空氣源熱泵-地埋管換熱系統(tǒng)蓄熱性能研究

鮑玲玲,崔軍艷,李永,安宏賓

(1.河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，邯鄲 056038；2.河北省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，石家莊 0502273.內(nèi)丘縣豐淼地?zé)崮茉撮_發(fā)有限公司，邢臺(tái) 054000)

地?zé)崮堋⒖諝鉄崮艿瓤稍偕茉?，在?dāng)前能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位，對(duì)于熱負(fù)荷較大的寒冷地區(qū)，土壤源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期獨(dú)立運(yùn)行，使土壤溫度逐年降低，供暖性能衰減，甚至無法正常運(yùn)行[1]。空氣源熱泵在冬季運(yùn)行容易出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，進(jìn)而影響系統(tǒng)的運(yùn)行[2]。而將土壤源與空氣源熱泵技術(shù)聯(lián)合運(yùn)行，不僅能緩解土壤溫度的下降，還可提高空氣源熱泵的運(yùn)行性能。

中外學(xué)者對(duì)空氣-土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了模擬與實(shí)驗(yàn)研究。Ilaria等[3]使用TRNSYS搭建了同時(shí)使用空氣和地面的雙源熱泵系統(tǒng)模型，進(jìn)行年度動(dòng)態(tài)模擬，得出雙源熱泵系統(tǒng)可解決土壤熱失衡問題。李科宏[4]提出了空氣源耦合地源一體化熱泵系統(tǒng)，基于TRNSYS建立系統(tǒng)模型，模擬得出復(fù)合系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10年，土壤平均溫度降低0.15 ℃，降幅為1.0%。劉馨等[5]通過對(duì)供暖季實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得到土壤-空氣源雙源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果優(yōu)于土壤源單源熱泵。韓宗偉等[6]利用TRNSYS軟件對(duì)季節(jié)性蓄存空氣熱能的土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠保障埋管換熱器取熱和排熱的平衡，全年供暖空調(diào)綜合性能系數(shù)(coefficient of performance，COP)為2.44。高朋等[7]通過對(duì)空氣源熱泵輔熱的復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行分析，得到當(dāng)空氣源熱泵在非采暖季對(duì)土壤進(jìn)行蓄熱，供暖季輔助地源熱泵系統(tǒng)供熱時(shí)，可保證地源熱泵系統(tǒng)冷熱不平衡率降低至15%以下。

以往研究中，關(guān)于空氣源熱泵在非采暖季對(duì)土壤進(jìn)行蓄熱的實(shí)際研究較少。為此，在邢臺(tái)某小區(qū)已有土壤源熱泵系統(tǒng)基礎(chǔ)上，新增空氣源熱泵，在非采暖季為地埋管換熱系統(tǒng)進(jìn)行蓄熱，并對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)測(cè)與分析。利用TRNSYS軟件建立蓄熱系統(tǒng)模型，分析空氣源熱泵額定制熱量、系統(tǒng)日蓄熱時(shí)長(zhǎng)、循環(huán)泵流量之間的交互作用對(duì)系統(tǒng)制熱量、能耗、土壤溫升的影響，采用多目標(biāo)優(yōu)化算法得到系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)工況，為解決土壤熱失衡問題提供理論指導(dǎo)及參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

1.1 建筑概況

以河北邢臺(tái)某住宅小區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)為研究對(duì)象，建筑面積為60 000 m2，利用DeST軟件建立模型，得到建筑物熱負(fù)荷，其中，最大熱負(fù)荷為2 635.0 kW，累計(jì)熱負(fù)荷為4 539 042.65 kW·h。

1.2 系統(tǒng)原理

空氣-土壤雙源熱泵系統(tǒng)可分為兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)：一部分是蓄熱系統(tǒng)，另一部分是供暖系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。冬季空氣源熱泵輔助土壤源熱泵系統(tǒng)供暖，非采暖季用空氣源熱泵為土壤蓄熱，蓄熱系統(tǒng)循環(huán)路徑為1-9-2-8-6-1。主要對(duì)蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行研究，系統(tǒng)主要由三部分組成：空氣源熱泵、地埋管換熱器、循環(huán)水泵，詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)中設(shè)備參數(shù)Table 1 Equipment parameters in the experiment

