng)的適用性分析

韓宗偉，王一茹，阿不來提·依米提，張艷紅，楊軍，孟欣

(1-東北大學材料與冶金學院，遼寧沈陽 110819；2-新疆太陽能科技開發(fā)公司，新疆烏魯木齊 830011)

空氣源熱泵輔助吸收式地源熱泵系統(tǒng)的適用性分析

韓宗偉*1，王一茹1，阿不來提·依米提2，張艷紅2，楊軍1，孟欣1

(1-東北大學材料與冶金學院，遼寧沈陽 110819；2-新疆太陽能科技開發(fā)公司，新疆烏魯木齊 830011)

針對嚴寒地區(qū)集中供熱系統(tǒng)能源利用效率低的問題，結合該地區(qū)應用地源熱泵系統(tǒng)存在土壤吸/排熱不平衡的問題，本文提出將一次網的高溫蒸汽（熱水）作為吸收式熱泵發(fā)生器熱源的地源熱泵系統(tǒng)，利用空氣源熱泵保障地下換熱系統(tǒng)熱平衡。介紹了復合系統(tǒng)的運行模式，確定了系統(tǒng)的運行控制策略，選取哈爾濱地區(qū)某辦公建筑對系統(tǒng)的全年運行性能進行分析。通過計算，系統(tǒng)平均綜合性能系數為2.1，相比傳統(tǒng)的供暖空調方式節(jié)能33.1%。該系統(tǒng)全年運行土壤取/排熱不平衡率為3.8%，可以保證土壤溫度場以年為周期的熱平衡；系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定運行。

嚴寒地區(qū)；吸收式熱泵；土壤熱平衡；模擬分析；性能系數

0 引言

我國嚴寒地區(qū)幅員遼闊、供暖期長，供暖能耗巨大。目前這些地區(qū)仍是以燃燒化石燃料的集中供暖方式為主，無論是區(qū)域鍋爐房還是熱電聯產，利用熱源熱水出口溫度均較高，通常經換熱站換熱得到適合于用戶末端較低溫度的熱水，能源利用效率低。近些年來，地源熱泵技術在嚴寒地區(qū)也開始有大量的應用，但是由于建筑冷熱負荷差異較大，使得現有的蒸氣壓縮式地源熱泵系統(tǒng)運行性能逐年降低，目前研究采取的措施主要有利用鍋爐輔助供暖[1-2]、太陽能季節(jié)性土壤蓄熱[3-5]，空氣熱能季節(jié)性蓄熱[6-8]等方式確保地源熱泵系統(tǒng)的長期運行可靠性?？紤]到吸收式地源熱泵系統(tǒng)的運行性能系數較蒸氣壓縮式地源熱泵系統(tǒng)性能系數低，即在供熱量相同的條件下，可以減少土壤取熱量，因此，采用吸收式地源熱泵系統(tǒng)可以改善地源熱泵系統(tǒng)全年運行的取/排熱的不平衡問題[9-10]。

為了避免地埋管換熱器出水溫度過低導致吸收式熱泵難以運行，同時利用供暖初期和末期時空氣源熱泵制熱進一步降低土壤取熱量，確保土壤的熱平衡，采用空氣源熱泵輔助吸收式熱泵進行供暖空調，為了考察該系統(tǒng)的可行性，本文對該系統(tǒng)的運行性能進行模擬計算分析，考察其在嚴寒地區(qū)應用的可行性。

