嚴(yán)寒地區(qū)高速公路建筑空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)節(jié)能性運(yùn)行策略研究

宮 靜，王松慶，唐天躋

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

能源的可持續(xù)發(fā)展一直是社會(huì)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?近年來，隨著我國降低能耗等政策的深入貫徹和落實(shí)，地埋管地源熱泵技術(shù)在我國得到了廣泛的應(yīng)用，但是通過模擬分析和實(shí)際運(yùn)行測(cè)試表明，地埋管地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中極易出現(xiàn)取放熱不平衡的問題，因此引入輔助供熱或散熱設(shè)備，組成復(fù)合式地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行使用，以維持地埋管周圍土壤的吸放熱平衡[1].

國內(nèi)外對(duì)于復(fù)合式地源熱泵有了一定程度的研究，1995年美國采暖學(xué)會(huì)首次闡述復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用在大型商用和公共建筑中具有優(yōu)勢(shì)[2].蔡晶晶等針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的大多數(shù)建筑存在夏季冷負(fù)荷和冬季熱負(fù)荷不平衡問題，進(jìn)行了混合式土壤源熱泵系統(tǒng)的可行性分析[3].韓宗偉等針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)存在土壤取放熱不平衡的問題，對(duì)哈爾濱地區(qū)某辦公建筑地源熱泵系統(tǒng)采用空氣源熱泵加以輔助，并對(duì)該系統(tǒng)全年運(yùn)行性能進(jìn)行分析，該系統(tǒng)平均綜合性能系數(shù)為2.1，節(jié)能率33.1%[4].苗毅等采用水源熱泵、空氣源熱泵和太陽能集熱器優(yōu)化北京市某綜合辦公室的供熱系統(tǒng)，實(shí)施后每年冬季運(yùn)行可節(jié)約48噸標(biāo)煤[5].顧娟等運(yùn)用TRNSYS軟件構(gòu)建仿真模型，對(duì)地源與空氣源熱泵聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)的3種運(yùn)控策略進(jìn)行模擬并分析系統(tǒng)年平均能耗，得出系統(tǒng)優(yōu)先運(yùn)行3 h、室外空氣干球溫度為 33 ℃、溫差為 5 ℃時(shí)的策略是最優(yōu)的系統(tǒng)控制策略[6].孟新巍等建立了空氣源熱泵復(fù)合低谷電蓄能供暖系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并通過數(shù)值分析確定了該系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，得出了節(jié)能性最優(yōu)控制策略下的最短初投資回收期為2.3年[7].苑廣普等運(yùn)用DeST軟件對(duì)某高速公路服務(wù)區(qū)建筑能耗進(jìn)行逐時(shí)模擬，論證各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足被動(dòng)房設(shè)計(jì)要求，并對(duì)被動(dòng)房加強(qiáng)參數(shù)和節(jié)能率進(jìn)行分析，得出高速公路服務(wù)區(qū)的被動(dòng)房空調(diào)系統(tǒng)年累計(jì)耗冷熱量能夠減少80.4%，節(jié)能效果明顯[8].李林林通過對(duì)比分析地源熱泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)采暖制冷系統(tǒng)在高速公路建筑中的節(jié)能減排效果，得出地源熱泵系統(tǒng)供熱制冷方案比傳統(tǒng)采暖制冷方案節(jié)能性更佳的結(jié)論[9].

目前，對(duì)于空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)高速公路地區(qū)的研究還相對(duì)較少，且系統(tǒng)的運(yùn)行策略對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行成本和運(yùn)行效率有很大的影響，因此本文使用空氣-土壤雙源式復(fù)合熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供熱并優(yōu)化改進(jìn)，通過TRNSYS 軟件進(jìn)行仿真研究，根據(jù)節(jié)能性指標(biāo)用來挑選出空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)高速公路最佳負(fù)荷分擔(dān)比例運(yùn)行策略是有必要的.

1 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)構(gòu)建

本文以哈爾濱市某高速公路服務(wù)區(qū)建筑為研究對(duì)象，其建筑由一棟二層綜合樓組成，建筑高度8.5 m，建筑面積1 817.11 m2，房間功能主要有超市、餐廳、客房區(qū)等.由于目標(biāo)建筑所處于哈爾濱市，冬季持續(xù)時(shí)間長，夏季持續(xù)時(shí)間短，導(dǎo)致冬季建筑累計(jì)熱負(fù)荷會(huì)遠(yuǎn)大于夏季建筑累計(jì)冷負(fù)荷，建筑全年負(fù)荷不平衡性較大，因此選用空氣源熱泵系統(tǒng)作為輔助熱源，構(gòu)建空氣-土壤源熱泵系統(tǒng).

