大連理工大學(xué) 仝 倉(cāng) 李祥立 端木琳

0 引言

地源熱泵系統(tǒng)作為一種清潔高效的供能系統(tǒng)，常應(yīng)用于各類建筑。豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)由于占地面積較小、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際工程應(yīng)用中(特別是國(guó)內(nèi))占據(jù)較大比例[1]。但近年來，隨著近零能耗建筑及其相關(guān)技術(shù)發(fā)展和推廣，新建建筑的耗熱量指標(biāo)呈明顯下降趨勢(shì)[2-5]，因此地源熱泵為低負(fù)荷建筑供冷/供熱時(shí)，所需的地埋管長(zhǎng)度隨之下降，無需過大的占地面積。對(duì)于這種超低能耗建筑能源系統(tǒng)的選擇，特別是北方地區(qū)位于城郊和農(nóng)村的大量單體居住建筑，是否仍可以憑借“經(jīng)驗(yàn)”值得商榷。在此背景下，水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)作為一種價(jià)格低廉、施工便捷的供能系統(tǒng)[6]，是否適合應(yīng)用于超低能耗建筑值得探討。

國(guó)內(nèi)學(xué)者利用數(shù)值模擬法研究了土壤物性、埋管深度、管間距、地表保溫層和降水對(duì)水平埋管換熱器性能的影響[7-11]。結(jié)果表明：增加埋深、強(qiáng)化土壤導(dǎo)熱能力、擴(kuò)大管間距、鋪設(shè)保溫層和降水有利于提高水平地埋管換熱器單位時(shí)間內(nèi)的換熱量。高巖等人運(yùn)用實(shí)驗(yàn)法對(duì)水平地埋管換熱器進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：熱傳遞對(duì)水平地埋管換熱器性能影響較大，由密度變化引起的濕傳遞對(duì)其影響可以忽略[12]。國(guó)外方面，Gan對(duì)水平地埋管換熱器周圍土壤的熱恢復(fù)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明淺地層土壤易受地表因素影響，熱恢復(fù)能力較強(qiáng)[13]。Fujii等人研究了層間距對(duì)雙層水平地埋管換熱器換熱特性的影響，給出了0.5 m的最佳層間距[14]。Wu等人研究了土壤含水量對(duì)水平地埋管換熱器的影響，結(jié)果表明：土壤含水量的增加有利于提高地埋管換熱器換熱效率，縮短地埋管長(zhǎng)度[15]。Selamat等人研究了水平地埋管換熱器的管材和擺放形式對(duì)其換熱速率的影響，結(jié)果表明：水平環(huán)形換熱器的管材由高聚乙烯管換成銅管后，換熱性能提高了16%；環(huán)形換熱器由水平鋪設(shè)改為豎直鋪設(shè)后，換熱性能提高了14%[16]。Florides等人對(duì)比了水平地埋管和豎直地埋管換熱器在相同管長(zhǎng)和管間距工況下的出水溫度，結(jié)果表明：在進(jìn)水溫度相同條件下，換熱器換熱達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后，水平蛇形管換熱器的出水溫度低于豎直埋管換熱器[17]。Congedo等人[18]和Dasare等人[19]利用Fluent軟件對(duì)比了單直管、環(huán)形管和螺旋形水平地埋管換熱器的換熱性能，結(jié)果表明：螺旋形換熱器的單位土壤長(zhǎng)度換熱量最大，但它的安裝費(fèi)用最高。

綜上所述，前人主要關(guān)注了各影響因素對(duì)水平地埋管換熱器性能的研究，而對(duì)水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)整體研究較少，特別是水平地埋管地源系統(tǒng)應(yīng)用在低負(fù)荷背景下的運(yùn)行特性和經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益有待研究。本文借助于TRNSYS軟件，建立了三維水平地埋管換熱模型，搭建了水平地埋管地源系統(tǒng)，對(duì)熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期的運(yùn)行特性進(jìn)行研究分析，并與相同負(fù)荷下豎直U形地埋管地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益進(jìn)行對(duì)比，得到了適用于低負(fù)荷建筑的最佳的熱泵形式，對(duì)以后的工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 建筑負(fù)荷計(jì)算