1 系統(tǒng)組成及運行模式介紹

圖1為空氣源熱泵輔助的吸收式地源熱泵系統(tǒng)原理圖。如圖所示，該系統(tǒng)主要包括高溫熱源產生裝置（鍋爐、一次熱網等）、吸收式熱泵機組、地埋管換熱器、空氣源熱泵機組、循環(huán)泵及其它管路附件組成。系統(tǒng)以傳統(tǒng)供暖熱源產生的高溫蒸汽或熱水為發(fā)生器熱源，驅動吸收式熱泵系統(tǒng)從土壤中吸取部分低溫熱制取適用于供暖末端的低溫熱水?？諝庠礋岜脵C組具有供暖工況、補熱工況及分離式熱管蓄熱工況，該機組在供暖初期和末期可以運行空氣源熱泵供暖模式，充分發(fā)揮其在供暖初、末期制熱性能較好的優(yōu)點，減少吸收式地源熱泵系統(tǒng)從土壤中的取熱量。此外該機組還用于供暖期中期對吸收式熱泵機組的補熱，避免土壤換熱器出水溫度過低、吸收式熱泵無法運行的問題。

在嚴寒地區(qū)的氣候條件下，在全年不同階段該系統(tǒng)可以運行以下8種模式。

模式1：吸收式地源熱泵供暖模式；

模式2：空氣源熱泵運行補熱工況輔助吸收式地源熱泵系統(tǒng)供暖模式；

模式3：空氣源熱泵運行供暖工況與吸收式地源熱泵系統(tǒng)并聯供暖模式；

模式4：空氣源熱泵運行供暖工況，單獨供暖模式；

模式5：傳統(tǒng)熱源輔助供熱模式；

模式6：空氣源熱泵機組運行熱管工況進行土壤蓄熱模式；

模式7：土壤換熱器直接取冷空調模式；

模式8：吸收式地源熱泵供冷模式。

圖1 吸收式地源-空氣源熱泵系統(tǒng)圖

2 運行控制策略

2.1 供暖模式控制策略

系統(tǒng)在供暖期有5種供暖模式，分別是模式1、模式2、模式3、模式4和模式5，這些模式分別和同時利用了空氣熱能、淺層土壤熱能及由燃燒化石能源產生的高溫熱源。復合系統(tǒng)在運行方式要充分考慮各種熱源的特性，考慮空氣熱源雖來源廣，無換熱累積效應，熱源參數逐時變化的特點，在供暖期當環(huán)境空氣溫度較高時，優(yōu)先利用環(huán)境空氣熱源，即運行空氣源熱泵供暖模式（模式4）。由于空氣源熱泵在該系統(tǒng)中只是輔助作用，容量相對較小，若出現空氣源熱泵性能較好，但制熱量難以滿足供暖需求時，若此時地埋管換熱器出水溫度可滿足吸收式熱泵系統(tǒng)的運行要求，系統(tǒng)運行吸收式地源熱泵和空氣源熱泵聯合供暖模式（模式3）；當環(huán)境溫度較低，空氣源熱泵運行供暖工況性能較差時，若埋管換熱器出水溫度可以滿足吸收式熱泵的運行要求，系統(tǒng)運行模式1。若埋管換熱器出水溫度較低，不能滿足吸收式熱泵系統(tǒng)的運行要求，空氣源熱泵運行補熱工況，對埋管換熱器的出水加熱，系統(tǒng)運行模式2。當系統(tǒng)出現故障或出現極端天氣，吸收熱泵系統(tǒng)難以保證供暖時運行模式5，切換成換熱模式進行供暖。

2.2 空調模式控制策略

系統(tǒng)在空調期有模式7和模式8兩種供冷模式。由于供暖結束后，埋管換熱器周圍土壤溫度較低，加之嚴寒地區(qū)夏季冷負荷相對較小，除濕要求低，在供冷期可優(yōu)先利用土壤換熱器直接取冷空調（即模式7）。當模式7難以滿足供冷需求時，采取吸收式地源熱泵供冷模式（模式8）。

2.3 非供暖期蓄熱模式控制策略

在非供暖期，空氣源熱泵運行熱管工況對土壤蓄熱（模式6）。該模式可在環(huán)境空氣溫度與埋管換熱器出水溫度的溫差滿足一定條件時開始運行，當二者溫差不滿足條件時蓄熱模式停止運行。該蓄熱模式可將環(huán)境空氣熱能蓄存至土壤中，以通過蓄熱緩解土壤熱平衡問題，提高換熱器周圍土壤平均溫度，提高系統(tǒng)全年的運行性能。

