跨季節(jié)埋管蓄熱耦合熱泵供暖系統(tǒng)設計策略
——以內蒙古某低碳農業(yè)大棚建筑為例

陳薩如拉，常甜馨，程子涵，吳俊鋒，楊洋

(1.安徽建筑大學 建筑與規(guī)劃學院，合肥 230022；2.安徽省國土空間規(guī)劃與生態(tài)研究院，合肥 230022；3.安徽建筑大學建成環(huán)境與健康重點實驗室，合肥 230022；4.安徽建筑大學 環(huán)境與能源工程學院，合肥 230022；5.天津大學 建筑學院，天津 300072)

0 引言

近年來，地源熱泵(GSHP)系統(tǒng)因自身的高效、環(huán)保等諸多優(yōu)點逐漸被應用于農業(yè)大棚的溫濕調控中[1]。Tong 等[2]在針對農業(yè)大棚進行的實驗研究表明，采用GSHP 的供暖能耗在0.22～0.56 MJ/(m2·h)之間，而采用煤油加熱器的供暖能耗在0.42～0.76 MJ/(m2·h)之間，兩者對應的溫室氣體排放量分別在9.5～24 g/(m2·h)和31～55 g/(m2·h)之間。北方農業(yè)大棚建筑因地處嚴寒和寒冷地區(qū)，加之自身特殊的用能特征，導致其全年耗熱量遠大于耗冷量，應用GSHP 全年地下取熱與排熱將出現(xiàn)顯著不平衡現(xiàn)象，對GSHP 運行性能將產生不利影響。因此，太陽能輔助GSHP 系統(tǒng)應運而生。Mehrpooya 等[3，4]對太陽能輔助GSHP 溫室大棚供暖系統(tǒng)的性能研究證實了GSHP 系統(tǒng)COP 的提升。然而，傳統(tǒng)的太陽能輔助GSHP 系統(tǒng)設計原則是在GSHP 系統(tǒng)的基礎上根據全年耗熱和耗冷量差值確定補熱量，以維持地下巖土全年熱平衡。但該系統(tǒng)仍存在全年運行能耗較大、系統(tǒng)初始投資較高等問題[2，5]。

為有效解決上述存在問題，本文對跨季節(jié)埋管蓄熱(SBTS)與熱泵耦合供暖系統(tǒng)方案進行設計，旨在達到三個目標：維持地下巖土長期熱平衡；保證供暖系統(tǒng)在生命周期內高效穩(wěn)定運行，降低系統(tǒng)運行能耗；減小系統(tǒng)投資成本并降低運行費用?；诖?，本文采用ANSYS Workbench 計算機模擬軟件建立了傳統(tǒng)GSHP 系統(tǒng)換熱井群和蓄熱體蓄熱井群三維瞬態(tài)數值模型，通過單井熱響應實驗和雙井沙箱實驗進行了瞬態(tài)驗證，模擬與實驗結果高度吻合，表明了該模型的可靠性和準確性，該模型可用于SBTS 熱特性研究，詳細驗證信息參見前期研究文獻[6，7]。以技術性能和經濟性能作為評價指標，探明SBTS 與熱泵耦合供暖系統(tǒng)優(yōu)化設計策略，可為SBTS 與熱泵耦合供暖系統(tǒng)的應用和研究提供方法參照和理論指導。

1 內蒙古某低碳農業(yè)大棚建筑概況

1.1 內蒙古某農業(yè)大棚建筑簡介

農業(yè)大棚建筑位于內蒙古自治區(qū)某農業(yè)產業(yè)園區(qū)內(北緯39 °34 ′21 ″、東經106 °40 ′27 ″)，地處嚴寒地區(qū)，如圖1 所示。大棚建筑分為帶管理室(耳房)和不帶管理室兩種，其單體建筑面積分別為691.3 m2和699.6 m2，其中耳房面積為35.3 m2。本文對紅框內5 棟節(jié)能大棚建筑進行可再生能源供暖系統(tǒng)設計。

1.2 內蒙古某低碳農業(yè)大棚建筑供暖需求

夏季，該農業(yè)大棚塑料棚膜采取全敞開或開啟上下通風口的方法保持室內溫度；冬季白天，在室外風速較小且非陰天情況下，通常棚膜上部通風口被打開進行通風換氣；而在冬季夜間或陰天條件下，大棚溫度將無法滿足農作物生長所需溫度。因此，本文主要考慮大棚建筑供暖需求，且供暖時間集中在冬季夜間。