某獨(dú)棟建筑位于遼寧省大連某別墅小區(qū)(寒冷氣候區(qū))，建筑分2層，南北朝向，建筑面積約為280 m2，空調(diào)面積約為245 m2，建筑體形系數(shù)為0.48。該建筑占地面積約為143 m2，長(zhǎng)和寬分別為13 m和11 m。由于遼寧地區(qū)暫無超低能耗建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，故該建筑按DB 13(J)/T273—2018《被動(dòng)式超低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[20](下文簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)用了高性能外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、節(jié)能電器、高效的冷熱回收等技術(shù)降低建筑負(fù)荷。建筑內(nèi)常住人口為6人，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26 ℃/20 ℃(夏/冬)，相對(duì)濕度為30%～60%，換氣次數(shù)為0.4 h-1。建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，均滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求。室內(nèi)電器使用率及人員在室率如圖1所示，空調(diào)開啟時(shí)間根據(jù)人員在室率確定，全年供冷時(shí)間為7月1日至8月31日，供熱時(shí)間為11月5日至次年4月5日。經(jīng)過DeST軟件負(fù)荷計(jì)算，該建筑的全年逐時(shí)負(fù)荷如圖2所示，建筑全年累計(jì)熱負(fù)荷為3 648.76 kW·h，最大熱負(fù)荷為9.5 kW；全年累計(jì)冷負(fù)荷為2 615.23 kW·h，最大冷負(fù)荷為13.28 kW；年供暖和供冷需求分別為14.89、10.67 kW·h/(m2·a)，均小于《標(biāo)準(zhǔn)》中能耗指標(biāo)(年供熱/冷需求≤15 kW·h/(m2·a))，故該別墅屬于超低能耗建筑。

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)

圖1 電器使用率和人員在室率

圖2 建筑全年逐時(shí)負(fù)荷

2 熱泵系統(tǒng)搭建與數(shù)學(xué)模型

2.1 熱泵系統(tǒng)搭建

利用TRNSYS平臺(tái)搭建地源熱泵系統(tǒng)，如圖3所示。地源熱泵系統(tǒng)由熱泵機(jī)組、末端用戶、水泵、控制系統(tǒng)和地埋管換熱器組成。選用某廠家高效水源熱泵機(jī)組，額定制熱量為15 kW，額定制熱COP為4.4；額定制冷量為13.5 kW，額定制冷EER為5.1。通過監(jiān)測(cè)用戶側(cè)回水溫度實(shí)現(xiàn)對(duì)熱泵的控制，將壓縮機(jī)出力分為四級(jí)，具體控制策略如表2所示。地埋管換熱器中包括了水平蛇形地埋管換熱器和豎直U形地埋管換熱器，通過切換地源側(cè)分集水器可分別模擬2種埋管的運(yùn)行工況。地埋管內(nèi)介質(zhì)均為軟化水，主要物性參數(shù)如表3所示。針對(duì)文中的末端建筑，地埋管換熱器的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下約束條件：假定該建筑周邊地下可使用區(qū)域不應(yīng)超過相鄰2棟建筑間距中線，根據(jù)GB 50368—2005《住宅建筑規(guī)范》[21]和GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[22]關(guān)于建筑間距的相關(guān)規(guī)定，該棟建筑可鋪設(shè)地埋管換熱器區(qū)域?yàn)?1 m×15 m；夏季運(yùn)行地埋管出口最高溫度不宜超過33 ℃，冬季流體溫度宜高于4 ℃。另外，由于地源熱泵系統(tǒng)是初投資較大的高效能源系統(tǒng)，根據(jù)GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，地源熱泵系統(tǒng)的供熱季平均COPs應(yīng)大于2.6，制冷季平均EERs應(yīng)大于3.0。以上述約束條件為前提，2種地埋管換熱器根據(jù)文獻(xiàn)[23]提供的方法和推薦值進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體參數(shù)如表4所示,由于水平地埋管所需面積較大，將其設(shè)置為雙層，層間距為0.5 m。為了確保地埋管安全，上層地埋管深度為2 m，距大連地區(qū)凍土層1.1 m[24]，水平地埋管布置如圖4所示。

圖3 地源熱泵系統(tǒng)圖

表2 熱泵機(jī)組控制策略

表3 地源熱泵系統(tǒng)主要物性參數(shù)