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試

測(cè)試參數(shù)包括地埋管側(cè)進(jìn)出口水溫及流量、環(huán)境溫度及耗電量。使用CENTER-500溫度記錄儀測(cè)室外氣溫，測(cè)量范圍為-50～50 ℃，測(cè)量精度為±0.1 ℃，測(cè)試間隔為10 min。使用超聲波流量計(jì)測(cè)量水流量，測(cè)量精度為±1%；使用功率測(cè)量表測(cè)量機(jī)組和水泵功率，使用機(jī)械電表記錄設(shè)備耗電參數(shù)，測(cè)量精度為±1%。

1為地埋管；2為空氣源熱泵；3為地源熱泵機(jī)組；4為供暖末端5為風(fēng)機(jī)；6、7為循環(huán)水泵；8～15為閥門圖1 空氣-土壤雙源熱泵系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of air-soil source heat pump system

1.4 數(shù)據(jù)處理方式

(1)熱泵機(jī)組能及系統(tǒng)效比計(jì)算公式分別為

(1)

(2)

式中：Qh為熱泵機(jī)組制熱量，kW；Wh為壓縮機(jī)的輸入功率，kW；Wp為循環(huán)水泵的輸入功率，kW；COP為熱能機(jī)組能效比；EEP為系統(tǒng)能效比。

(2)熱泵機(jī)組制熱量的計(jì)算公式為

Qh=mCp(tout-tin)

(3)

式(3)中：m為循環(huán)水質(zhì)量流量，kg/s；Cp為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；tout、tin分別為地埋管換熱器中循環(huán)水進(jìn)、出口溫度，℃。

(3)系統(tǒng)累計(jì)供熱量的計(jì)算公式為

(4)

式(4)中：QH為系統(tǒng)累計(jì)供熱量，kWh；touti、tini分別為i時(shí)刻地埋管換熱器中循環(huán)水的進(jìn)、出口溫度，℃；Δτi為第i次測(cè)試時(shí)間間隔，h；T為測(cè)試周期。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 測(cè)試工況分析

蓄熱實(shí)驗(yàn)期間(7月8日—7月29日)，系統(tǒng)全天運(yùn)行，對(duì)邢臺(tái)地區(qū)室外氣溫進(jìn)行采集，匯總結(jié)果如圖2所示。逐時(shí)溫度在25～30 ℃最多，其次是30～35 ℃，因此將全天溫度在25～35 ℃的日期定義為典型日。

圖2 蓄熱期間室外溫度統(tǒng)計(jì)及占比Fig.2 Statistics and proportion of outdoor temperature during thermal storage

2.2 典型日蓄熱系統(tǒng)特性分析

對(duì)典型日1(7月25日，晴朗日，27.1～34.9 ℃)及典型日2(7月18日，陰天，25.5～27.8 ℃)蓄熱系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析室外溫度、地埋管進(jìn)出口水溫、系統(tǒng)制熱量及能效比隨時(shí)間的變化，結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，地埋管側(cè)進(jìn)出口水溫度有較小波動(dòng)，室外氣溫的變化對(duì)地埋管進(jìn)出口水溫的影響較小，蓄熱系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。熱泵機(jī)組制熱量、系統(tǒng)EER與室外氣溫隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致。典型日1、2全天室外平均溫度分別為31.0、26.3 ℃，系統(tǒng)平均制熱量分別為1 223.10、1 198.14 kW，約為熱泵機(jī)組額定制熱量的2.1倍，系統(tǒng)平均EER分別為6.8、6.7，熱泵機(jī)組制熱性能較好。

圖3 典型日地埋管水溫、制熱量及COP隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of water temperature,heating capacity and COP of buried pipes with time on typical days

2.3 蓄熱系統(tǒng)整個(gè)測(cè)試期間的運(yùn)行性能

測(cè)試期間，蓄熱系統(tǒng)地埋管進(jìn)出口水溫，系統(tǒng)制熱量、耗電量、系統(tǒng)EER值隨時(shí)間的變化情況，如圖4所示。可以看出，隨著地埋管向土壤釋放熱量的累積，土壤溫度逐漸升高，使地埋管進(jìn)、出口水溫度隨時(shí)間均呈上升趨勢(shì)，供回水平均溫差為4.5 ℃。室外溫度對(duì)空氣源熱泵機(jī)組制熱量及EER影響較大，蓄熱系統(tǒng)日總制熱量變化范圍為28.19～30.60 MW·h，系統(tǒng)EER值的變化范圍為6.9～7.8。由于熱泵機(jī)組冷凝器側(cè)進(jìn)口水溫升高，在相同制熱量下機(jī)組能耗增加[8]，使得能效比隨時(shí)間呈現(xiàn)一定下降趨勢(shì)。