依據《中國農業(yè)百科全書·蔬菜卷》[8]中各種蔬菜適宜生長溫度，選取12～18 °C 作為大棚建筑室內供暖設計溫度，耳房供暖設計溫度為18～22 °C[9]，供暖總面積為3473.1 m2。本文采用DeST-h 能耗模擬軟件計算5 棟節(jié)能大棚建筑供暖負荷，圍護結構構造及熱工參數如表1 所示，計算所得逐月供暖能耗如表2 所示。該5 棟節(jié)能農業(yè)大棚建筑平均逐時熱負荷為26.1 kW，最冷月最大熱負荷為162.8 kW，最大單位面積熱負荷指標為46.2 W/m2，單位面積平均熱負荷指標為25.7 W/m2。單位面積熱負荷指標大于30 W/m2出現(xiàn)在11 月25 日至3 月20 日期間，其他時間逐時負荷逐漸減小。根據冬季逐時負荷確定夜間供暖時間段為10 月21 日～3 月31 日，每天下午5：00 至次日早9：00，共計16 h/d。

表1 內蒙古某農業(yè)大棚建筑節(jié)能改造后的圍護結構參數

表2 內蒙古某農業(yè)大棚建筑逐月供暖能耗

2 SBTS與熱泵耦合系統(tǒng)方案優(yōu)化設計

2.1 基準供暖設計方案

2.1.1 GSHP 基準方案設計

本文首先以傳統(tǒng)GSHP 作為基準方案，通過ANSYS Workbench 模擬軟件對基準方案的井群進行了瞬態(tài)模擬，初步確定采用基準供暖設計方案后地下區(qū)域巖土溫度逐年變化情況。項目場地可進行鉆孔施工區(qū)域最大寬度和長度分別為20 m 和80 m。當地冬季供暖工況下每延米取熱量平均值取25.9 W/m[10]。根據計算所得熱負荷即可確定埋管換熱器總長。結合現(xiàn)場鉆井勘探地質情況和打井經濟性，井深取值為95 m，詳細埋管設計參數如表3 所示。

表3 GSHP基準方案埋管換熱井群設計參數

2.1.2 基準方案中地下巖土區(qū)域溫度逐年變化

基準方案井群區(qū)域巖土和井群邊界巖土逐年溫度在10 年運行過程中的變化情況如圖2 所示。該地區(qū)地溫正常情況下在12.5 °C 左右波動，波動范圍±0.25 °C。從模擬結果可明顯看出，井群區(qū)域地溫隨著運行年限的增加呈逐年下降趨勢，在無額外補熱措施情況下，井群區(qū)域地溫僅在第一年就將整體下降約1.5 °C，而在運行十年后理論上將降至5.0 °C 以下。實際上，地溫逐年下降將直接導致GSHP 系統(tǒng)能效逐年下降和運行能耗的逐漸上升，而且當地溫低于熱泵系統(tǒng)工作溫度下限值時，GSHP 系統(tǒng)將無法工作并導致整個供暖系統(tǒng)失效。因此，在以供暖為主地區(qū)若采用GSHP 系統(tǒng)進行供暖應在地下土壤保持熱平衡的條件下確保GSHP系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和可靠運行。

圖2 基準方案地下巖土溫度逐年變化趨勢

2.2 SBTS與熱泵耦合系統(tǒng)設計策略

2.2.1 SBTS 與熱泵耦合系統(tǒng)介紹

如圖3 所示，太陽能集熱器收集的當天熱量和SBTS 蓄熱體中跨季節(jié)儲存的熱量均可作為熱泵熱源。在非供暖季蓄熱/供熱水時，熱源端閥門L、M、N(l、m、n)開啟；蓄熱端SBTS 側閥門A、C(a、c)和O、P(o、p)開啟向SBTS 中輸送熱量；用熱側閥門O、Q(o、q)開啟提供生活熱水；在供暖季供暖/供熱水時，閥門O、P(o、p)，B、C(b、c)和O、Q(o、q)開啟提供生活熱水和向大棚末端供暖。