表4 地埋管換熱器主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 水平地埋管布置

2.2 數(shù)學(xué)模型

地埋管換熱器的數(shù)學(xué)模型是能否正確反映土壤熱響應(yīng)特性的關(guān)鍵。豎直U形地埋管換熱器使用的是基于線熱源的DST模型[25]。而水平蛇形地埋管換熱器使用的是TRNSYS軟件自帶的Type 997 horizontal模塊。該模塊使用全隱迭代數(shù)值算法，土壤區(qū)域使用三維擴(kuò)散方程作為傳熱模型，管道部分傳熱模型簡(jiǎn)化為一維非穩(wěn)態(tài)對(duì)流能量方程，即認(rèn)為管道內(nèi)部流動(dòng)已充分發(fā)展，且流量恒定不變，僅考慮管內(nèi)主流方向?qū)α黜?xiàng)，忽略其他方向?qū)α黜?xiàng)，管壁與管內(nèi)流體換熱量作為方程的源項(xiàng)[26]。邊界條件和初始條件使用Kusuda一諧波土壤未擾動(dòng)溫度模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，如式(1)所示。當(dāng)Z=0時(shí)，t(0,τ)作為計(jì)算域內(nèi)的土壤上邊界，其余邊界均為絕熱邊界。當(dāng)τ=τs(τs為計(jì)算開始時(shí)間)時(shí)，t(Z,τs)作為計(jì)算域初始溫度。

(1)

式中Z為深度，m；τ為時(shí)間，s；tM為全年空氣平均溫度,大連地區(qū)為12.5 ℃；Aw為土壤表層全年空氣溫度的波幅，大連地區(qū)為20 ℃；αs為土壤的熱擴(kuò)散率，m2/s；P為計(jì)算周期,取31 536 000 s；τ0為土壤表層全年空氣最低溫度出現(xiàn)時(shí)刻，本文取3 283 200 s時(shí)。

3 水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性及經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行特性

借助上述數(shù)值模型，分析了水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)在低負(fù)荷背景下的運(yùn)行特性。系統(tǒng)中水源熱泵機(jī)組于11月5日至次年4月5日?qǐng)?zhí)行供熱模式，7月1日至8月31日?qǐng)?zhí)行供冷模式。用戶側(cè)供回水溫度如圖5所示。由圖5可知，供熱季用戶側(cè)的供水溫度在45 ℃上下波動(dòng)，用戶側(cè)的回水溫度在40 ℃上下波動(dòng)。但隨著室外氣溫降低，特別是在熱負(fù)荷較大的1、2月份，用戶側(cè)的供回水溫度逐漸降至極值點(diǎn)，供水最低溫度為40.1 ℃，回水最低溫度為36.4 ℃，這是由于熱泵持續(xù)從土壤中取熱，土壤溫度降低導(dǎo)致地埋管的出水溫度逐漸下降(見圖6)，造成了熱泵壓縮機(jī)出力不足，供水溫度難以維持在45 ℃；供冷季用戶側(cè)供水溫度在6.5～11.9 ℃波動(dòng)，回水溫度在7.4～15.1 ℃波動(dòng)。供熱季和供冷季用戶側(cè)最不利供水溫度與室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的差值分別為20.1 ℃和14.1 ℃，若用戶末端采用風(fēng)機(jī)盤管調(diào)節(jié)溫度，該水平地埋管熱泵系統(tǒng)基本可以滿足需求。

