張兵兵劉桂義魏建平王德敬刁乃仁

1山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院

2山東省地礦工程集團(tuán)有限公司

土壤源熱泵作為一種清潔節(jié)能的空調(diào)技術(shù)方式，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用和推廣。但是北方地區(qū)土壤源熱泵在運(yùn)行過程中存在取熱量和排熱量不均的問題，造成土壤熱不平衡，運(yùn)行一段時(shí)間后將導(dǎo)致土壤源熱泵系統(tǒng)性能嚴(yán)重衰減甚至無法運(yùn)行。針對(duì)這一問題，目前有兩種解決方案：1）增加土壤源換熱器的鉆孔、深度和間距，該方法通過增大土壤蓄熱體積，可一定程度緩解熱不平衡，但由于未改變系統(tǒng)與土壤的換熱量，并不能從本質(zhì)上解決這一問題。同時(shí)，隨著埋管間距、深度和數(shù)量的增加，施工難度和占地面積增大，系統(tǒng)初投資也將隨之增大[1]。2）增設(shè)太陽能集熱器、鍋爐等輔助補(bǔ)熱設(shè)備。但是太陽能集熱器存在初投資較高且受環(huán)境影響較大的問題，而鍋爐存在效率低下和環(huán)境污染的問題。為此可以通過系統(tǒng)室外側(cè)的復(fù)合換熱器將單一的空氣源熱泵和土壤源熱泵融合在一起，通過溫度控制空氣-土壤源雙熱源復(fù)合換熱器來實(shí)現(xiàn)土壤源熱泵與空氣源熱泵的分階段運(yùn)行，能夠減少土壤源熱泵的取熱量，從而在一定程度上解決北方地區(qū)土壤熱不平衡的問題，使地源熱泵系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效的長(zhǎng)期運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可靠，節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

1 空氣-土壤源雙熱源熱泵的系統(tǒng)組成及工作原理

空氣-土壤源雙熱源熱泵是利用室外空氣與土壤源作為低品位熱源的復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)，屬于空氣源與土壤源綜合利用的形式，空氣-土壤源雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)是在傳統(tǒng)單一土壤源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用空氣-土壤源雙熱源復(fù)合式換熱器替代傳統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)中的換熱器。圖1所示為復(fù)合熱泵系統(tǒng)的原理圖，該系統(tǒng)由空氣換熱器，地埋管換熱器，熱泵機(jī)組，分水器，集水器，水泵，連接管路及附屬設(shè)備等組成。該復(fù)合熱泵系統(tǒng)與常規(guī)的土壤源熱泵不同，它可以在復(fù)合換熱器中實(shí)現(xiàn)制冷劑與空氣和水兩種不同狀態(tài)熱源的交替換熱，通過溫度對(duì)雙熱源復(fù)合換熱器的控制使熱泵系統(tǒng)可以交替使用空氣和土壤源兩種可再生能源，根據(jù)室外空氣溫度的變化情況及用戶的實(shí)際需求和當(dāng)?shù)氐牡責(zé)豳Y源狀況，可以實(shí)現(xiàn)兩種不同的工作模式：?jiǎn)我坏目諝鉄嵩茨Ｊ?、單一的土壤源模式，通過兩種模式的切換可以保證系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行期內(nèi)的高效運(yùn)行。

圖1 空氣-土壤源雙熱源復(fù)合熱泵原理圖

2 空氣-土壤源復(fù)合式換熱器的結(jié)構(gòu)

空氣-土壤源雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)是在傳統(tǒng)土壤源熱泵換熱器基礎(chǔ)上增加空氣源換熱器，從而組成空氣-土壤源雙熱源復(fù)合式換熱器，該復(fù)合換熱器通過套管式換熱器和翅片可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣源和土壤源這兩種可再生能源的綜合利用，從而提高熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率及穩(wěn)定性[2]。空氣源-土壤源雙熱源復(fù)合式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由圖2可知，該復(fù)合換熱器由外管、內(nèi)管和翅片組成。如圖2所示內(nèi)管中為液態(tài)熱源通道即地埋管出水流道；外管外側(cè)的翅片間隙為空氣熱源通道；內(nèi)管與外管之間的環(huán)形通道則為制冷劑通道。這樣就通過套管式換熱器和翅片在復(fù)合換熱器內(nèi)部形成三個(gè)流體通道，分別為制冷劑側(cè)通道、水側(cè)通道和空氣側(cè)通道。該復(fù)合式換熱器可以根據(jù)用戶的實(shí)際需要和室外的環(huán)境狀況通過控制復(fù)合換熱器水側(cè)的閥門和空氣側(cè)風(fēng)機(jī)的開與關(guān)來實(shí)現(xiàn)不同的熱泵運(yùn)行模式。