圖3 SBTS與熱泵耦合系統(tǒng)原理示意圖

2.2.2 SBTS 與熱泵耦合系統(tǒng)設計

(1)SBTS 蓄熱溫度的確定

跨季節(jié)埋管蓄熱耦合熱泵供暖系統(tǒng)由太陽能集熱器、地下埋管蓄熱體、地源熱泵機組、短期蓄熱水箱和換熱器等機房內設備以及供暖末端組成。在非供暖季集熱器收集的熱量儲存至地下蓄熱體中，在供暖季SBTS 蓄熱體作為GSHP 熱源為大棚建筑供熱。因此，SBTS 蓄熱溫度直接關系到熱泵選型、集熱器面積大小、蓄熱體場地面積和鉆井數量等。蓄熱溫度是指在每年蓄熱階段結束后、取熱階段開始前地下蓄熱體的平均溫度。熱泵機組蒸發(fā)器最高進口溫度為30 °C，根據引言中設定的3個目標，可取蓄熱溫度范圍為12.5～30 °C，模擬方案中分別取15、20 和25 °C。

(2)注入熱量的確定

按照蓄熱量與熱泵耗電量總和滿足大棚建筑的供暖能耗進行設計，則所需注入熱量為如下式：

式中，ρs，cs為 巖 土 密 度(單 位：kg/m3)和 比熱容(單 位：J/kg·°C)；Vs為巖土體積(單 位：m3)；Tsoil和Tstored為巖土初始溫度和每年蓄熱結束時蓄熱體平均溫度(單位：°C)；Textracted為巖土每年取熱結束時蓄熱體平均溫度(單位：°C)；Tf為第一年未蓄熱時從地下取熱結束后巖土平均溫度(單位：°C)；QIH為輸送到蓄熱體中的總注入熱量(單位：kJ)，Qq是從蓄熱體中提取為建筑提供供暖的熱量，kJ，在1.2 節(jié)中已通過能耗模擬得出；Ql指在蓄熱季和供暖季蓄熱體中的熱損失(單位：kJ)，三種蓄熱溫度下的熱損失率分別取15%、20% 和25%[6]；Qb為第一年未蓄熱時熱泵從地下提取熱量(單位：kJ)。本項目中SBTS 與熱泵耦合系統(tǒng)第一年運行為僅供熱，從第二年非供暖季開始跨季節(jié)蓄熱。

(3)SBTS 蓄熱體參數的確定

從式(2)中得出3 組不同蓄熱溫度下的蓄熱體體積。通過式(4)可得出每個蓄熱體對應的最小井深。井深太淺容易受到環(huán)境波動，不僅會影響系統(tǒng)性能穩(wěn)定，也會影響埋管換熱性能，太深則會影響蓄熱體蓄熱性能。結合實際場地條件，本方案中選取45、70 和95 m 的井深。蓄熱溫度越高其蓄熱體體積就越小，在相同井深和間距下所需井數越少。為了在相同蓄熱溫度下總換熱井長度相差不大，且使蓄熱系統(tǒng)溫度得到有效提升，本方案設計中不同蓄熱溫度15、20 和25 °C 分別取了4.5、3.5和3 m 的井間距。

式中，M、L 和HDP分別代表蓄熱體長、寬和高。

表4 SBTS與熱泵耦合系統(tǒng)供暖方案模擬優(yōu)化參數組合

表4 所示為上述確定設計參數條件下SBTS與熱泵耦合系統(tǒng)方案模擬組合。此外，根據體積與表面積比最小原則，增加了一組蓄熱體為正方體的方案作為其他優(yōu)化方案的對比參考方案。

2.3 評價指標

2.3.1 技術評價指標

采用逐年蓄熱率、逐年熱損失率、地下巖土逐年溫度變化和供暖期蓄熱體溫度變化作為技術評價指標。逐年蓄熱率等于逐年蓄熱量與逐年注入熱量之比，逐年蓄熱量等于每年蓄熱體溫度從取熱結束后提升到蓄熱結束后的熱量。逐年熱損失率等于逐年熱損失量與逐年注入熱量之比，逐年熱損失量等于不同階段通過蓄熱體邊界向外流出的熱量之和。而供暖期蓄熱體溫度變化則表征供暖期熱泵機組平均COP 變化。

2.3.2 經濟評價指標

經濟評價主要分析不同方案中相關設備初始投資和運行費用，包括節(jié)能性評價和經濟性評價。節(jié)能性評價主要指熱泵運行費用和水泵運行費用，如式(5)、式(6)：

