多能源耦合系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)的應用研究

魏俊輝 褚 賽 劉啟明 鮑 超 童 雷

（北京市勘察設計研究院有限公司 北京 100038）

0 引言

我國嚴寒地區(qū)冬季漫長而寒冷，對采暖要求相對較高，目前主要使用煤等不可再生能源，其對環(huán)境污染影響嚴重。為減少建筑對環(huán)境及能源消耗的不良影響，國家政策鼓勵開發(fā)使用可再生能源用于建筑制冷、采暖，嚴寒地區(qū)能源解決方案的研究目前已十分必要且迫在眉睫[1]。

眾所周知，地埋管地源熱泵系統(tǒng)由于其高效節(jié)能、安全穩(wěn)定、運行費用低等優(yōu)點得到廣泛應用。但在嚴寒地區(qū)，由于建筑冷、熱負荷的不平衡，從而導致地埋管周圍土壤溫度出現逐年下降的趨勢。土壤溫度的逐年下降直接導致地源熱泵系統(tǒng)性能系數下降，甚至無法正常運行。

基于地源熱泵的多能源耦合系統(tǒng)可以通過能源之間的互補，彌補不同能源的劣勢，發(fā)揮不同能源的優(yōu)勢，有效提高系統(tǒng)運行性能和效率，減少系統(tǒng)能耗，近年來國內外學者也對此進行了深入研究。白晨光等[2]提出了一種將空氣能、土壤能、太陽能互補利用的多熱源耦合熱泵系統(tǒng)，并以哈爾濱地區(qū)為例對該系統(tǒng)進行了數值模擬，結果表明系統(tǒng)全年綜合COP 值為3.19，土壤熱不平衡率為0.71%，證實是一種適用于嚴寒地區(qū)的高效熱泵系統(tǒng)。宋曉蓓[3]提出了多熱源耦合熱泵供暖空調系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機等主要組成部分的數學模型，以哈爾濱地區(qū)某典型住宅為例，模擬分析耦合系統(tǒng)動態(tài)特性，模擬研究表明，多熱源耦合熱泵供暖空調系統(tǒng)在我國嚴寒地區(qū)應用具有良好的節(jié)能效果和可行性。張姝等[4]設計了用于研究嚴寒地區(qū)土壤熱補償策略的太陽能/空氣能/地熱能/熱泵綜合實驗臺，該實驗臺既可手動實現多種運行模式的轉換，又可實現在一定溫度條件下的連續(xù)運行，通過實驗臺的搭建以期為嚴寒地區(qū)土壤源熱泵容易出現的土壤熱失衡問題提供研究平臺。韓宗偉等[5]在研究分析嚴寒地區(qū)建筑負荷特性及自然能源能量輸出特性基礎上，探討了嚴寒地區(qū)熱泵供暖空調系統(tǒng)的構建基本思想，并據此思想構建了一種能實現多種自然能源互補利用的多源耦合熱泵系統(tǒng)，為嚴寒地區(qū)熱泵供暖空調系統(tǒng)用于提出參考。

上述研究未能從工程實際方案設計及運行角度對比多能源耦合系統(tǒng)應用效果，本文以長春市某建筑為例，利用Dest 軟件模擬了全年逐時動態(tài)負荷，通過對多種能源形式不同的耦合方式的研究，得到滿足經濟性要求的工程應用的指導方案。

1 負荷分析

本項目為長春市某產業(yè)園內辦公區(qū)，包含綜合服務中心、銷售展示中心及檢測研發(fā)中心，建筑地上8 層，地下1 層，總供能面積55894.98m2。建筑外墻為黏土實心磚及聚苯板復合保溫墻，外窗為斷橋鋁合金中空low-e 玻璃，屋頂為SBS 改性瀝青防水卷材屋面并有擠塑板保溫。將建筑地理位置、圍護結構類型以及熱工參數、房間功能、室內設計參數、室內熱擾參數、全年熱擾及空調系統(tǒng)作息模式等輸入模型，在DeST 軟件中進行全年8760 小時的逐時動態(tài)負荷模擬，計算出建筑全年逐時動態(tài)冷熱負荷分布。本項目供冷季時間為6月15日至9月15日共計93 天，供暖季時間為10月20日至來年4月6日共計169 天。本項目制冷、供暖季動態(tài)負荷分布如圖1 所示。由圖1 可得，該樓制冷季峰值冷負荷為4728.86kW，峰值熱負荷為3882.39kW；累計冷負荷為1610.41MWh，累計熱負荷為6523.19MWh。