圖5 水平地埋管熱泵系統(tǒng)用戶側(cè)供回水溫度

圖6 水平地埋管換熱器進(jìn)出口溫度

地埋管換熱器進(jìn)出口溫度如圖6所示。供熱季地埋管進(jìn)出口溫度隨著熱泵的連續(xù)運(yùn)行逐漸降低，而供冷季地埋管進(jìn)出口溫度隨著熱泵的連續(xù)運(yùn)行逐漸升高，每年地埋管換熱器的最高和最低出水溫度已在圖6中標(biāo)注，溫度極值均滿足第2.1節(jié)的水溫約束條件。圖6中3年地埋管平均出水溫度呈上升趨勢(shì)，反映出土壤年平均溫度有所升高，這是由于每年熱泵機(jī)組對(duì)埋管區(qū)域的土壤的釋熱量多于取熱量造成的。通常地源熱泵應(yīng)用于寒冷地區(qū)居住建筑時(shí)，易出現(xiàn)冷堆積現(xiàn)象，但超低能耗建筑在使用高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)和高效熱回收技術(shù)后，熱負(fù)荷可大幅度降低，而冷負(fù)荷主要受室內(nèi)熱源影響，無大幅度減少[27-28]，故熱冷負(fù)荷比下降，系統(tǒng)全年釋熱量和取熱量發(fā)生改變。以第1年運(yùn)行工況為例，熱泵機(jī)組供熱平均COP為3.47，機(jī)組耗電量為1 051.41 kW·h；制冷平均EER為4.91，機(jī)組耗電量為567.73 kW·h；對(duì)土壤的取熱量和釋熱量分別為2 597.0 kW·h和3 355.3 kW·h，即釋熱量高于取熱量(比例為1.29)，造成土壤溫度整體上升，但溫升微小，且幅度逐年減緩，具有再達(dá)到熱平衡趨勢(shì)，表明水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)在其壽命周期內(nèi)可維持穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益分析

豎直地埋管和水平地埋管均可應(yīng)用于地源熱泵系統(tǒng)中，但對(duì)于低負(fù)荷獨(dú)棟建筑，應(yīng)用哪種埋管形式的效果更佳值得探討。熱泵供能系統(tǒng)在其壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益是評(píng)價(jià)該系統(tǒng)效果的主要指標(biāo)，本文分別對(duì)在相同負(fù)荷下水平地埋管和豎直U形管換熱器地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用和二氧化碳、二氧化硫、粉塵等污染物減排量進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析2種系統(tǒng)形式的優(yōu)劣，并給出最佳系統(tǒng)形式。

使用費(fèi)用年值評(píng)價(jià)以上2種系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

(2)

式中E為費(fèi)用年值；Co為系統(tǒng)初投資，本文主要指挖掘溝槽費(fèi)用和管材費(fèi)用，根據(jù)大連地區(qū)市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，熱泵機(jī)組價(jià)格為28 000元，挖掘溝槽單價(jià)為7元/m3，管材為10元/m(含鋪設(shè)管道人員酬金)，與熱泵系統(tǒng)匹配的水泵價(jià)格為280元，建筑物內(nèi)末端換熱系統(tǒng)價(jià)格為2 100元，鉆井費(fèi)用為120元/m(含管材和人員酬金費(fèi)用);i為基準(zhǔn)折現(xiàn)利率，取7%；n為系統(tǒng)壽命，取15年；Ck為系統(tǒng)年運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，包括系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用，運(yùn)行費(fèi)用主要是系統(tǒng)運(yùn)行消耗電能產(chǎn)生的電費(fèi)，通過系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的小時(shí)COP計(jì)算可得到系統(tǒng)的逐時(shí)耗電量，將逐時(shí)耗電量進(jìn)行累加得到系統(tǒng)全年總耗電量，將系統(tǒng)全年總耗電量與當(dāng)?shù)厍鍧嵞茉囱a(bǔ)貼電價(jià)(大連地區(qū)為0.837元/(kW·h))相乘即可得到系統(tǒng)全年運(yùn)行所需的電費(fèi)，即運(yùn)行費(fèi)用，每年的維護(hù)費(fèi)用為初投資的0.8%。

溝槽土方量按式(3)計(jì)算：

(3)

式中V為溝槽土方量，m3；B為水平地埋管換熱器的管間距,m；L為水平地埋管換熱器的管長(zhǎng),m；l為管排中單管的長(zhǎng)度,取14.4 m；H為溝槽深度，m。

經(jīng)計(jì)算，2種系統(tǒng)的費(fèi)用明細(xì)如圖7所示。水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)初投資為39 054元，遠(yuǎn)低于豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)，約為后者的59.1%。而前者的年運(yùn)行費(fèi)用略高于后者，約為后者的1.15倍，這是因?yàn)楣峒矩Q直地埋管的水溫要高于水平地埋管，而供冷工況時(shí)豎直地埋管的水溫要低于水平地埋管(見圖6、8)，導(dǎo)致豎直地埋管熱泵的系統(tǒng)效率高于水平地埋管熱泵系統(tǒng)。如圖9所示，水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)供熱季平均COP為2.78，供冷季平均EER為4.09，系統(tǒng)全年平均COP為3.23，均高于第2.1節(jié)的約束指標(biāo)；而豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)供熱季平均COP為3.28，供冷季平均EER為4.48，全年平均COP為3.71。豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)具有較穩(wěn)定的低溫?zé)嵩?匯)，而水平地埋管換熱器所處的淺地層易受地表因素影響，特別是1—2月份，在地表溫度較低時(shí)水平系統(tǒng)的土壤溫度低于豎直系統(tǒng)所在的溫度環(huán)境，導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)效率較低。但總體而言，水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性仍優(yōu)于豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)，前者的費(fèi)用年值僅為后者的67.9%。