NSBTS為SBTS 系統(tǒng)預估總運行費用(元)，NGSHP為GSHP 系統(tǒng)預估總運行費用(元)。COPSBTS為SBTS 與熱泵耦合系統(tǒng)中熱泵機組對應預計進出口水溫下的COP，COPGSHP為傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)熱泵機組對應預計進出口水溫下的COP。n 為系統(tǒng)預計運行年限，取25，當地電費價格為0.6 元/kWh。Cjr×A 為集熱系統(tǒng)水泵運行費用，A 為集熱器面積(m2)，Cjr為集熱系統(tǒng)水泵運行費用折算為每平方米的數值，此處取經驗值12.32 元/m2；Cjq×L 為井群系統(tǒng)水泵運行費用，L 為井群總延米數(m)，Cjq井群系統(tǒng)水泵運行費用折算為每延米數值，對應不同蓄熱溫差，取值范圍為1.8-2.5 元/m。

經濟性評價指相關設備初始投資，如式(7)、式(8)所示：

PSBTS為SBTS 系統(tǒng)對比初始總投資(CNY)，PG-SHP為地源熱泵系統(tǒng)的對比初始投資(CNY)，分別包含集熱器(Pjr)，井群(Pjq)，熱泵(Php)和水泵等費用(Psb)。

3 結果分析與討論

3.1 技術性能

3.1.1 巖土逐年溫度

圖4 給出了SBTS 與熱泵耦合供暖系統(tǒng)不同設計方案蓄熱體和周圍巖土溫度變化圖。從圖可看出，蓄熱井群通過每年蓄熱季蓄熱作用，地溫以年為周期逐漸產生穩(wěn)定循環(huán)變化。在供暖階段由于大棚建筑不斷取熱地溫逐漸下降至較低溫度，而通過蓄熱階段的注熱，地溫根據所設計的不同溫差范圍而上升，蓄熱結束后逐漸維持在所設計蓄熱溫度范圍。因此，熱泵系統(tǒng)在整個供暖季運行平均溫度和能效比相比基準方案得到大幅提高。同時，從表4 的設計計算也可看出隨著蓄熱溫度增大，整個蓄熱井群換熱井總長度可以得到大幅減少。此外，非供暖季集熱與蓄熱也并沒有導致蓄熱井群邊界巖土溫度的大幅提升，蓄熱井群邊界溫度在穩(wěn)定階段最大波動幅度維持在僅1.0 °C 左右。

圖4 不同優(yōu)化方案10年中的蓄熱體和周圍巖土逐年溫度變化

3.1.2 逐年蓄熱率和熱損失率

圖5 和6 分別顯示了SBTS 與熱泵耦合供暖系統(tǒng)不同優(yōu)化方案對應的逐年蓄熱率和熱損失率變化。從圖4 可看出：在相同蓄熱溫度下，“15 °C參考方案”的蓄熱率最佳，證明了體積與表面積比最小時蓄熱效果較好的原則。對于9 組優(yōu)化方案，在同一蓄熱溫度下井深越深蓄熱率越低，且蓄熱溫度為25 °C 時不同井深之間的蓄熱率變化更加明顯，井深45、70 和95 m 之間的蓄熱率差值達到了5%。從圖5 也可看出：在同一蓄熱溫度下井深越深熱損失率越大。從蓄熱率和熱損失率變化可知，井深95 m 時蓄熱率最低、熱損失率最高，而井深45 和70 m 的蓄熱率相差只有0.5～7.5%，在蓄熱溫度20°C 和25 °C 時二者熱損失率幾乎相同。從蓄熱率和取熱率變化中還可看出，蓄熱溫度為15 °C和20 °C 的設計方案其蓄熱率明顯高于蓄熱溫度25 °C 的設計方案，而蓄熱溫度20°C 的設計方案蓄熱率整體要比蓄熱溫度15°C 的設計方案要高，且熱損失率比蓄熱溫度15°C 設計方案要低，甚至在系統(tǒng)運行第六年之后比“15°C 對比方案”的熱損失率還低。

