严寒地区空气-土壤复合热源热泵系统运行模拟研究_麻四峰.pdf

可再生能源38节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023严寒地区空气-土壤复合热源热泵系统运行模拟研究麻四峰（沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168）摘要：以沈阳市某居民住宅建筑作为研究对象，使用DeST软件进行负荷计算，使用Trnsys软件建立空气-土壤复合热源热泵系统的仿真模型，模型模拟运行十年，与常规土壤源热泵模型的模拟结果进行对比。结果显示：空气-土壤复合热源热泵系统能够有效地缓解常规土壤源热泵造成的土壤热量损失问题，保证系统机组长期高效运行，保障热泵系统的供暖效果良好。关键词：土壤源热泵；空气源热泵；复合热源热泵；Trnsys模拟中图分类号：TU83 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2023）05-0038-03 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.010引言居民对高质量建筑室内热环境的要求逐渐提高，加剧了建筑能耗增长，导致我国建筑运行能耗不断增加。土壤热能作为可再生能源，可以替代其他常规能源以缓解能源紧张问题1-2。由于土壤具有较好的热稳定性，热泵机组以土壤作为低位热能运行时，热泵系统的供暖、制冷效果较好。但严寒、寒冷等地区冬季室外温度较低，导致建筑冬季累积的热负荷远超夏季累积的冷负荷，热泵机组冬季累计从土壤中取走的热量远大于夏季累计排到土壤中的热量，从而出现全年取、排热量失衡问题。长期使用土壤源热泵系统会导致土壤平均温度逐年降低，使土壤源热泵机组系统的运行性能下降，使其供暖能效降低，导致土壤源热泵机组系统无法满足建筑的供暖要求3-4。因此，需要保证土壤的热稳定性，使土壤源热泵保持长期稳定高效运行。空气源热泵具有结构简单、高效节能、环保无污染等优点，可以作为土壤源热泵的复合热源，考虑空气源热泵在气温较低时的性能较差，控制空气源热泵仅在室外气温较高时开启运行进行供暖，保证空气源热泵高效运行。在常规土壤源热泵系统的结构基础上增加空气换热器，构成空气-土壤复合源热泵系统5。室外气温较高时，通过开启空气换热器将空气中的热量转移到温度较低的土壤中，用以抵消土壤被取、放热能的差额，确保地下土壤热平衡6。1空气-土壤复合热源热泵系统原理减少热泵机组从土壤中的取热，并增加对土壤的补热能够有效解决土壤源热泵土壤热失衡问题7。在常规土壤源热泵系统结构的基础上，连接1台空气换热器，构成空气-土壤复合热源热泵系统，以解决土壤热失衡问题。空气-土壤复合热源热泵系统如图1所示。空气-土壤复合热源热泵系统具有3种运行模式：土壤源热泵模式：在夏季空调期以及冬季供暖高峰期，环境温度较低时，由热泵机组与土壤进行换热，土壤源热泵单独承担负荷侧的制冷和供暖需求。空气源热泵模式：在冬季供暖期初期和末期，空气温度较高时，由空气源热泵在保证其能高效运行的情况下承担负荷侧的供暖需求。补热模式：过渡季节的室外空气温度一般高于土壤温度，启动空气热交换器和风机，将空气中的热量通过地埋管换热器蓄存在地埋管周围土壤中，补充由于土壤取放热量不平衡而缺失的热量，可以保障土壤长期的热平衡。2建筑概况与研究方法2.1建筑概况选取沈阳市某居民住宅建筑为研究对象，地处严寒地区。该居民住宅共7层，总建筑面积约4 822 m2，建筑图1空气-土壤复合热源热泵系统作者简介：麻四峰（1998），男，硕士，研究方向为供热、供燃气、通风及空调工程。收稿日期：2022-10-08引用本文：麻四峰.严寒地区空气-土壤复合热源热泵系统运行模拟研究 J.节能，2023，42（5）：38-40.可再生能源39NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION的主要房间类型有卧室、起居室、厨房、书房、卫生间等。建筑主要围护结构的热工性能系数如表1所示。该建筑房间的供暖季为11月1日至次年3月31日，供暖季室内设计温度为22，空调季为7月1日至8月31日，室内设计温度为26。建筑主要房间类型的空调开启控制时间如表2所示。2.2负荷计算文中采用DeST软件模拟计算建筑负荷，住宅建筑平面图如图2所示。根据图纸以及建筑数据，使用DeST建立建筑模型，建筑负荷计算结果如表3所示。该住宅建筑的冬季累计热负荷远大于夏季累计冷负荷。2.3设备选型由建筑负荷计算结果可知，建筑冬季热负荷计算峰值为371.14 kW，夏季冷负荷峰值为242.56 kW，因此选择两台额定制热量为200 kW的热泵机组。热泵机组制热能效比为4.87，制冷能效比为4.96，可以同时满足建筑冬季供暖、夏季供冷的换热需求。蓄热体土壤的热物性数据受环境影响变化较大，考虑主要影响因素为当地气象条件，所以将土壤的参数设为定值，设定土壤平均导热系数为2.0 W/(m K)，平均比热容为2 200 kJ/(m3 K)，设定土壤初始温度为10.5。地埋管换热器的结构选型根据蓄热体土壤热物性参数，通过地埋管单位长度换热量估算法计算，设定取热量为40 W/m，埋管间距取5 m，埋管深度取100 m，计算得出地埋管数量为90根。空气换热器传热系数取40 W/(m2 K)，通过模拟测试计算的空气换热器面积为150 m28。