宮 靜，王松慶

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

近年來，隨著科學技術的飛速發(fā)展，能源、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展問題已經成為我國重點關注的問題，能源是支持所有社會經濟活動的基礎，也是最大的碳排放來源，對此我國積極制定了碳中和目標[1]。建筑能源消耗作為我國三大重要耗能大戶“工業(yè)、建筑、交通”之一，其主要包括供暖以及電力等能源的消耗，并且供暖能耗一直占據主導地位[2]。目前我國嚴寒地區(qū)冬季供暖仍主要通過燃燒煤炭、天然氣等傳統(tǒng)供暖方式，這種方式不但加劇了能源短缺，還會對環(huán)境造成污染[3]。因此將太陽能、風能、地熱能等可再生能源應用于供暖制冷技術上，對我國調整能源結構、實現(xiàn)能源轉型具有重要意義[4]。我國嚴寒地區(qū)地熱能源儲量巨大，相較于其他可再生能源更穩(wěn)定、高效。在能源緊張的形式下，利用地熱能的熱泵供暖制冷技術，近年逐步引起業(yè)內人士關注[5]。

地源熱泵有著高效節(jié)能、環(huán)境效益顯著、運行安全可靠、可一機多用等優(yōu)點。但嚴寒地區(qū)供暖需求大、土壤平均溫度偏低，建筑的供暖負荷大于制冷負荷，單一地源熱泵系統(tǒng)長期運行將使土壤取熱量大于蓄熱量，產生“冷堆積”現(xiàn)象，導致土壤自身無法恢復熱平衡，從而使得單一地源熱泵系統(tǒng)無法高效運行[6]。因此需引入輔助熱源，與地源熱泵組成復合式熱源熱泵系統(tǒng)來解決單一地源熱泵系統(tǒng)供暖季長期運行引起的土壤熱不平衡現(xiàn)象。目前國內外學者對于復合式地源熱泵系統(tǒng)進行了一定程度的數值與實驗研究。Phetteplace等人根據實際工程，通過對建筑的復合式地源熱泵系統(tǒng)進行為期22個月的運行數據監(jiān)測，分析研究后得出了復合式地源熱泵系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)勢，驗證了復合式地源熱泵系統(tǒng)的可行性[7]。蔡晶晶等人設計了冷卻塔-土壤源熱泵混合系統(tǒng)，對混合系統(tǒng)的不同設計方法進行了討論與分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)經濟性與運行效果顯著提升，并有效改善夏熱冬冷地區(qū)建筑制冷季空調冷負荷和供暖季供熱負荷的不平衡問題[8]。於繼康等人以夏熱冬冷地區(qū)某辦公建筑為研究對象，設計了空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)，對系統(tǒng)地埋管換熱能耗和耦合模型進行計算分析，得出當空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)中的空氣源熱泵系統(tǒng)優(yōu)先運行于地源熱泵系統(tǒng)時，相較于單一熱源熱泵供暖方式，土壤熱失衡問題得到有效改善，并且地埋管換熱器性能得到提升[9]。隨著復合式地埋管地源熱泵系統(tǒng)的應用與發(fā)展，其輔助熱源形式大多采用太陽能系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)等，對空氣源熱泵作為輔助熱源的研究也都集中在非嚴寒地區(qū)，而空氣源熱泵相比其他輔助熱源形式，其設備簡單、投資費用低、維護方便，并且對于空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)的相關研究較少。因此本研究以哈爾濱市某辦公建筑為研究對象，設計了空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)對建筑供熱制冷。利用DeST對建筑全年動態(tài)負荷模擬，通過Trnsys對系統(tǒng)進行仿真研究，從系統(tǒng)經濟性和節(jié)能減排角度出發(fā)，分析空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)的費用年值和CO2減排率，從而探究空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)辦公建筑最佳運行策略工況。

1 建筑概況

本文以哈爾濱市某辦公建筑為研究對象,建筑高度23.3 m，建筑面積24 308.55 m2，房間功能主要有辦公室、休息室、會議室等，夏季與冬季室內設計溫度分別為26℃和18℃，其設計參數等均依據現(xiàn)有規(guī)定和標準。根據哈爾濱市氣候條件，通過DeST對建筑進行全年逐時冷熱負荷模擬，結果如下圖1所示，冬季逐時最大熱負荷885.3 kW，夏季逐時最大冷負荷為819 kW。根據觀察模擬結果可以發(fā)現(xiàn)，建筑全年累計熱負荷遠大于全年累計冷負荷，全年累計冷負荷占全年累計熱負荷的19.5%。若使用單一地源熱泵系統(tǒng)則會導致土壤熱失衡問題，因此選用空氣源熱泵系統(tǒng)作為輔助熱源,構建空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)。

2 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)Trnsys模型構建

Trnsys是通過連接仿真系統(tǒng)里的各個模塊，通過調用系統(tǒng)里各個模塊并輸入所需設定的相應參數，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)模擬。在利用DeST計算建筑全年逐時負荷的基礎上，通過DeST將建筑逐時負荷導出，利用Type9e模塊導入到Trnsys中，不僅可以對建筑逐時負荷進行更加全面的分析，同時節(jié)省了Trnsys在建筑負荷上的模擬時間。所構建的空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)仿真模型如下圖2所示。