圖1 建筑制冷季、供暖季動態(tài)負荷Fig.1 Dynamic load in building cooling season and heating season

2 方案對比

本項目為新建建筑，地處偏遠，無法接入市政供暖系統(tǒng)，燃氣也未接入，綜合考慮油、煤運輸困難費用高以及節(jié)能環(huán)保等因素，不宜采用燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、燃油鍋爐、電鍋爐等傳統(tǒng)方式。

項目場地范圍內地貌類型屬于河流階地地貌，地形平坦開闊，地勢西北略高，東南略低，依據現場量測及巖土熱響應試驗，150m 深度范圍內巖土體初始溫度為9.90℃，地層綜合導熱系數為1.47W/（m·K），綜合熱擴散率為0.075m2/d，場區(qū)內地埋換熱適宜性分區(qū)屬較適宜區(qū)。

若單獨采用地源熱泵系統(tǒng)為建筑冬季供暖，夏季制冷，經計算，全年向土壤排熱量為1903.22MWh，全年向土壤取熱量為5073.59MWh，全年取排熱熱量差值為3170.37MWh，不平衡率為62.49%。故擬采用多能源耦合系統(tǒng)為建筑冬季供暖、夏季制冷，通過能源間的互補，有效提升系統(tǒng)運行性能和效率，減少系統(tǒng)能耗，用于補熱或輔熱的熱源裝置一般有太陽能系統(tǒng)及空氣源熱泵。

太陽能光熱技術與地源熱泵相結合為地埋管補熱，既可以利用土壤蓄熱特性實現太陽能跨季節(jié)蓄熱，又可保證地埋管地源熱泵系統(tǒng)正常運行，且運行費用低，其系統(tǒng)原理如圖2 所示，但太陽能集熱板占地面積大、系統(tǒng)初投資造價高是該系統(tǒng)不容忽視的缺點之一?？諝庠礋岜眉饶苤评溆帜芄┡€可在過渡季進行補熱[6]，以維持土壤的吸放熱平衡，其系統(tǒng)原理如圖3 所示，但空氣源熱泵機組制熱性能隨室外環(huán)境變化劇烈。

圖2 地源熱泵+太陽能補熱系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of GSHP and solar supplementary heating system

圖3 空氣源熱泵與地源熱泵耦合系統(tǒng)原理Fig.3 Principle of coupling system of air source heat pump and GSHP

3 地源熱泵+太陽能系統(tǒng)

3.1 設計思路

本方案選擇兩臺地源熱泵機組為建筑冬季供暖夏季制冷，單臺制冷量2430kW，總制冷量4860kW，單臺制熱量為2122kW，總制熱量4244kW，共設計150m 地埋孔1056 個，滿足建筑冷熱負荷需求。

參照國家建筑標準設計圖集《太陽能集熱系統(tǒng)設計與安裝》（06K503）[7]中所列長春市太陽能輻照量數據，經計算可得，單平米傾斜表面全年太陽輻照量為5918.36MJ。參照《建筑給水排水設計標準》（GB50015-2019），太陽能集熱板集熱效率暫按53.8%計算，管路損失暫按15%計算，則單平米集熱板全年太陽集熱量為2706.47MJ。為提高太陽能集熱器使用率，本系統(tǒng)設計全年對土壤進行補熱，經過計算，補熱所需太陽能集熱器面積為4200m2，滿足系統(tǒng)補熱量3170.37MWh 的需求，系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定高效運行。全年太陽能補熱量如圖4 所示。