3 系統(tǒng)運行性能分析

為考察該系統(tǒng)全年運行性能，以哈爾濱地區(qū)某5760 m2的辦公建筑為對象，利用建筑能耗模擬軟件DeST計算該建筑在全年內供暖空調負荷進行分析。圖2為建筑負荷全年變化，該地區(qū)冬季最大熱負荷為1119.7 kW，累計熱負荷為4342 GJ。夏季最大冷負荷為-711.98 kW，累計冷負荷為753 GJ。供暖期（10月15日-次年4月15日），供冷期（6月1日-9月1日），冬季供暖運行時間約為夏季供冷時間的1.6倍，全年累計熱負荷約為冷負荷的5.8倍，建筑所需供熱量遠大于供冷量。

吸收式地源熱泵機組容量的選擇依據最不利工況即最大熱負荷1119.7 kW，地埋管總數為120個，埋深80 m，埋管間距為5 m?？諝庠礋岜脵C組容量通過模擬程序試算得出，保證地源熱泵系統(tǒng)取、排熱平衡的合理空氣源熱泵機組的容量為160 kW。

圖3為系統(tǒng)全年運行模式的變化情況，可以看出系統(tǒng)在供暖的初期和末期優(yōu)先運行模式4進行供暖，這是由于此時的環(huán)境空氣溫度較高，空氣源熱泵系統(tǒng)運較穩(wěn)定，可單獨運行。隨著空氣溫度降低、供暖熱負荷增加，而由于哈爾濱地區(qū)土壤平均溫度較低（約為5℃），埋管換熱器從土壤中的出水溫度無法滿足吸收式熱泵系統(tǒng)的運行要求，因此模式1和模式3無法實現，系統(tǒng)以模式4和模式2交替運行的方式進行供暖。在非供暖期，蓄熱模式6為主要的運行模式，運行時間較長。在空調期，系統(tǒng)優(yōu)先運行模式7進行供冷，隨著環(huán)境溫度的升高、冷負荷的增加，系統(tǒng)采取模式7與模式8交替運行的方式進行供冷。

圖2 建筑全年負荷變化

圖3 系統(tǒng)全年運行模式變化情況

表1為吸收式地源熱泵系統(tǒng)在全年內運行的總體結果。在整個供暖期內，模式2為主要運行模式，供熱量為4265.5 GJ，占總供熱量的98.2%。非供暖期模式6的蓄熱量為822.4 GJ，占全年土壤得熱量的49.3%?？照{期供冷模式在土壤換熱器出水溫度滿足模式7要求時，優(yōu)先運行模式7。由于非供暖期蓄熱模式的運行使土壤溫度升高，降低了模式7的取冷量，供冷期主要運行地源熱泵（模式8）進行供冷，模式8全年供冷量為616 GJ，占總冷負荷的82%。

表1 系統(tǒng)全年運行總體模擬結果

圖4為系統(tǒng)全年運行土壤取熱量和排熱量的比較示意圖。從圖中可以看出，系統(tǒng)在供暖期運行時，從土壤中的取熱量遠大于空調期向土壤的排熱量，而非供暖期系統(tǒng)蓄熱量與空調期的排熱量總和約與取熱量持平，這樣系統(tǒng)全年運行對土壤溫度場的影響較小，可以保證土壤以年為周期的熱平衡。土壤熱不平衡率用來表示土壤內部熱量的平衡狀況，定義為：土壤熱不平衡率=（土壤總排熱量-土壤總取熱量）/土壤總取熱量。當土壤熱不平衡率為正值，表示取熱量大于排熱量，反之則排熱量大于取熱量。土壤熱不平衡率的絕對值越小，其內部熱量平衡性越好，土壤溫度場越穩(wěn)定。計算可知，該建筑若采用單一電驅動地源熱泵系統(tǒng)，在運行全年后，土壤熱不平衡率約為-52.5%，而空氣源熱泵輔助的吸收式地源熱泵系統(tǒng)由于在非供暖期向土壤中蓄存的熱量較大（約占總取熱量的二分之一），有效彌補了供暖期土壤中的熱虧損，使得系統(tǒng)全年運行對土壤溫度場影響較小，不平衡率僅為3.8%，排熱量略大于取熱量，系統(tǒng)全年運行過程中土壤的取、排熱量基本平衡。