圖5 不同優(yōu)化方案10年中的逐年蓄熱率變化

圖6 不同優(yōu)化方案10年中的逐年熱損失率變化

3.1.3 供暖期巖土逐年溫度

圖7 給出了9 組不同優(yōu)化方案在10 年期間供暖期地下巖土平均溫度變化。模擬結果表明：除“15 °C 參考方案”外，蓄熱溫度為20 °C 的優(yōu)化設計方案在供暖期地下巖土平均溫度最高，運行10年后供暖期蓄熱體平均溫度提高到18.2 °C，比15 °C 其他設計方案最大高出1.5 °C，進而表征了蓄熱溫度為20°C 的優(yōu)化設計方案在供暖期熱泵COP 也最高。而蓄熱溫度25°C 的優(yōu)化設計方案雖設計溫差大于15 °C 時，但蓄熱溫度15 °C 的優(yōu)化設計方案在供暖期平均溫度要高于蓄熱溫度為25 °C 的優(yōu)化設計方案，這也是蓄熱溫度為15 °C的優(yōu)化設計方案蓄熱率較高的同時熱損失率也比蓄熱溫度為25 °C 的方案大的原因之一。蓄熱最終目的在于供暖期提高熱泵的運行效率，降低運行能耗。

圖7 不同優(yōu)化方案10年中供暖期地下巖土逐年平均溫度變化

3.2 經濟性能

SBTS 與熱泵耦合供暖系統(tǒng)相比基準方案要支出額外的集熱系統(tǒng)費用，但前者可大幅降低相關設備的運行費用。在9 組設計方案的年總運行費用要小于GSHP 的年總運行費用。由于蓄熱溫度的提升，所需蓄熱井群打井數量也大幅下降，因而蓄熱溫度為20 °C 和25 °C 的6 組優(yōu)化設計方案初始總投資費用反而要小于基準方案。年均總費用最低的“25-45”設計方案相比基準方案直接相關費用年節(jié)省1.7 萬元左右。由于供熱期間巖土平均溫度要低于蓄熱溫度15 、20 °C 的設計方案，因此蓄熱溫度為25 °C 的設計方案對應熱泵運行費用要高于15 °C 和20 °C 時。但由于集熱器和蓄熱井群總延米數大幅下降，相關動力系統(tǒng)運行費較低，因此年運行總費用還是低于其它兩組蓄熱溫度條件。

需要注意的是，在三組不同蓄熱溫度優(yōu)化方案中，蓄熱溫度越高年均總費用越低。投資費用隨蓄熱溫度升高而變低是由集熱器面積和蓄熱井群換熱井總延米數減少導致的。蓄熱溫度為20 °C 和25 °C 的優(yōu)化設計方案相比15 °C 的年均總費用降低了11.3%～15.6%，但蓄熱溫度從20°C 上升至25 °C 時年均總費用增加幅度大幅下降，二者相差僅3.9%～5.1%。

3.3 優(yōu)化方案結果

從經濟性角度看，隨蓄熱溫度增大年均總費用越低，但減少幅度逐漸下降。但從技術角度看，蓄熱溫度高將會導致較大地溫波動，不利于熱泵系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。通過上述技術和經濟性能綜合分析，在9 組優(yōu)化方案中采用蓄熱率高、熱損失率低，且經濟性能較好的一組，即蓄熱溫度20 °C、井深70 m 設計方案。該方案下取熱中期地下35 m 處1/4 截面地溫云圖逐年變化如圖8 所示，可以看出經過幾年的不斷取熱和蓄熱循環(huán)，蓄熱體可以維持較好的溫度梯度，因此可以取得較好的蓄熱率以及較低熱損失率。

圖8 20 °C-70 m方案取熱中期中間深度1/4截面地溫分布

4 結論

針對嚴寒地區(qū)典型農業(yè)大棚冬季供暖需求，采用逐年蓄熱率、逐年熱損失率、地下巖土逐年溫度變化、供暖期蓄熱體溫度變化作為技術性能評價指標，采用初始投資成本、運行費用以及年均總費用作為經濟性能評價指標，對比分析了SBTS 與熱泵耦合供暖系統(tǒng)不同設計方案，并將不同方案進一步與基準方案和理想參考方案進行了對比，得出采用SBTS 與熱泵耦合供暖系統(tǒng)可以有效解決農業(yè)大棚建筑地下巖土因取排熱量不平衡導致的地溫逐漸下降問題，以SBTS 蓄熱體作為熱泵系統(tǒng)的熱源可大幅降低鉆孔數量的同時保證系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行，以供暖為主的農業(yè)大棚建筑中采用SBTS 與熱泵耦合系統(tǒng)進行供暖是一種經濟可行的方案。在本文的9 組設計方案中，蓄熱溫度20 °C 的設計方案蓄熱率最高、熱損失率較低，供暖期地下巖土平均溫度也最高，全年蓄熱體溫度波動較低，該方案所對應的技術和經濟綜合性能指標最最優(yōu)。