圖4 空氣源熱泵-地埋管蓄熱系統(tǒng)運(yùn)行特性Fig.4 Operation characteristics of air source heat pump-buried pipe heat storage system

2.4 測(cè)試數(shù)據(jù)的誤差分析

實(shí)驗(yàn)利用各種儀表測(cè)得基本參數(shù)，如溫度、流量、耗電量，根據(jù)一定的函數(shù)關(guān)系式計(jì)算得到系統(tǒng)制熱量、能效比等基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在間接測(cè)量中，測(cè)量誤差是各個(gè)直接測(cè)量值誤差的函數(shù)[9]，一般為多元函數(shù)，函數(shù)的系統(tǒng)誤差Δy可表示為

(5)

式(5)中：?f/?xi為誤差傳遞函數(shù)；Δxi為直接測(cè)量值的誤差，i=1,2,…,n。

根據(jù)式(5)對(duì)系統(tǒng)制熱量Qh、能效比進(jìn)行誤差分析，結(jié)合式(1)～式(3)可得熱泵機(jī)組COP的最大相對(duì)誤差為

(6)

式(6)中：ΔCOP為間接測(cè)量值COP的系統(tǒng)誤差；Δm為直接測(cè)量值m的系統(tǒng)誤差；Δtout、Δtin分別為直接測(cè)量值tout、tin的系統(tǒng)誤差；ΔWh為直接測(cè)量值Wh的系統(tǒng)誤差。

同理，得到系統(tǒng)制熱量Qh、系統(tǒng)EER的最大相對(duì)誤差，但由于實(shí)測(cè)過程中各參數(shù)同時(shí)同方向出現(xiàn)最大誤差的概率很小，采用上述最大相對(duì)誤差作為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合誤差會(huì)使結(jié)果過大。因此根據(jù)間接測(cè)量隨機(jī)誤差的傳遞公式來計(jì)算實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)綜合誤差σy，得到間接測(cè)量值隨機(jī)誤差的最大值為

(7)

(8)

(9)

式中：σCOP、σQh、σEER分別為間接測(cè)量值COP、Qh、EER的綜合誤差；ΔWp為直接測(cè)量值Wh的綜合誤差。

根據(jù)式(7)～式(9)計(jì)算可知：熱泵機(jī)組COP相對(duì)誤差為3.443 1%<5%；系統(tǒng)EER的相對(duì)誤差為3.586 7%<5%；系統(tǒng)制熱量的相對(duì)誤差為3.293 1%<5%，間接誤差<5%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。

3 TRNSYS系統(tǒng)模擬分析

3.1 土壤溫度的變化

模擬中氣象參數(shù)是由典型氣象年的數(shù)據(jù)來代替的，導(dǎo)致模擬結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，為了使模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)期間實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)和典型氣象年數(shù)據(jù)，對(duì)模型中氣象參數(shù)(7月8日—7月29日)進(jìn)行修正。

利用TRNSYS軟件搭建空氣源熱泵-地埋管蓄熱系統(tǒng)模型，如圖5所示。為保證非采暖季模擬結(jié)果的可靠性，各設(shè)備模塊中的參數(shù)按實(shí)際修改，如空氣源熱泵性能參數(shù)、地埋管數(shù)量及尺寸、土壤物性參數(shù)、水泵流量等，使模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可對(duì)比分析。蓄熱階段，模擬得到的地埋管進(jìn)出口水溫與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比以及蓄熱期間土壤溫度的變化，如圖6所示，水溫未出現(xiàn)大的偏差，誤差在5%以內(nèi)，說明模擬與實(shí)驗(yàn)過程相符。

圖5 空氣源熱泵-地埋管蓄熱系統(tǒng)模型Fig.5 Model of air source heat pump-buried pipe heat storage system