圖4 太陽能補熱量Fig.4 Solar heat supplement

3.2 運行策略

為保證太陽能補熱系統(tǒng)的有效補熱，實時監(jiān)測儲熱水箱溫度與地埋管出水溫度，當儲熱水箱溫度大于地埋管出水溫度并且維持一定時間后，通過閥門切換開啟太陽能補熱，反之關閉太陽能補熱系統(tǒng)。

3.2.1 夏季運行工況

夏季運行工況下，既要保證地源熱泵制冷系統(tǒng)正常運行，又要保證太陽能補熱系統(tǒng)有效的將太陽能集熱量回灌到地埋管中。具體的措施有：

（1）通過閥門切換，機組冷凝器出水先經過板式換熱器，吸收太陽能熱量，再經過地埋管進行熱交換后流回機組。

（2）對冷卻水溫度進行實時監(jiān)測，防止冷卻水進入冷凝器的溫度過高而造成地源熱泵機組停機。當系統(tǒng)監(jiān)測到冷卻水溫度高于機組要求最高限值時，系統(tǒng)暫時關閉太陽能補熱系統(tǒng)，反之正常啟動太陽能補熱系統(tǒng)。

（3）合理設計儲熱水箱的有效容積，保證太陽能集熱量全部回灌到地埋管中。同時校核夏季運行工況下集熱量引起的機組出水溫升：

①太陽能集熱器集熱量計算

式中，Q集為太陽能集熱器集熱量，kW；S 為太陽能補熱系統(tǒng)集熱面積，m2； JT為月平均日太陽能輻照量，MJ/m2·d；cdη 為太陽能集熱器集熱效率，取0.538；t 為日照小時數，h。

②集熱量（補熱換熱量）能夠引起的機組出水溫升ΔT1

式中，Q補為太陽能補熱量/集熱量，kW；V1為機組冷凝器側水流量，m3/h。

經計算，本項目集熱量引起的機組最大溫升為1.73℃，能夠保證機組在高效運行范圍內。

3.2.2 冬季運行工況

冬季運行工況下，通過閥門切換，機組冷凝器出水先經過地埋管進行熱交換，再經過板式換熱器，吸收太陽能熱量后流回機組。既保證了太陽能補熱系統(tǒng)有效的將太陽能集熱量回灌到地埋管中，又提高了機組蒸發(fā)器的溫度，保證了供暖系統(tǒng)的高效運行。

3.2.3 過渡季運行工況

過渡季運行工況下，關閉地源熱泵系統(tǒng)，太陽能補熱系統(tǒng)對土壤進行補熱。

3.3 運行費用

經計算，本系統(tǒng)夏季制冷運行費用19.58 萬元，冬季供暖運行費用108.32 萬元，太陽能補熱運行費用6.1 萬元，總運行費用134 萬元。

4 地源熱泵+空氣源熱泵系統(tǒng)

4.1 設計思路

考慮地源熱泵系統(tǒng)與空氣源熱泵系統(tǒng)能夠穩(wěn)定聯合運行，同時降低末端循環(huán)水泵并聯的流量折減。經合理計算匹配，地源熱泵與空氣源熱泵裝機容量各承擔負荷的50%。由于空氣源熱泵制熱量會隨室外溫度的下降而衰減，而制冷量衰減不像冬季工況劇烈，故夏季選擇空氣源熱泵機組部分輪換開啟。圖5 為空氣源熱泵制熱性能隨室外環(huán)境溫度的變化曲線，該曲線可直觀描述室外溫度對空氣源熱泵制熱性能的影響。

圖5 空氣源熱泵性能變化曲線Fig.5 Air source heat pump performance change curve

4.2 運行策略

該系統(tǒng)的運行策略以溫度為監(jiān)控點，以某一種能源形式為基載，承擔基礎負荷，另一種能源形式作為調峰使用，通過監(jiān)測溫度確定輔助能源的起停。即有三種方案，第一：以地源熱泵系統(tǒng)為基載，承擔基礎負荷，空氣源熱泵系統(tǒng)作為調峰使用；第二：以空氣源熱泵系統(tǒng)為基載，承擔基礎負荷，地源熱泵系統(tǒng)作為調峰使用；第三：采用分時段-溫度控制的策略，即采用一年中不同季節(jié)來控制機組的啟停，對于本系統(tǒng)，在初冬或冬末室外濕球溫度較高時，空氣源熱泵系統(tǒng)優(yōu)先運行，在其他時間段，地源熱泵機組承擔基礎負荷，空氣源熱泵系統(tǒng)作為調峰使用。