空氣-土壤源系統(tǒng)主要由地源熱泵系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)兩部分構(gòu)成.其中地源熱泵系統(tǒng)選擇采用兩臺(tái)地源熱泵機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的模式，空氣源熱泵系統(tǒng)采用一臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行的模式，地源熱泵系統(tǒng)和空氣源熱泵系統(tǒng)除了在負(fù)荷分配的控制策略層面有所聯(lián)系之外彼此獨(dú)立.由于目標(biāo)建筑所處嚴(yán)寒地區(qū)，土壤源熱泵系統(tǒng)從土壤中的吸熱量遠(yuǎn)大于系統(tǒng)向土壤中的釋熱量，為了維持土壤熱平衡性，選擇在夏季時(shí)讓地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)全部制冷任務(wù)，空氣源熱泵系統(tǒng)不運(yùn)行；在冬季時(shí)選擇讓空氣源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行，并與地源熱泵系統(tǒng)完成供熱任務(wù).空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)在全年中的不同種運(yùn)行模式如表1所示.

在夏季時(shí)選擇使用1號(hào)地源熱泵機(jī)組來承擔(dān)全部夏季冷負(fù)荷，同時(shí)使用2號(hào)地源熱泵機(jī)組向土壤中進(jìn)行蓄熱，蓄熱模式開啟后，空氣中的熱量通過地源熱泵系統(tǒng)儲(chǔ)存進(jìn)土壤中，而空氣中的冷量將用于其它生產(chǎn)與生活活動(dòng).此時(shí)空氣源熱泵系統(tǒng)不運(yùn)行，以盡量增大土壤中的釋熱量.在過渡季節(jié)內(nèi)運(yùn)行2號(hào)地源熱泵機(jī)組繼續(xù)向土壤中增加釋熱量.在冬季供暖初期和室外溫度相對(duì)較高的時(shí)間段內(nèi)，優(yōu)先運(yùn)行空氣源熱泵系統(tǒng)在不同工況下所承擔(dān)的不同熱負(fù)荷比例進(jìn)行供熱.在冬季其余時(shí)間段內(nèi)，選擇使用1號(hào)地源熱泵機(jī)組和2號(hào)地源熱泵機(jī)組進(jìn)行供熱，優(yōu)先運(yùn)行1號(hào)地源熱泵機(jī)組，當(dāng)所需熱負(fù)荷大于1號(hào)地源熱泵機(jī)組額定制熱量的80%時(shí)，啟動(dòng)2號(hào)地源熱泵機(jī)組，熱負(fù)荷由兩個(gè)地源熱泵機(jī)組平均分擔(dān).

2 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)TRNSYS仿真模型構(gòu)建

2.1 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)TRNSYS仿真模型構(gòu)建

空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)用TRNSYS軟件構(gòu)建空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)模型，如圖1所示.

圖1 基于TRNSYS軟件的空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)仿真模型

本次TRNSYS軟件模擬主要包括氣象文件(Wheather，以哈爾濱氣象為例)，氣象文件讀取模塊(Type15-2)，熱泵模塊(Type225土壤源熱泵機(jī)組模塊、Type665-3空氣源熱泵機(jī)組模塊)，水泵與風(fēng)機(jī)模塊(Type114，Type3a)，地埋管模塊(Type557)等.

2.2 建筑空調(diào)負(fù)荷特性分析

本系統(tǒng)通過TRNBuild軟件構(gòu)建起一個(gè)建筑復(fù)合模型，并通過Type56與其他模塊的連接來完成建筑模型與其他模塊的數(shù)據(jù)傳輸，完成整個(gè)目標(biāo)建筑的逐時(shí)負(fù)荷動(dòng)態(tài)模擬.本文根據(jù)樓層設(shè)計(jì)，該高速公路服務(wù)區(qū)的體型系數(shù)為0.27，其余部分設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示.