圖2 復(fù)合式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

3 空氣-土壤源雙熱源熱泵分析

3.1 空氣-土壤源雙熱源熱泵最佳復(fù)合溫度

空氣源熱泵是以室外空氣為一個(gè)熱源，在供熱工況下將室外空氣作為低溫?zé)嵩?，從室外空氣中吸收熱量，?jīng)熱泵提高溫度后送入室內(nèi)供暖，其特點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，初投資較低，缺點(diǎn)是在寒冷地區(qū)供熱工況下其蒸發(fā)器會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜問題，使蒸發(fā)器熱阻增大，與空氣換熱量減小，熱泵效率大大降低。土壤源熱泵系統(tǒng)是利用200 m以內(nèi)的淺層地殼中儲(chǔ)存的熱能資源對(duì)建筑進(jìn)行供熱與空調(diào)，具有良好的節(jié)能和環(huán)境效益[3]。空氣-土壤源雙熱源復(fù)合熱泵主要目的是通過溫度控制空氣源熱泵和土壤源熱泵的間歇運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)緩解土壤的熱不平衡，所以空氣源-土壤源雙熱源熱泵的最佳復(fù)合溫度應(yīng)綜合考慮土壤的熱不平衡及空氣源熱泵的運(yùn)行特性。即在保證土壤的熱不平衡的條件下又要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的高效運(yùn)行，從而達(dá)到減少?gòu)耐寥乐械娜崃?，?shí)現(xiàn)土壤的取熱量與排熱量平衡，達(dá)到長(zhǎng)期高效運(yùn)行的目的。

由濟(jì)南市典型年最冷月分布（圖3）可知：濟(jì)南地區(qū)在典型年的最冷月出現(xiàn)在一月份，其中最冷月中的最低溫度出現(xiàn)在1月18日，日最低溫度為-11.5 ℃。

圖3 濟(jì)南典型氣象年最冷月溫度分布圖

研究地點(diǎn)位于山東省濟(jì)南市，由DeST軟件獲取了濟(jì)南市典型氣象年的逐時(shí)室外溫度，統(tǒng)計(jì)出供暖季逐時(shí)室外溫度，并且通過DeST軟件計(jì)算出濟(jì)南市一棟供暖面積為183 m2的小別墅供暖季（時(shí)間取11月15日-次年3月15日，共121天）的逐時(shí)熱負(fù)荷和逐時(shí)冷負(fù)荷，計(jì)算結(jié)果及供暖季逐時(shí)室外溫度，供暖季逐時(shí)熱負(fù)荷分布情況如表1～2及圖4～6所示：

表1 建筑負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

圖4 供暖季室外溫度逐時(shí)變化圖

圖5 供暖季逐時(shí)熱負(fù)荷變化圖

圖6 供暖季逐時(shí)溫度分布時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖

表2 不同室外溫度下的累計(jì)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

由表1可知累計(jì)熱負(fù)荷為10746.31 kWh，累計(jì)冷負(fù)荷為5200.93 kWh，所以計(jì)算可得單一土壤源熱泵從土壤中的吸熱量為8450.09 kWh，放熱量為6291.27 kWh，計(jì)算出土壤的熱不平衡率為25.5%，土壤源熱泵的吸熱量比排熱量多2158.52 kWh=7.77 GJ，從土壤中吸收7.77 GJ熱量可以向室內(nèi)提供9.88 GJ的熱量。所以要保持土壤的熱平衡，應(yīng)由空氣源熱泵向室內(nèi)至少提供9.88 GJ的熱量。由于空氣源熱泵的COP和制熱量隨溫度的升高而增大。由表2不同室外溫度下的累計(jì)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表可知當(dāng)室外空氣溫度大于3℃時(shí)，其室內(nèi)累計(jì)負(fù)荷為2865.38 kWh=10.32 GJ，此時(shí)土壤的熱不平衡率為1.5%，基本可以滿足土壤的熱平衡。所以可以將空氣源熱泵開啟的溫度設(shè)定為3 ℃，此時(shí)空氣源熱泵可以向室內(nèi)提供約10.32 GJ的熱量，可以滿足室內(nèi)供熱的需求并且能夠緩解土壤的熱不平衡。所以最終確定濟(jì)南地區(qū)空氣-土壤源熱泵的最佳復(fù)合溫度為3 ℃。所以濟(jì)南地區(qū)空氣-土壤源雙熱源復(fù)合熱泵的運(yùn)行策略為當(dāng)空氣溫度低于3℃時(shí)，運(yùn)行土壤源熱泵。當(dāng)空氣溫度高于3 ℃時(shí)，運(yùn)行空氣源熱泵。通過溫度控制空氣源熱泵和土壤源熱泵的間歇運(yùn)行，不但能夠滿足室內(nèi)負(fù)荷變化的要求而且能夠保證空氣源熱泵蒸發(fā)器不結(jié)霜，能夠減少?gòu)耐寥涝吹奈鼰崃?，緩解土壤的熱不平衡，?shí)現(xiàn)整個(gè)復(fù)合系統(tǒng)高效長(zhǎng)期運(yùn)行。