4.2.1 地源熱泵承擔基礎負荷

在部分負荷時優(yōu)先運行地源熱泵系統(tǒng)，通過監(jiān)測機組回水溫度以及機組負載率，判定單獨運行地源熱泵系統(tǒng)是否能夠滿足建筑負荷需求。當負荷增大、無法滿足設計工況時開啟空氣源熱泵系統(tǒng)進行調峰。該方案的優(yōu)點是發(fā)揮了設置地源熱泵系統(tǒng)的作用，充分應用了地源熱泵系統(tǒng)環(huán)保、高效、節(jié)能的優(yōu)點，降低系統(tǒng)的運行費用。

根據長春市的氣溫曲線以及該項目的熱負荷分布曲線，在峰值熱負荷時，對應的室外氣溫為-28℃，按照空氣源熱泵的制熱曲線，在-28℃工況下，單臺空氣源熱泵的制熱量為66.88kW。該方案共設計150m 深地埋孔528 個，主機設備選型參數如表1 所示，系統(tǒng)承擔負荷分布如圖6 所示。

表1 主機設備選型參數表Table 1 Equipment selection parameter table

圖6 復合能源系統(tǒng)各種能源承擔負荷分布Fig.6 Energy distribution of composite energy system

經計算，在種運行策略下地源熱泵系統(tǒng)承擔峰值冷負荷為2430kW，累計承擔的冷負荷為1529.51MWh，承擔峰值熱負荷為2122kW，累計承擔的熱負荷為6017.54MWh。地源熱泵系統(tǒng)全年向土壤排熱量為1807.60MWh，向土壤取熱量為4680.31MWh ， 全年取排熱熱量差值為2872.71MWh，不平衡率為61.38%。

經過迭代計算，空氣源熱泵在9月16日到10月17日補熱運行，該時間段室外平均干球溫度12.29℃，在該工況下空氣源熱泵COP 為3.53，補熱效率相對較高，且將補熱時間選擇在制冷季末至供暖季前這段時間，能夠有效減少熱量流失。圖7為空氣源熱泵補熱量分布圖，經計算，空氣源熱泵總補熱量為2941.90MWh，滿足所需補熱量2872.71MWh 的需求。

圖7 空氣源熱泵系統(tǒng)補熱量Fig.7 Air source heat pump supplement heat

4.2.2 空氣源熱泵承擔基礎負荷

在部分負荷時優(yōu)先運行空氣源熱泵系統(tǒng)，通過監(jiān)測機組回水溫度以及機組負載率，判定單獨運行空氣源熱泵系統(tǒng)是否能夠滿足建筑負荷需求。當負荷增大、無法滿足設計工況時開啟地埋管地源熱泵系統(tǒng)進行調峰。

該方案的優(yōu)點是充分利用了空氣源熱泵系統(tǒng)在夏季室外干、濕球溫度相對較低時段以及冬季室外干、濕球溫度相對較高時段運行效率較高的特點，提高了空氣源熱泵系統(tǒng)的運行效率。

根據該項目的熱負荷分布曲線，在50%左右熱負荷時，對應的室外氣溫均≥-5℃，因此可以按照-5℃工況選擇空氣源熱泵機組，承擔同樣比例負荷下，降低了空氣源熱泵的裝機容量。按照空氣源熱泵的制熱曲線，在-5℃工況下，單臺空氣源熱泵的制熱量為114.5kW。該方案共設計150m 深地埋孔528 個，主機設備選型參數如表2 所示，各系統(tǒng)承擔負荷分析如圖8 所示。