表2 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型的墻體傳熱系數(shù)

通過數(shù)值仿真研究可知哈爾濱地區(qū)高速公路服務(wù)區(qū)建筑的全年逐時(shí)負(fù)荷，其仿真結(jié)果如圖2所示，研究結(jié)果表明：冬季全年累計(jì)熱負(fù)荷270 414.27 kW，夏季全年累計(jì)冷負(fù)荷66 320.71 kW，其全年累計(jì)冷熱負(fù)荷不平衡率為4.08.并由圖2可看出，全年大部分時(shí)間段內(nèi)，熱負(fù)荷強(qiáng)度大于冷負(fù)荷強(qiáng)度，且在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，目標(biāo)建筑的地源熱泵系統(tǒng)絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)在非滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，地源熱泵系統(tǒng)在供暖模式負(fù)荷率小于 60%的工況下運(yùn)行時(shí)長為 3 192 h，占供暖模式總運(yùn)行時(shí)間的 74%；滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)長為17 h，僅占供暖模式總運(yùn)行時(shí)間的 0.39%.這種變化特性不利于系統(tǒng)運(yùn)行，需調(diào)節(jié)負(fù)荷比例來改善系統(tǒng)周圍土壤的熱平衡性.

圖2 建筑的全年逐時(shí)冷、熱負(fù)荷

3 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)節(jié)能性運(yùn)行策略評(píng)價(jià)

3.1 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)冬季運(yùn)行策略設(shè)定

由于嚴(yán)寒地區(qū)冬季供暖期的時(shí)長與夏季制冷期的時(shí)長差異過大，該地區(qū)全年累計(jì)冷負(fù)荷與全年累計(jì)熱負(fù)荷相差很大，如果不對(duì)空氣-土壤源熱泵熱負(fù)荷分擔(dān)比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，將會(huì)使研究的不確定因素增加，無法有效的控制變量.因此本文通過對(duì)供暖季每一天的熱負(fù)荷量進(jìn)行比例分配，以保證土壤的冷熱負(fù)荷量的平衡.

本文選擇將夏季冷負(fù)荷全部由土壤源熱泵承擔(dān)，(表1模式1)，冬季熱負(fù)荷由空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)(表1中的模式3和模式4)，接下來的分析中本文僅討論空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)對(duì)冬季熱負(fù)荷的分擔(dān)比例運(yùn)行策略即可.通過本文上一節(jié)目標(biāo)建筑全年逐時(shí)負(fù)荷的模擬研究結(jié)果可知，其夏季累計(jì)冷負(fù)荷是冬季累計(jì)熱負(fù)荷的25%，所以地源熱泵所負(fù)擔(dān)的熱負(fù)荷比例不能低于25%，否則會(huì)導(dǎo)致機(jī)組從土壤中的取熱量低于機(jī)組向土壤中的釋熱量，出現(xiàn)土壤熱不平衡的現(xiàn)象，同時(shí)地源熱泵所分擔(dān)負(fù)荷比例不能高于75%，否則土壤蓄熱負(fù)荷比將高于50%，造成過多能源浪費(fèi).因此本文將設(shè)定空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)中地源熱泵所負(fù)擔(dān)的熱負(fù)荷比例介于25%至75%之間，在地源熱泵負(fù)荷分擔(dān)比例介于25%至75%的運(yùn)行策略中，需同樣運(yùn)行模式2在非供暖季對(duì)土壤進(jìn)行蓄熱，本文將挑選出在模式2下向土壤中進(jìn)行蓄熱的負(fù)荷比例占全年總熱負(fù)荷比例值0%、10%、20%、30%、40%、50%的六種冬季運(yùn)行策略為代表進(jìn)行負(fù)荷比例的調(diào)節(jié)，如表3所示.

表3 六種冬季運(yùn)行策略

3.2 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性評(píng)價(jià)

本文將通過對(duì)不同負(fù)荷分擔(dān)比例冬季運(yùn)行策略下空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)的性能分析對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能性評(píng)價(jià).