由圖6可知，在測(cè)試期間，經(jīng)蓄熱后土壤溫度從初始的15.8 ℃上升至16.4 ℃，溫升為0.6 ℃。結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)的分析可知，在非采暖季利用空氣源熱泵為土壤蓄熱的方式是可行的。

圖6 蓄熱期間地埋管進(jìn)出口水溫及土壤溫度的變化Fig.6 Variation of inlet and outlet water temperature and soil temperature of buried pipe during thermal storage

3.2 系統(tǒng)優(yōu)化

3.2.1 多因素影響分析

測(cè)試時(shí)間段，以系統(tǒng)制熱量YD、能耗YE、土壤溫升YF作為響應(yīng)值，空氣源熱泵額定制熱量、系統(tǒng)日蓄熱時(shí)長(zhǎng)、循環(huán)泵流量為自變量，通過Box-Behnken法設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面試驗(yàn)，利用蓄熱系統(tǒng)TRNSYS模型進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，采用多目標(biāo)優(yōu)化算法得到測(cè)試期間蓄熱系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)工況[10-12]。響應(yīng)曲面試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)如表2所示，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 空氣源熱泵-地埋管蓄熱系統(tǒng)響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 2 Design factors and levels of response surface test for air source heat pump-buried tube heat storage system

通過響應(yīng)曲面分析法去除模型中不顯著的影響因素(P>0.05)，以表3中系統(tǒng)制熱量YD、能耗YE、土壤溫升YF為目標(biāo)值建立二次回歸模型，各響應(yīng)值模型的回歸方差分析結(jié)果如表4～表6得到試驗(yàn)真實(shí)水平回歸模型為

表3 空氣源熱泵-地埋管蓄熱系統(tǒng)試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 3 Test scheme and results of air source heat pump-buried pipe heat storage system

表4 系統(tǒng)制熱量回歸方差分析Table 4 Regression analysis of variance of heating capacity

表5 系統(tǒng)能耗回歸方差分析Table 5 Regression variance of system energy consumption

表6 土壤溫升回歸方差分析Table 6 Regression variance of soil temperature rise

YD=-1.30×105-84.18x1+142.18x2+

17 969.42x3+0.56x1x2+10.92x1x3+

(10)

YE=1 497.84-38.19x1-9.88x2+1 414.54x3+0.07x1x2+5.74x2x3

(11)

YF=0.18-5.17×10-4x1-2.71×10-4x2+3.33×10-3x3+8.33×10-7x1x2+

4.17×10-5x2x3

(12)

由響應(yīng)值回歸方程方差分析及式(10)～式(12)可知，循環(huán)泵流量與空氣源熱泵額定制熱量的交互作用對(duì)系統(tǒng)制熱量、能耗、土壤溫升的影響較為顯著，循環(huán)泵流量與系統(tǒng)日蓄熱時(shí)長(zhǎng)對(duì)能耗和土壤溫升的交互作用不顯著，空氣源熱泵額定制熱量與系統(tǒng)日蓄熱時(shí)長(zhǎng)的交互作用對(duì)3個(gè)響應(yīng)值的影響極為顯著。

(1)三因素對(duì)系統(tǒng)制熱量的影響。循環(huán)流量對(duì)系統(tǒng)制熱量的影響，如圖7(a)所示，制熱量隨流量的增加呈先上升后下降趨勢(shì)，表明在空氣源熱泵機(jī)組型號(hào)及蓄熱時(shí)間一定的情況下，適當(dāng)增加循環(huán)泵流量可使制熱量增加，但流量過大時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)水流速過快，與冷凝器、地埋管換熱不充分，系統(tǒng)制熱量下降。

空氣源熱泵額定制熱量與日蓄熱時(shí)長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)制熱量的影響，如圖7(b)所示。可以看出，隨著熱泵機(jī)組額定制熱量和蓄熱時(shí)長(zhǎng)的增加，系統(tǒng)制熱量均增大。蓄熱時(shí)間和熱泵額定制熱量對(duì)系統(tǒng)制熱量的影響，在回歸方程[式(10)]中表現(xiàn)為二次方系數(shù)較小，使得系統(tǒng)制熱量隨熱泵額定制熱量與系統(tǒng)啟停的變化近似平面分布。結(jié)果表明，在蓄熱工況下，當(dāng)?shù)芈窆苤醒h(huán)流量滿足要求時(shí)，適當(dāng)?shù)脑黾訜岜脵C(jī)組額定制熱量，可提高系統(tǒng)制熱量，系統(tǒng)日蓄熱時(shí)間越長(zhǎng)，制熱量越大。

