寒冷地区土壤蓄热式空气源热泵系统研究.pdf

智能环保NO.07 202387智能城市 INTELLIGENT CITY寒冷地区土壤蓄热式空气源热泵系统研究侯旭（沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168）摘要：土壤蓄热式空气源热泵系统是利用风水换热器将土壤区域换热器和空气源热泵系统进行复合，共同为建筑提供供冷（热）需求。通过Trnsys模拟软件对该系统在某办公建筑内的应用结果进行模拟分析，发现增加土壤蓄热部分后，空气源热泵系统在供暖季最冷天的制热COP值为2.29，制热效果满足建筑供热需求，空气源热泵的供暖稳定性增强、制热能效比较高。土壤蓄热模块的加入决定了用户侧的供水温度以及空气源热泵的能效水平，系统更高效节能。关键词：土壤蓄热；空气源热泵；Trnsys模拟；高效节能中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：2096-1936（2023）07-0087-03DOI：10.19301/ki.zncs.2023.07.028Research on soil heat storage air source heat pump system in cold regionsHOU XuAbstract：The soil thermal storage air source heat pump system utilizes a wind water heat exchanger to composite the soil area heat exchanger with the air source heat pump system,jointly providing cooling(heating)needs for the building.Through the simulation analysis of the application results of the system in a certain office building using Trnsys simulation software,it was found that after adding soil heat storage,the COP value of the air source heat pump system in the coldest day of the heating season was 2.29,which met the heating needs of the building.The heating stability of the air source heat pump was enhanced,and the heating energy efficiency was relatively high.The addition of the soil heat storage module determines the water supply temperature on the user side and the energy efficiency level of the air source heat pump,making the system more efficient and energy-saving.Key words:soil heat storage;air source heat pump;Trnsys simulation;efficient and energy-saving空气源热泵是可再生能源的应用典范，空气源热泵系统冷热源合并，不用特别设置锅炉房和冷冻机房，机组随意放置，不占用有效建筑使用面积，采用模块化机组设计。本文基于浅层地热蓄热提出了土壤蓄热式空气源热泵系统。通过供暖季将自然空气输入土壤区域换热器中预热，与空气源热泵蒸发器侧进行换热，由热泵机组向室内供暖。采用浅层地热能蓄热方法能够实现跨季节土壤补热，为严寒地区空气源热泵供热可持续发展提供参考，通过Trnsys软件模拟运行，验证土壤蓄热式空气源热泵系统应用效果和换热模块的辅助供热效果。1建筑能耗模拟1.1建筑概况研究所选建筑为北京市某办公建筑，共2层，无地下室，总面积为324.8 m2。一层面积162.7 m2，包括办公室、会议室、大厅等；二层面积162.1 m2，包括办公室、会议室、卫生间等。建筑结构导热参数如表1所示。1.2建筑全年负荷特性分析北京地区的平均气温为12.9，年最高气温为38.8，属于寒冷A区，供暖室外计算温度为-7.6。北京地区供暖时间为11月15日3月15日，收稿日期：2023-02-19作者简介：侯旭，研究方向为多能耦合系统供热。引用本文：侯旭.