表2 主機設備選型參數表Table 2 Equipment selection parameter table

圖8 復合能源系統(tǒng)各種能源承擔負荷分布Fig.8 Energy distribution of composite energy system

經過計算，在該種運行策略下，地源熱泵系統(tǒng)承擔峰值冷負荷為2430kW，累計承擔的冷負荷為98.85MWh。地源熱泵系統(tǒng)承擔峰值熱負荷為2122kW，累計承擔的熱負荷為1310.57MWh。地源熱泵系統(tǒng)全年向土壤排熱量為116.82MWh，向土壤取熱量為1019.33MWh，全年取排熱不平衡率為88.54%，該系統(tǒng)全年取排熱熱量差值為

902.51MWh。

經過迭代計算，空氣源熱泵在9月16日到10月1日補熱運行，該時間段室外平均干球溫度14.79℃，在該工況下空氣源熱泵COP 為3.63，補熱效率相對較高，且將補熱時間選擇在制冷季末至供暖季前這段時間，能夠有效減少熱量的流失。圖9 為空氣源熱泵補熱量分布圖，經計算，空氣源熱泵總補熱量為942.53MWh，能夠滿足所需補熱量902.51MWh 的需求。

圖9 空氣源熱泵系統(tǒng)補熱量Fig.9 Air source heat pump supplement heat

4.2.3 分時段-溫度控制

地源熱泵+空氣源熱泵耦合系統(tǒng)運行策略采用分時段-溫度控制的方法。即采用一年中不同季節(jié)來控制機組的啟停，為了避免發(fā)生水環(huán)路溫度過高的情況，用設定機組最高回水溫度的溫度控制的方法作為補充。

分時段-溫度控制需要結合建筑所在區(qū)域的氣候條件和全年日負荷等數據來制定系統(tǒng)的運行策略，以提高系統(tǒng)的運行效率。對于本系統(tǒng)，在初冬室外濕球溫度較高時，空氣源熱泵系統(tǒng)可以優(yōu)先運行，在冬末，剛度過熱負荷的高峰階段，地埋管周圍土壤溫度已經降低，熱負荷已經處于較低的水準。繼續(xù)讓地埋管持續(xù)工作會導致熱泵系統(tǒng)的運行效率降低，此時讓空氣源熱泵系統(tǒng)優(yōu)先運行，讓其承擔這部分較低的熱負荷，使得系統(tǒng)整體運行達到最優(yōu)。在其他時間段，地源熱泵機組承擔基礎負荷，空氣源熱泵系統(tǒng)作為調峰使用。

該方案的優(yōu)點在于既充分利用了室外干、濕球溫度相對較高時的階段，提高了空氣源熱泵機組的運行效率。又充分應用了地源熱泵系統(tǒng)環(huán)保、高效、節(jié)能的優(yōu)點，降低系統(tǒng)的運行費用。

經過迭代試算，在10月20日~11月10日的初冬以及3月13日~4月6日的冬末單獨開啟空氣源熱泵系統(tǒng)，其他時間段，地源熱泵機組承擔基礎負荷，空氣源熱泵系統(tǒng)作為調峰使用。查長春市供暖季氣溫分布曲線，在該時間段，最低氣溫為-13.2℃。查該項目冬季熱負荷分布曲線圖，在該時間段最大熱負荷為2450.7kW。查空氣源熱泵機組制熱量隨室外氣溫分布曲線，在-13.2℃時，空氣源熱泵機組總制熱量為2581.2kW，單獨運行空氣源熱泵機組能夠滿足該時間段熱負荷的需求。各系統(tǒng)的承擔負荷分析如圖10 所示。

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圖10 復合能源系統(tǒng)各種能源承擔負荷分布Fig.10 Energy distribution of composite energy system

經過計算，在該種運行策略下，地源熱泵系統(tǒng)承擔峰值冷負荷為2430kW，累計承擔的冷負荷為1529.51MWh。地源熱泵系統(tǒng)承擔峰值熱負荷為2212kW，累計承擔的熱負荷為5043.65MWh。地源熱泵系統(tǒng)全年向土壤散熱量為1807.60MWh，全年向土壤取熱量為3922.84MWh，全年取排熱熱量差值為2115.24MWh，全年取排熱不平衡率為53.92%。