本文設(shè)定系統(tǒng)全年運(yùn)行平均節(jié)能效率AEE(Average Energy Efficificy)來作為本系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)行方案的節(jié)能性評(píng)價(jià)指標(biāo)，即在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的總制冷量與總供熱量分別除以與整個(gè)系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)設(shè)備的耗電量，其所得之比在此段時(shí)間范圍內(nèi)的加權(quán)年平均值[10].在系統(tǒng)全年總制冷量與總供熱量一定的前提下，AEE值越高，系統(tǒng)的運(yùn)行方案越節(jié)能[11].本研究中AEE的計(jì)算公式為

(8)

公式中：AEE為系統(tǒng)全年平均節(jié)能效率；Qh為全年供熱量(kW·h)；Wh為系統(tǒng)全年制熱耗電量(kW·h)；Qc為全年制冷量(kW·h)；Wc為系統(tǒng)全年制冷耗電量(kW·h).

運(yùn)用公式(1)，對(duì)空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)模型進(jìn)行為期十年的模擬運(yùn)行以及在系統(tǒng)夏季冷負(fù)荷全部由土壤源熱泵承擔(dān)、冬季熱負(fù)荷由空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)的情況下，對(duì)所得到的6種冬季運(yùn)行策略的全年運(yùn)行AEE值進(jìn)行計(jì)算，分別得到在6種負(fù)荷分擔(dān)比例冬季運(yùn)行策略下的系統(tǒng)逐年AEE值，通過比較系統(tǒng)逐年AEE值對(duì)各個(gè)冬季運(yùn)行策略的節(jié)能性作出評(píng)價(jià)，如圖3所示.

由圖3可知，在模擬運(yùn)行周期內(nèi)，6種冬季運(yùn)行策略下目標(biāo)建筑的逐年AEE值隨各策略中地?zé)岜秘?fù)擔(dān)熱負(fù)荷比例的增加而逐漸增大，在策略6下系統(tǒng)運(yùn)行逐年AEE值最高，其平均值相較于策略1增加了39%，增加的逐年AEE值的平均值占策略1的18.3%，由于土壤源熱泵系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)的供暖季的AEE值要高于空氣源熱泵系統(tǒng)，因此在總供熱量相同的情況下，地源熱泵所負(fù)擔(dān)熱負(fù)荷比例越大，系統(tǒng)的AEE值越高.

通過比較各冬季運(yùn)行策略的節(jié)能性評(píng)價(jià)指標(biāo)，在本系統(tǒng)中策略6最為理想，其逐年AEE值的平均值與其余5種策略相比，其節(jié)能性更加明顯.

綜上所述，在空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)夏季冷負(fù)荷全部由土壤源熱泵承擔(dān)、冬季熱負(fù)荷由空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)的情況下所得到的6種負(fù)荷分擔(dān)比例冬季運(yùn)行策略中，該嚴(yán)寒地區(qū)高速公路服務(wù)區(qū)建筑在供暖季由1號(hào)地源熱泵負(fù)荷分擔(dān)比例為75%、2號(hào)地源熱泵在非供暖季負(fù)荷分擔(dān)比例為50%、空氣源熱泵負(fù)荷分擔(dān)比例為25%以及制冷季由地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)100%冷負(fù)荷時(shí)，運(yùn)行最佳.

4 結(jié) 論

(1)本文采用TRNSYS軟件中的TRNBuild建立嚴(yán)寒地區(qū)某高速公路建筑的負(fù)荷模型，得到空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)的冬季全年累計(jì)熱負(fù)荷270 414.27 kW，夏季全年累計(jì)冷負(fù)荷66 320.71 kW，全年累計(jì)熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于冷負(fù)荷，引起較大的土壤熱不平衡性，冷熱不平衡率為4.08.本文通過設(shè)定4種冬季運(yùn)行模式加以改善土壤熱不平衡性，從而提高系統(tǒng)效率.

(2)空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)可以保證目標(biāo)建筑的供暖和制冷需求，為保證土壤熱平衡性，將蓄熱負(fù)荷占全年熱負(fù)荷的比例作為劃分不同負(fù)荷分擔(dān)比例冬季運(yùn)行策略的依據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié).通過設(shè)定冬季運(yùn)行模式3和模式4并結(jié)合模式2向土壤中進(jìn)行蓄熱得到6種負(fù)荷分擔(dān)比例冬季運(yùn)行策略，最終得出嚴(yán)寒地區(qū)高速公路服務(wù)區(qū)建筑在1號(hào)地源熱泵負(fù)荷分擔(dān)比例為75%、2號(hào)地源熱泵負(fù)荷分擔(dān)比例為50%、空氣源熱泵負(fù)荷分擔(dān)比例為25%時(shí)運(yùn)行最佳，節(jié)能性最好.