寒冷地区土壤蓄热式空气源热泵系统研究J.智能城市,2023,9(7):87-89.智能环保NO.07 202388智能城市 INTELLIGENT CITY共121 d，且要求供暖期室内温度达18。北京市气候数据分布如图1所示。通过Dest负荷模拟软件对目标建筑进行全年逐时能耗模拟，冬季逐时最大热负荷为27.00 kW，夏季逐时最大冷负荷为15.25 kW，冬夏峰值负荷比为1.71.0。2系统概况2.1HPSHAS系统设计基于浅层地热蓄热思想，提出了土壤蓄热式空气源热泵（HPSHAS）系统。通过供暖季将自然空气输入土壤区域换热器中预热，再与空气源热泵蒸发器侧进行换热，由热泵机组向室内供暖。采用浅层地热能预热方法能够实现跨季节土壤补热，为严寒地区空气源热泵供热可持续发展提供了新途径。土壤蓄热式空气源热泵系统如图2所示。2.2控制策略（1）ASHP模式。在严寒地区供冷季，空气源热泵机组单独运行可以满足建筑物的制冷需求；在供暖初期室外环境温度下降幅度较小，对于空气源热泵的制热效果影响较小，空气源热泵单独制热能够满足建筑的供热需求。（2）HPSHAS模式。严寒地区供暖中期建筑热负荷需求增大，此时通过换热模块提取浅层地热能，与室外低温空气换热后作为空气源热泵的输入热源，提高空气源热泵的制热效果。2.3仿真模型的建立本文基于Trnsys瞬时仿真平台建立了HPSHAS模块，并根据系统设计原理搭建了HPSHAS仿真系统。HPSHAS热泵系统仿真模型如图3所示。3土壤热平衡分析利用Trnsys软件分别模拟了HPSHAS系统开启补热模式和不开启补热模式运行10年后的地温变化情况1-2。HPSHAS系统常规模式运行10年后地温下降幅度由开始的2.97 缩减到0.70，降幅为6.7%。常规热泵系统运行模式下会使土壤温度逐年降低，开启蓄热模式的热泵系统仍可以保持土壤温度稳定，缓解土壤热失衡问题的出现3。土壤温度变化对比曲线如图4所示。4热泵系统供热性能分析4.1HPSHAS系统仿真分析系统冬季用户侧平均出水温度为48.91，最低出水温度为46.85，最高出水温度为50.97，波动幅度为4.12。模拟所得负荷侧供回水温度变图1北京市气候数据分布图2土壤蓄热式空气源热泵系统图3HPSHAS热泵系统仿真模型图4土壤温度变化对比曲线表1建筑结构导热参数 单位：W/（m K）类型外墙屋面地面内墙导热系数0.370.300.300.36类型天花板外窗透明外门非透明外门导热系数0.92.42.41.5智能环保NO.07 202389智能城市 INTELLIGENT CITY化基本合理。相较于单源热泵而言，供热温度波动相对稳定，能够保障热泵系统在严寒地区低温环境下的供热稳定性。HPSHAS系统供暖季供回水温度如图5所示。土壤-空气源复合运行：供暖季最冷天的制热COP值为2.29，制热效果满足建筑供热需求4。通过浅层地热能与空气源热泵的耦合供热，能使冬季制热COP值波动幅度减小，使空气源热泵的运行趋于稳定，有效地缓解了空气源热泵在最不利环境工况下出现的制热率不高、供热需求不匹配的问题。HPSHAS系统供暖季COP值如图6所示。4.2能耗分析空气源热泵机组的制冷、制热能耗与机组负荷率、环境温度、供回水温度等多个因素有关，因此需要在动态模拟的基础上获得制热总能耗，基于前文建立的Trnsys系统模型，对系统两种运行工况进行供暖季的能耗模拟。热泵系统供暖季能耗模拟结果如图7所示。复合热泵机组供暖季的耗电量为50 826 kWh，空气源热泵机组的耗电量为51 236 kWh，供暖季HPSHAS模式下水泵的耗电量相对于ASHP模式下减少了410 kW。由此可知，HPSHAS热泵机组的耗电量小于空气源热泵机组，说明在该模式下热泵机组的启停次数减少，热泵机组在供暖季的运行较为稳定，提高了空气源热泵的制热效率。5结语（1）土壤蓄热式空气源模式的实际供热效果要优于空气源单源供热模式，空气源热泵系统在供暖季最冷天制热COP值为2.09，制热效果满足建筑供热需求。（2）蓄热模式运行十年后地温由开始的10.40 下降到9.84，地温下降0.70，降幅为6.7%，缓解了土壤热失衡问题的出现。（3）土壤蓄热式空气源的供暖期耗电量小于供暖期间空气源模式的耗电量；HPSHAS热泵供暖季运行更加稳定，启停次数减少，系统更具节能性。参考文献1 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)529-533.2 王绍瑞,基于空气源热泵系统的低谷电辅助热源的应用J.暖通空调,2016,46(7):6-8.3 周博睿,我国地热能开发利用现状与未来趋势J.能源,2022(2):77-80.4 马振永.空气源热泵供暖在严寒地区冬季运行可行性分析J.中外企业家,2020(1):222.图5HPSHAS系统供暖季供回水温度图6HPSHAS系统供暖季COP值图7热泵系统供暖季能耗模拟