圖中仿真模型主要由地源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)構成。地源熱泵系統(tǒng)主要由Type225土壤源熱泵機組模塊、Type557地埋管換熱器模塊、Type114水泵模塊以及Type682建筑末端模塊等構成，空氣源熱泵系統(tǒng)主要由Type941空氣源熱泵機組模塊、Type682建筑末端模塊、Type4c蓄熱水箱以及Type3b風機等模塊構成。整個空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)內通過Type9e建筑負荷讀取模塊讀取DeST計算出的建筑全年逐時動態(tài)負荷，連接哈爾濱市典型年氣象參數數據模塊，并對各個系統(tǒng)內的模塊加入溫差控制以及時間控制，在輸入邏輯控制計算方程后，從而將空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)的模擬運行結果進行輸出與分析。

3 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運行策略

3.1 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運行策略

為了維持土壤取熱量與放熱量平衡和避免造成過多能源浪費，根據建筑累計冷負荷占建筑累計熱負荷的19.5%，本研究在冬季供暖運行模式下選取了在土壤熱泵系統(tǒng)承擔80%冬季供暖熱負荷到20%冬季供暖熱負荷，空氣源熱泵系統(tǒng)對應承擔20%冬季供暖熱負荷到80%冬季供暖熱負荷的區(qū)間內五種不同策略下對空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)進行Trnsys模擬來探究運行情況，系統(tǒng)策略如表1所示。

表1 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運行策略

3.2 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運行模式

考慮目標建筑所處地區(qū)的氣候條件以及地理因素等情況，建筑冬季累計熱負荷過大，冬季供暖時單獨運行地源熱泵系統(tǒng)會造成土壤取熱量大于蓄熱量，從而導致土壤熱不平衡，單獨運行空氣源熱泵系統(tǒng)會導致機組的結霜現(xiàn)象，因此由空氣源熱泵系統(tǒng)與地源熱泵系統(tǒng)共同承擔冬季供暖熱負荷進行冬季供暖。由于夏季空調冷負荷較低，夏季制冷時單獨運行地源熱泵系統(tǒng)利于增加土壤蓄熱量。

本研究選定夏季由2臺地源熱泵機組平均承擔夏季空調冷負荷，空氣源熱泵機組不投入使用，此時運行地源熱泵機組有利于增加土壤蓄熱量。冬季加入空氣源熱泵輔助供熱，根據冬季供暖熱負荷分擔比例，由地源熱泵機組1和地源熱泵機組2平均承擔地源熱泵系統(tǒng)所需熱負荷比例，由一臺空氣源熱泵機組承擔空氣源熱泵系統(tǒng)所需熱負荷比例，不同運行策略下土壤源熱泵系統(tǒng)的機組與空氣源熱泵系統(tǒng)的機組容量配置如表2所示。

表2 機組容量配置

4 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)經濟性與CO2減排率分析

4.1 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)經濟性分析

本文選取費用年值來分析熱泵系統(tǒng)的經濟性。費用年值主要包括項目多的初投資費用和系統(tǒng)在運行年限內的年平均運行費用，其計算公式如下

(1)

式中AW——費用年值/萬元;

i——折現(xiàn)率/%，本研究中取10%;

m——系統(tǒng)運行周期/年,本研究中取10年;

C0——初投資/萬元;

C——年平均運行費用/萬元。

初投資費用主要為購買系統(tǒng)各個設備的購買費。這些設備主要包括：水泵、風機、熱泵機組以及地埋管施工費用等，本研究中空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)主要設備有地源熱泵機組2臺；空氣源熱泵機組1臺；水泵與風機共計6臺；地埋管若干，設備估算價格：空氣源熱泵機組516元/kW；土壤源熱泵機組602元/kW；水泵及風機500元/kW；地埋管換熱器50元/m。系統(tǒng)年平均運費用主要是系統(tǒng)運行產生能耗所需的電費，哈爾濱市電價政策得出本研究電價取0.75元/kWh[10]。通過對空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)5個工況下進行為期十年的Trnsys模擬，經模擬和計算5個運行策略下初投資和總運行費用如表3所示。

表3 不同策略下初投資和總運行費用

根據表3，得到策略1至策略5運行條件下空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)在十年內的年平均運行費用分別為24.95萬元、25.57萬元、25.86萬元、28.98萬元、34.38萬元。通過Trnsys模擬得出系統(tǒng)的年運行能耗分別為332 683 kWh、340 965 kWh、344 747 kWh、386 430 kWh、458 413 kWh。根據式(1)費用年值的計算方法，可得出空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運行十年內的費用年值，結果如圖3所示。