圖7 三因素對(duì)制熱量的影響Fig.7 Influence of three factors on heat capacity

(2)熱泵制熱量與循環(huán)泵流量對(duì)系統(tǒng)能耗的影響.熱泵額定制熱量與循環(huán)泵流量對(duì)系統(tǒng)制熱量的影響，如圖8所示?？梢钥闯?，空氣源熱泵額定制熱量對(duì)系統(tǒng)能耗的影響極為顯著，空氣源熱泵額定制熱量的增加導(dǎo)致系統(tǒng)能耗升高，循環(huán)泵流量對(duì)能耗的影響較為顯著，影響趨勢(shì)表現(xiàn)為曲面較平滑，這與方差分析中的顯著性水平結(jié)果一致。兩者的交互作用較顯著，表現(xiàn)為響應(yīng)曲面傾斜度較陡。結(jié)果表明，在蓄熱工況下，空氣源熱泵能耗占主要部分，循環(huán)泵能耗與之相比占小部分，循環(huán)泵對(duì)系統(tǒng)總能耗的影響較小，若從節(jié)能角度考慮，應(yīng)在條件允許下，主要考慮降低空氣源熱泵型號(hào)，以降低能耗。

圖8 熱泵額定制熱量及循環(huán)泵流量對(duì)系統(tǒng)能耗的影響Fig.8 Influence of heat pump rated heat capacity and circulating pump flow on system energy consumption

(3)熱泵制熱量與日蓄熱時(shí)長(zhǎng)對(duì)土壤溫升的影響。熱泵額定制熱量與蓄熱時(shí)間對(duì)土壤溫升影響的等高線圖，如圖9所示?？梢钥闯?，空氣源熱泵額定制熱量及日蓄熱時(shí)長(zhǎng)對(duì)土壤溫升的交互作用并非線性，在循環(huán)水泵流量一定的情況下，根據(jù)實(shí)際需求，通過增加空氣源熱泵額定制熱量及蓄熱時(shí)長(zhǎng)可使土壤溫升滿足要求。

圖9 熱泵額定制熱量及日蓄熱時(shí)長(zhǎng)對(duì)土壤溫升的影響Fig.9 Effects of heat pump rated heat and daily heat storage time on soil temperature rise

3.2.2 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

以系統(tǒng)制熱量、能耗以及土壤溫升作為約束條件，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，得到系統(tǒng)只在白天運(yùn)行時(shí)的最優(yōu)工況為：循環(huán)水泵總流量為400 m3/h、空氣源熱泵總額定制熱量為920.0 kW，此時(shí)系統(tǒng)累計(jì)制熱量為588 337.2 kWh，耗電量為79 195.7 kW·h，系統(tǒng)EER值為7.44，土壤溫升為0.55 ℃；系統(tǒng)全天運(yùn)行時(shí)最優(yōu)工況為：循環(huán)水泵總流量為100 m3/h、空氣源熱泵總額定制熱量為723.8 kW，此時(shí)系統(tǒng)累計(jì)制熱量為819 174.4 kW·h，耗電量為114 432.9 kW·h，系統(tǒng)EER值為7.16，土壤溫升為0.76 ℃。

蓄熱系統(tǒng)在上述最優(yōu)工況下運(yùn)行時(shí)，對(duì)比分析氣象參數(shù)修正前后系統(tǒng)能耗及土壤溫升的變化(7月7日—7月29日)，如表7所示。結(jié)果表明模型若直接采用典型年氣象參數(shù)進(jìn)行模擬也是可取的。

表7 氣象參數(shù)修正前后耗電量及土壤溫升的變化Table 7 Variation of power consumption and soil temperature rise before and after meteorological parameter correction

為研究系統(tǒng)在整個(gè)非采暖季(7月7日開始)的運(yùn)行性能，可利用此時(shí)間段典型氣象年的參數(shù)進(jìn)行模擬，分別得到系統(tǒng)在白天(12 h)、全天運(yùn)行(24 h)時(shí)，土壤溫升Δt與耗電量W之間的關(guān)系，如圖10所示，擬合結(jié)果可表示為