經過迭代計算，空氣源熱泵在9月16日到10月8日補熱運行，該時間段室外平均干球溫度13.17℃，在該工況下空氣源熱泵COP 為3.53，補熱效率相對較高，且將補熱時間選擇在制冷季末至供暖季前這段時間，能夠有效減少熱量流失。圖11 為空氣源熱泵補熱量分布圖，經計算，空氣源熱泵總補熱量為2127.51MWh，能夠滿足所需補熱量2115.24MWh 的需求。

圖11 空氣源熱泵系統(tǒng)補熱量Fig.11 Air source heat pump supplement heat

4.3 運行費用

綜合考慮項目所在地能源分時價格及各系統(tǒng)不同工況的運行參數，計算該系統(tǒng)運行費用。

4.3.1 地源熱泵承擔基礎負荷

經計算，地源熱泵承擔基礎負荷-空氣源熱泵調峰的運行策略下，地源熱泵系統(tǒng)夏季制冷運行費用18.60 萬元，冬季供暖運行費用99.92 萬元；空氣源熱泵夏季制冷運行費用為1.95 萬元，冬季供暖運行費用為17.05 萬元；空氣源熱泵補熱運行費用為62.58 萬元；全年運行費用200.09 萬元。

4.3.2 空氣源熱泵承擔基礎負荷

經計算，空氣源熱泵承擔基礎負荷-地源熱泵調峰的運行策略下，地源熱泵夏季制冷運行費用1.20 萬元，冬季供暖運行費用9.78 萬元；空氣源熱泵夏季制冷運行費用36.34 萬，冬季供暖運行費用177.84 萬元；空氣源熱泵補熱運行費用為19.60萬元；全年運行費用為244.76 萬元。

4.3.3 分時段-溫度控制

經計算，地源熱泵承擔基礎負荷-空氣源熱泵調峰并輔以分時段-溫度控制策略下，地源熱泵夏季制冷運行費用18.6 萬元，冬季供暖運行費用83.75 萬元；空氣源熱泵夏季制冷運行費用1.95 萬元，冬季供暖運行費用41.71 萬元；空氣源熱泵補熱運行費用44.88 萬元；全年運行費用190.88 萬元。

5 經濟性分析

該項目初投資估算如表3 所示，建筑性質為自持出租，假定運營收費標準為62 元/m2，則從業(yè)主方考慮，各系統(tǒng)收益-支出增長如圖12 所示。由圖可知，運營收費收益與初投資+運行費用等支出相持平的時間依次為：地源熱泵+空氣源熱泵系統(tǒng)且采用分時段+溫度控制系統(tǒng)為9.31年，地源熱泵+空氣源熱泵系統(tǒng)且地源熱泵承擔基礎負荷為9.90年，地源熱泵+太陽能系統(tǒng)為10.96年，地源熱泵+空氣源熱泵系統(tǒng)且空氣源熱泵承擔基礎負荷為12.08年。故本項目采用地源熱泵承擔基礎負荷-空氣源熱泵調峰并輔以分時段-溫度控制策略經濟性最優(yōu)。

表3 初投資估算Table 3 Initial investment estimate

圖12 收入支出增長圖Fig.12 Income and expenditure growth

6 結論

本文以長春市某產業(yè)園項目為例，利用DeST軟件計算了全年逐時動態(tài)負荷，對不同能源耦合方式以及不同運行策略下的各個系統(tǒng)經濟性進行了分析，得出如下結論：

（1）地源熱泵+太陽能耦合系統(tǒng)，初投資最高、運行費用最低；

（2）地源熱泵+空氣源熱泵的耦合系統(tǒng)，采用以空氣源熱泵承擔基礎負荷時，初投資最低，運行費用最高；

（3）地源熱泵+空氣源熱泵的耦合系統(tǒng)，采用分時段-溫度控制的策略時，在系統(tǒng)的全壽命周期內經濟性最好；

（4）不同的能源耦合方式的經濟性與建筑所在區(qū)域的氣候條件、全年日負荷數據以及工程場地的地層資料、太陽能輻照量、能源價格能有關。