由圖3可知，在不同運行策略下，空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)費用年值隨著地源熱泵所承擔建筑冷熱負荷比例的降低而降低。當在策略5運行條件下，此時地源熱泵系統(tǒng)承擔20%冬季供暖熱負荷，空氣源熱泵系統(tǒng)承擔80%冬季供暖熱負荷，空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)逐年運行總能耗最高，為458 413 kWh，此時系統(tǒng)費用年值最低，為51.43萬元；當在策略1運行條件下，此時地源熱泵系統(tǒng)承擔80%冬季供暖熱負荷，空氣源熱泵系統(tǒng)承擔20%冬季供暖熱負荷，空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運行總能耗最低，為332 683 kWh，此時系統(tǒng)費用年值最高，為72.18萬元。策略5相比策略1、策略2、策略3、策略4的費用年值分別減少了28.74%、10.43%、3.50%、1.19%。

由此可以看出空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)的費用年值受項目初投資的影響較大，受運行費用的影響較小，這是因為隨著地源熱泵機組承擔的供暖制冷負荷比例越高，地源熱泵系統(tǒng)需要安置的地埋管數量增多，地埋管施工費用也隨之增加，因此在經濟性角度下考慮實際工程應用空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)，則策略5的經濟性最優(yōu)。

4.1 空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)CO2減排率分析

《可再生能源建筑應用工程評價標準》[11]指出，采用空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)時可將系統(tǒng)運行時所產生的電能折算為標準煤從而與傳統(tǒng)鍋爐供暖方式進行比較，空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)的熱源為空氣能和地熱能這兩種可再生能源，比傳統(tǒng)鍋爐供暖方式對環(huán)境的影響要低。通過計算空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運行十年的能源替代量，對比分析在五種運行策略下空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)的CO2減排率，CO2減排率定義式如下

(2)

QCO2=ΔQ×VCO2

(3)

ΔQ=Qt-Qag

(4)

(5)

(6)

式中ηCO2——CO2減排率/%；

QCO2——空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)減排量/kg·年-1；

Qt——傳統(tǒng)鍋爐供熱系統(tǒng)總能耗/kg標準煤；

VCO2——標準煤的CO2排放因子，該標準中取2.47；

ΔQ——常規(guī)能源替代值/kg標準煤；

Qag——空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)供熱總能耗/kg標準煤；

Q——空氣土壤源熱泵系統(tǒng)全年累計制熱量/kJ；

η——以傳統(tǒng)熱源時的運行效率/%，在《生活鍋爐熱效率及熱工實驗方法》[12]，該值取84%；

q——標準煤的熱值/kJ·kg-1，依據標準取q=2.93×104 kJ/kg；

D——每kWh電折合所耗標準煤量/kg·(kWh)-1，本研究中根據哈爾濱市標準，火力發(fā)電率D=0.36 kg/kWh；

COP——空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運行能效系數。

根據式(2)～(6)，計算空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)和傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)的相關參數，得到空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)在五種不同策略下CO2的減排率，結果如圖4所示。

由圖4可以看出，當空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)在策略1運行條件下，此時地源熱泵系統(tǒng)承擔80%冬季供暖熱負荷，空氣源熱泵系統(tǒng)承擔20%冬季供暖熱負荷，空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)CO2減排率最高，為74.2%；當在策略5運行條件下，此時地源熱泵系統(tǒng)承擔20%冬季供暖熱負荷，空氣源熱泵系統(tǒng)承擔80%冬季供暖熱負荷，空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)CO2減排率最低，為51.2%。隨著地源熱泵系統(tǒng)所承擔的冬季供暖熱負荷比例逐漸降低，空氣源熱泵系統(tǒng)所承擔的冬季供暖熱負荷比例逐漸升高，空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能減排效果逐漸減弱。由此可以看出與傳統(tǒng)能源相比，使用空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)供暖制冷效果更好，當系統(tǒng)中地源熱泵系統(tǒng)承擔80%冬季供暖熱負荷，空氣源熱泵系統(tǒng)承擔20%冬季供暖熱負荷時，此時系統(tǒng)的能耗最低，節(jié)能減排效果最好，此時的CO2減排率主要受熱泵系統(tǒng)的運行能耗影響。

綜上所述，在夏季空調冷負荷全部由地源熱泵承擔、冬季供暖熱負荷由空氣源熱泵和地源熱泵共同承擔的情況下，在本研究設定的空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)運行年限內，當系統(tǒng)運行能耗越高，其費用年值則越低，但CO2減排率越低，當系統(tǒng)運行能耗越低，其費用年值則越高，但CO2減排率越高。

5 結論

(1)本文根據DeST對哈爾濱市某辦公建筑的負荷特性分析，得出建筑供暖制冷負荷的冷熱不平衡率為19.5%。

(2)本文利用Trnsys建立了嚴寒地區(qū)空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)模型，設定了夏季制冷和冬季供暖兩種運行模式，同時在冬季供暖運行模式下設置了五種運行策略，對本文研究案例進行了為期十年的模擬運行并開展經濟性和CO2減排率研究。

(3)本文通過對五種不同策略下空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)費用年值和CO2減排率計算，得出在模擬運行年限內，當系統(tǒng)在策略1情況下，費用年值最高，平均為72.18萬元，CO2減排率最高，為74.2%，此時節(jié)能性最好；當系統(tǒng)在策略5情況下，費用年值最低，平均為51.43萬元，CO2減排率最低，為51.2%，此時經濟性最好。