圖10 系統(tǒng)耗電量隨土壤溫升的變化Fig.10 Variation of system power consumption with soil temperature rise

W12h=13 146.14+111 900.41Δt+

15 290.34Δt2

(13)

W24h=7 477.37+132 960.38Δt+

7 514.94Δt2

(14)

式中：Δt為土壤溫升，℃；W12h為整個(gè)非采暖季系統(tǒng)只在白天運(yùn)行時(shí)的耗電量，kW·h；W24h為整個(gè)非采暖季系統(tǒng)全天運(yùn)行時(shí)的耗電量，kW·h。

由圖10可知，當(dāng)所需土壤溫升≤2.5 ℃時(shí)，采用系統(tǒng)在白天運(yùn)行的方式，系統(tǒng)能耗較低，當(dāng)所需土壤溫升>2.5 ℃時(shí)，采用全天運(yùn)行的蓄熱方式。由于土壤溫升相同的情況下，只在白天運(yùn)行的系統(tǒng)，蓄熱期較長(zhǎng)，蓄熱后期室外氣溫較低，使得系統(tǒng)性能下降，能耗增加。當(dāng)土壤目標(biāo)溫升為3.0 ℃時(shí)，全天運(yùn)行的蓄熱系統(tǒng)能耗為474 820.0 kW·h，增加的蓄熱運(yùn)行費(fèi)用為3.96元/m2。

4 蓄熱系統(tǒng)可行性分析

4.1 能源效益

測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，空氣源熱泵-地埋管蓄熱系統(tǒng)全天運(yùn)行，最優(yōu)工況下的制熱總量為819 174.4 kW·h，所消耗的電量為114 432.9 kW·h。煤電效率按27.0%計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒值為29 306 MJ/t，天然氣折標(biāo)系數(shù)取1.33 kg/m3[13]。則空氣源熱泵蓄熱系統(tǒng)運(yùn)行消耗電量所需的燃煤量為52.06 t，若采用傳統(tǒng)熱源：燃煤、燃?xì)?、熱電?lián)產(chǎn)的方式為土壤蓄熱，燃煤鍋爐熱效率定為60%，燃?xì)忮仩t熱效率定為80%，熱電聯(lián)產(chǎn)熱效率定為85%[13]，則產(chǎn)生上述相同制熱量所需的煤量分別為167.71 t、137.56 t、118.39 t?？諝庠礋岜眯顭嵯到y(tǒng)與傳統(tǒng)熱源燃煤、燃?xì)?、熱電?lián)產(chǎn)蓄熱系統(tǒng)相比，分別可節(jié)約69.0%、62.2%、56.0%的能耗。

4.2 環(huán)境效益

不同蓄熱系統(tǒng)因其熱源不同導(dǎo)致各類污染物排放量在排放物中所占比例是不同的，并不存在各類污染物排放量均為最低或最高的蓄熱方式，評(píng)判具有一定的模糊性。因此，引入模糊綜合分析法，具體步驟如下[14]。

步驟1決策集D=(d1,d2,…，dn)以及影響評(píng)判的目標(biāo)集U=(u1,u2,…，um)，決策集中d1為空氣源熱泵蓄熱系統(tǒng)、d2為燃煤鍋爐蓄熱系統(tǒng)、d3為燃?xì)忮仩t蓄熱系統(tǒng)、d4為熱電聯(lián)產(chǎn)蓄熱系統(tǒng)。目標(biāo)集中u1為CO2排放量、u2為SO2排放量、u3為NOx排放量、u4為煙塵排放量。

步驟2根據(jù)步驟1中決策集與目標(biāo)集建立模糊評(píng)判矩陣R=(rij)4×4，rij為目標(biāo)集隸屬。

根據(jù)各蓄熱系統(tǒng)的能源消耗以及污染物排放清單[13]，可得到不同蓄熱系統(tǒng)產(chǎn)生的主要污染物總量，計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 各供暖系統(tǒng)主要污染物排放總量Table 8 Total emission of main pollutants of heating system

比較環(huán)境效益時(shí)，各蓄熱系統(tǒng)污染物排放量越小越優(yōu)，所以利用數(shù)量值越小越優(yōu)的rij的計(jì)算公式為

(15)