圖7 2種地源熱泵系統(tǒng)的費(fèi)用明細(xì)

圖8 豎直地埋管換熱器進(jìn)出口溫度

圖9 2種地源熱泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率

地源熱泵系統(tǒng)作為一種清潔供能系統(tǒng)，所帶來的環(huán)境效益不容忽視。通過計(jì)算2種地源熱泵系統(tǒng)的減排量分析其環(huán)境效益。地源熱泵系統(tǒng)CO2、SO2和粉塵減排量計(jì)算如下：

(4)

式中Q為減排量，下標(biāo)CO2、SO2、fc分別代表二氧化碳、二氧化硫和粉塵，kg；Qs為標(biāo)準(zhǔn)煤代替量，可根據(jù)式(5)計(jì)算，kg；V為標(biāo)準(zhǔn)煤的排放因子，二氧化碳、二氧化硫和粉塵分別為2.47、0.02和0.01。

(5)

式中QH為供熱季累計(jì)熱負(fù)荷，MJ；ηt為常規(guī)能源系統(tǒng)運(yùn)行效率，取0.7；q為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，取29.307 MJ/kg；D為每kW·h電折合所耗標(biāo)準(zhǔn)煤量，取0.32 kg/(kW·h)；QC為供冷季累計(jì)冷負(fù)荷，MJ；EERt為傳統(tǒng)制冷空調(diào)系統(tǒng)能效比，取2.3；Wg為地源熱泵系統(tǒng)全年耗電量，kW·h。

2種系統(tǒng)與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)相比每年帶來的環(huán)境效益如表5所示。由于豎直地埋管換熱器熱泵系統(tǒng)耗電量低于水平地埋管換熱器熱泵系統(tǒng)，即一次能源消耗量減小，帶來的環(huán)境效益更高。

綜上，水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)，但水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)的環(huán)境效益卻低于后者。對(duì)于此類情況，通?？刹捎脤哟畏治龇ㄔu(píng)價(jià)，但層次分析法權(quán)重選取易

表5 2種地源熱泵系統(tǒng)的環(huán)境效益及綜合效益

受主觀因素影響。鑒于此，將環(huán)境效益貨幣化，統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于我國(guó)排污權(quán)有償使用交易體系仍在試點(diǎn)階段，遼寧地區(qū)暫無具體交易價(jià)格，采用北京市碳排放交易所和文獻(xiàn)[29-30]中的價(jià)格進(jìn)行計(jì)算，CO2轉(zhuǎn)讓交易費(fèi)用為86元/t，SO2轉(zhuǎn)讓交易費(fèi)用為6 000元/t，粉塵轉(zhuǎn)讓交易費(fèi)用為500元/t，排污權(quán)的轉(zhuǎn)讓或出售可減少清潔能源系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。修正后的費(fèi)用年值如表5所示。水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)費(fèi)用年值是豎直地埋管地源熱泵系統(tǒng)的67.6%，前者的綜合效益仍優(yōu)于后者。

4 結(jié)論

水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于超低能耗獨(dú)棟建筑可在壽命周期內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)全年平均COP為3.23，供熱季平均COP為2.78，供冷季平均COP為4.09，高于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)。水平地埋管地源熱泵系統(tǒng)雖運(yùn)行費(fèi)用和環(huán)境效益劣于豎直地埋管系統(tǒng)，但其經(jīng)濟(jì)性和壽命周期內(nèi)系統(tǒng)綜合效益仍優(yōu)于后者，是可應(yīng)用于超低能耗建筑的優(yōu)良能源系統(tǒng)。上述結(jié)論是基于單體超低能耗建筑得到，具有一定局限性，在后續(xù)的研究中將對(duì)多個(gè)氣候區(qū)典型超低能耗建筑的能源系統(tǒng)進(jìn)行分析，擴(kuò)展結(jié)論的適用性。