圖4 系統(tǒng)全年運行模式變化情況

由于空氣源熱泵輔助的吸收式地源熱泵系統(tǒng)，同時消耗了熱能和電能兩種能源，為了比較系統(tǒng)節(jié)能效果，將電能按照發(fā)電效率折算成一次能耗的方式計算系統(tǒng)運行能效，即：系統(tǒng)的運行性能系數=（總供熱量+總供冷量）/（一次能源耗熱量+耗電量統(tǒng)一轉化的一次能源耗熱量）。經過計算，單一地源熱泵系統(tǒng)供暖平均COP為2.6，供冷平均COP為7.9，折合一次能耗的平均運行能效比約為1.56；吸收式地源熱泵系統(tǒng)的平均運行能效比約為2.1，較單一地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能33.1%，一次能源利用率較高，系統(tǒng)逐年的運行性能較為穩(wěn)定，較適用于嚴寒地區(qū)的使用。

4 結論

本文針對嚴寒地區(qū)集中供暖能源利用效率低和地源熱泵存在的土壤熱平衡問題，在現有嚴寒地區(qū)吸收式熱泵供暖研究基礎上，介紹了空氣源熱泵輔助的吸收式地源熱泵系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的運行原理及運行模式，并以哈爾濱地區(qū)某建筑為對象對系統(tǒng)全年的運行性能進行計算分析。通過分析可知，系統(tǒng)全年運行性能較好，平均綜合性能系數為2.1，相比傳統(tǒng)的地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能33.1%。該系統(tǒng)全年運行土壤取/排熱不平衡率為3.8%，可以保證土壤溫度場以年為周期的熱平衡，系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定運行。該系統(tǒng)是嚴寒地區(qū)供暖可行的技術手段。

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Applicability Analysis on Absorption Ground Source Heat Pump System Assisted by Air Source Heat Pump

HAN Zong-wei*1, WANG Yi-ru1, ABLAT Yimit2, ZHANG Yan-hong2, YANG Jun1, MENG Xin1
(1-School of Materials & Metallurgy, Northeastern University, Shenyang, Liaoning 110819, China; 2-Xinjiang Solar Technology Development Company, Urumqi, Xinjiang 830011, China)

In the present study, regarding the low energy efficiency of traditional central heating system in cold regions, and combining with the endothermic/reject heat unbalance of soil for application of ground source heat pump, the ground source heat pump system was proposed by using high temperature steam/water from primary network as the generator heat source and using air source heat pump to ensure the thermal balance of underground heat exchange system. The operation modes of the coupled system were introduced; the control strategy of the system operation was determined and the annual operation performance was analyzed on an office building in Harbin. The results showed that, the system average coefficient of overall performance was calculated to be 2.1, and the energy saving of the proposed system was 33.1% comparing with the traditional central heating way. The soil endothermic/reject heat unbalance rate of the system was 3.8%, which can ensure thermal balance of the soil temperature filed over one year cycle. The long-run effects of the system tended to be stable.

Cold regions; Absorption heat pump; Thermal balance of the soil; Numerical simulation; Coefficient of performance

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.01.204

*韓宗偉(1980-)，男，副教授，工學博士。研究方向：制冷空調、可再生能源利用。聯系地址：沈陽市和平區(qū)文化路3號巷11號，郵編：110819。聯系電話：024-83686994。E-mail：hanzw@smm.neu.edu.cn。

遼寧省教育廳科學研究一般項目（L2013100），新疆維吾爾自治區(qū)科技支疆項目（No.2013911043）

本論文選自2013中國制冷學會學術年會論文。