式(15)中：xij為蓄熱系統(tǒng)方案中方案j的第i個(gè)評(píng)判目標(biāo)的數(shù)量值。

可得模糊評(píng)價(jià)矩陣R=(rij)4×4為

(16)

根據(jù)蓄熱系統(tǒng)方案特點(diǎn)和各評(píng)比目標(biāo)對(duì)方案的影響程度，選用層次分析法確定權(quán)重向量W[14]，可表示為

(17)

查閱文獻(xiàn)得，各污染物在環(huán)境影響因素中的重要程度為：NOx>煙塵>SO2>CO2[15]，環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的四個(gè)評(píng)判要素間兩兩對(duì)比賦值為：aij=1表示ui與uj同等重要；aij=6/5表示ui比uj略微重要；aij=4/3表示ui比uj重要；aij=3/2表示ui比uj很重要。根據(jù)比較方法可得各環(huán)境影響因素間相對(duì)重要性，如表9所示。

表9 環(huán)境影響因素間的相對(duì)重要性Table 9 Relative importance of environmental impact factors

用二元對(duì)比倒數(shù)法建立4階對(duì)比矩陣為

(18)

通過優(yōu)勢(shì)積累法可得權(quán)向量W=(3.25，3.78，5.03，4.37)，進(jìn)行歸一化處理得W=(0.19，0.23，0.31，0.27)。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)合成原理，將模糊權(quán)向量W與模糊評(píng)判矩陣R相乘，得到評(píng)判向量B=(0.810，0.286，0.738，0.297)，根據(jù)評(píng)判向量可得到各蓄熱系統(tǒng)環(huán)境優(yōu)度的好壞。

從計(jì)算結(jié)果可得，空氣源熱泵蓄熱系統(tǒng)的環(huán)境優(yōu)度較傳統(tǒng)熱源燃煤、燃?xì)?、熱電?lián)產(chǎn)蓄熱系統(tǒng)分別高出64.8%、8.9%、63.3%，空氣源熱泵蓄熱系統(tǒng)的環(huán)境效益顯著。

5 結(jié)論

(1)測(cè)試期間(7月7日—7月29日)，系統(tǒng)制熱量可達(dá)到空氣源熱泵額定制熱量的2.17倍，熱泵機(jī)組及系統(tǒng)平均能效比分別為8.8、7.2，地埋管進(jìn)出口平均溫差為4.5 ℃，空氣源熱泵-地埋管換熱系統(tǒng)蓄熱運(yùn)行穩(wěn)定。

(2)對(duì)典型氣象年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，利用TRNSYS軟件對(duì)空氣源熱泵-地埋管換熱系統(tǒng)蓄熱性能進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：蓄熱后土壤溫度從初始的15.8 ℃上升至16.4 ℃，溫升0.6 ℃，在非采暖季利用空氣源熱泵為土壤蓄熱的方式是可行的。

(3)測(cè)試期間，系統(tǒng)全天運(yùn)行時(shí)的最優(yōu)工況為：循環(huán)水泵總流量為100 m3/h、空氣源熱泵總額定制熱量為723.8 kW，系統(tǒng)EER值為7.16，土壤溫升為0.76 ℃。

(4)非采暖季(7月7日開始)，空氣源熱泵-地埋管換熱系統(tǒng)蓄熱運(yùn)行時(shí)，耗電量與土壤溫升為二次函數(shù)關(guān)系。當(dāng)土壤目標(biāo)溫升≤2.5 ℃時(shí)，采用系統(tǒng)在白天運(yùn)行的方式，系統(tǒng)能耗較低，反之，采用全天運(yùn)行的蓄熱方式。當(dāng)土壤目標(biāo)溫升為3.0 ℃時(shí)，全天蓄熱系統(tǒng)能耗為474 820.0 kW·h，增加的蓄熱費(fèi)用為3.96元/m2。

(5)空氣源熱泵蓄熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)熱源燃煤、燃?xì)?、熱電?lián)產(chǎn)蓄熱方式相比，分別可節(jié)約69.0%、62.2%、56.0%的能耗。環(huán)境優(yōu)度較上述3種蓄熱系統(tǒng)分別高出64.8%、8.9%、63.3%，空氣源熱泵蓄熱系統(tǒng)的能源及環(huán)境效益顯著。