3.2 空氣-土壤源雙熱源復(fù)合熱泵運(yùn)行分析

通過建立空氣源熱泵各部分的數(shù)學(xué)模型，用MATLAB仿真模擬空氣源熱泵在-14～10 ℃下COP和產(chǎn)熱量，模擬時(shí)室外空氣溫度-14～10 ℃，機(jī)組進(jìn)出水溫度為40 ℃和45℃下運(yùn)行。蒸發(fā)溫度通常比室外溫度低8～10 ℃，冷凝溫度通常比進(jìn)水平均溫度高4～6 ℃。模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 空氣源熱泵COP隨室外溫度變化圖

由前文分析得到了空氣-土壤源雙熱源復(fù)合熱泵的最佳復(fù)合溫度為3℃，所以該復(fù)合系統(tǒng)的運(yùn)行策略為當(dāng)溫度t＜3 ℃時(shí)土壤源熱泵運(yùn)行，當(dāng)t≥3 ℃時(shí)空氣源熱泵運(yùn)行。所以根據(jù)由DeST導(dǎo)出的濟(jì)南市典型氣象年供暖季逐時(shí)室外干球溫度，將供暖季逐時(shí)室外干球溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以確定出空氣源熱泵和土壤源熱泵的運(yùn)行時(shí)間，即溫度t＜3 ℃時(shí)的室外逐時(shí)統(tǒng)計(jì)干球溫度小時(shí)數(shù)為土壤源熱泵運(yùn)行時(shí)間，溫度t≥3 ℃時(shí)的室外逐時(shí)干球溫度統(tǒng)計(jì)小時(shí)數(shù)為空氣源熱泵在供暖季的運(yùn)行時(shí)間。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8：

圖8 熱泵的運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖

根據(jù)圖8熱泵的運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖可知，土壤源熱泵在整個(gè)供暖季運(yùn)行時(shí)間為1458 h，空氣源熱泵運(yùn)行時(shí)間為1404 h（由于當(dāng)室外溫度高于18 ℃時(shí)，室內(nèi)熱負(fù)荷為零，故室外高于18℃時(shí)不屬于熱泵運(yùn)行時(shí)間）。根據(jù)土壤源熱泵和空氣源熱泵在不同溫度下的運(yùn)行時(shí)間（圖9），能夠分別得到二者在供暖季內(nèi)所占時(shí)間的權(quán)重，進(jìn)而可以計(jì)算出空氣-土壤源雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)的能效比，計(jì)算公式如下[4]：

圖9 空氣源熱泵的運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖

通過式（1）～（2）最終計(jì)算出空氣-土壤源雙熱源復(fù)合熱泵在濟(jì)南地區(qū)使用的復(fù)合能效比為3.77。

4 結(jié)論

通過分析空氣源熱泵和土壤源熱泵的運(yùn)行特點(diǎn)，介紹了一種空氣-土壤源雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)，并且以濟(jì)南市某別墅為例，通過DeST軟件計(jì)算其供暖季和供冷季逐時(shí)負(fù)荷，統(tǒng)計(jì)出該建筑的累計(jì)冷負(fù)荷和累計(jì)熱負(fù)荷，并最終確定了土壤源熱泵系統(tǒng)從土壤中的吸熱量和放熱量，以土壤熱平衡為基準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到了濟(jì)南地區(qū)空氣-土壤源的最佳復(fù)合溫度為3 ℃，并通過統(tǒng)計(jì)濟(jì)南市典型氣象年的室外逐時(shí)溫度分布最終確定了單一空氣源熱泵和單一土壤源熱泵的的運(yùn)行時(shí)間，并且通過二者的運(yùn)行時(shí)間，最終計(jì)算出空氣-土壤源雙熱源復(fù)合熱泵系統(tǒng)在濟(jì)南地區(qū)使用的COP為3.77。由此可見雙熱源熱泵比單一土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定且COP值更高，而且能夠避免土壤熱不平衡現(xiàn)象，更具有可靠性?？諝?土壤源雙熱源復(fù)合熱泵，通過室外空氣溫度的變化來實(shí)現(xiàn)空氣源和地源熱泵的間歇運(yùn)行，克服了單一空氣源熱泵在溫度較低結(jié)霜時(shí)效率較低的問題以及單一地源熱泵用水量大的問題，提高了熱泵的運(yùn)行性能，實(shí)現(xiàn)熱泵機(jī)組在整個(gè)供暖季實(shí)現(xiàn)高效的運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。由于研究分析的建筑是濟(jì)南市某別墅，所以是否能夠應(yīng)用于其他類型建筑還有待進(jìn)一步研究。