2.4系统模拟Trnsys软件是模块化动态仿真软件，可以通过调用相应模块设置参数进行仿真模拟运行，在热泵系统的模拟研究中被广泛应用。文中采用Trnsys软件在常规土壤源热泵系统的基础上搭建复合土壤源热泵系统，并进行运行期为10年的仿真模拟，最终得到复合土壤源热泵系统的土壤平均温度变化、系统供热能效比等参数。通过与常规土壤源热泵系统的运行数据进行对比，得出复合土壤源热泵系统的优势9。空气-土壤复合热源热泵系统Trnsys模型如图3所示。3模拟结果分析3.1土壤平均温度变化利用Trnsys软件模拟常规土壤源热泵系统以及复合土壤源热泵系统运行10年的状况，两种系统运行十年期限内土壤温度变化如图4所示。经过十年时间运行，常规土壤源热泵系统的土壤平均温度由初始温度10.5 大幅度下降，第十年降至5.1，十年运行期限内土壤平均温度下降5.4；而复合土壤源热泵系统的土壤平均温度表1建筑主要围护结构的热工性能系数围护结构外墙屋顶外窗传热系数/W/(m2 K)0.320.272.30表2建筑主要房间类型的空调开启控制时间房间类型起居室卧室空调开启时间18：0024：00（工作日）8：0024：00（周末）22：00（次日）7：00（工作日）0：0024：00（周末）图2住宅建筑平面图表3建筑负荷计算结果建筑负荷热负荷冷负荷最大负荷/kW371.14242.56累计负荷/kWh148 83090 465图3空气-土壤复合热源热泵系统Trnsys模型可再生能源40节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023经十年运行后仅降至9.5，能够保持土壤平均温度比较稳定。3.2系统供热综合能效比使用Trnsys软件模拟运行10年，两种系统运行期间供热能效比变化如图5所示。由图5可知，常规土壤源热泵系统机组运行第一年的平均系统供热能效比(COP)为4.82，运行到第十年，机组的平均COP降至3.22，机组平均COP损失1.6，因为土壤源热泵从土壤取、放热量不平衡。随着系统运行，土壤热损失逐年递增，土壤温度不断下降，导致常规土壤源热泵系统运行时系统供热能效比逐年下降。针对复合土壤源热泵系统，空气源补热以及减少取热能够很好地解决对土壤取放热泵不平衡的问题，使土壤温度一直保持较为稳定的状态，土壤源热泵系统的机组COP并无明显下降，较为稳定。3.3供暖保障效果供暖保障效果通常利用供暖不保证时长评估，供暖不保证时长越短，表示系统的供暖保障效果越好。供暖不保证时长为：N=n=08 760n(1)n=0,Qh,pQh1,Qh,pQh(2)式中：Qh建筑瞬时热负荷，kW；Qh,p热泵机组瞬时供热量，kW；N室内供暖不保证时长，h。两种系统运行十年期间供暖不保证时长如图6所示。常规土壤源热泵系统运行第一年的室内供暖不保证时长为4 h，随着热泵长期运行，室内供暖不保证时长不断增加，呈上升态势；运行至第十年，室内供暖不保证时长达68 h，表示由于土壤平均温度的降低，使热泵机组的性能降低，已经无法保障供暖效果。复合土壤源热泵系统运行过程中，室内供暖不保证时长一直较为稳定，因为复合土壤热泵系统通过空气源对土壤进行补热，减少取热，具有很好的供暖保障效果。4结语以严寒地区沈阳某居民住宅建筑为研究对象，使用DeST软件进行负荷计算，使用Trnsys软件建立空气-土壤复合热源热泵系统仿真模型，进行十年仿真模拟。与常规土壤源热泵模型的模拟结果进行对比，采用空气-土壤复合热源热泵系统能够很好地缓解从土壤取放热量不平衡导致土壤热损失的问题，从而保证系统在经过长期运行后，土壤温度仍与初始温度接近，进而解决土壤温度下降影响热泵机组运行效率的问题，保证系统机组长期高效运行，保障热泵系统的良好供暖效果。参考文献1 武思彤，白莉，刘伟娟.严寒地区土壤源热泵系统热失衡问题及其技术进展 J.北方建筑，2017，2（3）：56-592 孟莉思.严寒地区土壤空气复合热源热泵的应用研究 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，20133 张晓明，李通禹，陈柏龙.空气-土壤双热源热泵系统运行分析 J.沈阳建筑大学学报：自然科学版，2021，37（3）：528-533.4 穆康.土壤源热泵冬夏取排热量不平衡的大气热补偿方法 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，20105 王文涛，李先庭，胡平放.空气与土壤复合源热泵在北方地区的匹配设计模拟分析 J.制冷学报，2021，42（2）：61-68.6 张姝严寒地区空气源土壤蓄热式热泵系统及运行特性研究 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，20137 马宏权，龙惟定.地埋管地源热泵系统的热平衡 J.暖通空调，2009，39（1）：102-1068 杨子旭，吕伟华，冉思源，等.空气-土壤源柔性热泵系统在寒冷地区小型建筑中的能耗分析 J.流体机械，2018，46（9）：75-799 游田，王宝龙，石文星.空气-土壤双源热泵系统在我国北方地区的应用 J，暖通空调，2016，46（12）：40-45.图5两种系统运行期间供热能效比变化图4两种系统运行十年期限内土壤温度变化图6两种系统运行十年期间供暖不保证时长