严寒地区某办公建筑空气-土壤源热泵系统经济性与CO2减排率分析

宫 静，王松庆

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

近年来，随着科学技术的飞速发展，能源、环境的可持续发展问题已经成为我国重点关注的问题，能源是支持所有社会经济活动的基础，也是最大的碳排放来源，对此我国积极制定了碳中和目标[1]。建筑能源消耗作为我国三大重要耗能大户“工业、建筑、交通”之一，其主要包括供暖以及电力等能源的消耗，并且供暖能耗一直占据主导地位[2]。目前我国严寒地区冬季供暖仍主要通过燃烧煤炭、天然气等传统供暖方式，这种方式不但加剧了能源短缺，还会对环境造成污染[3]。因此将太阳能、风能、地热能等可再生能源应用于供暖制冷技术上，对我国调整能源结构、实现能源转型具有重要意义[4]。我国严寒地区地热能源储量巨大，相较于其他可再生能源更稳定、高效。在能源紧张的形式下，利用地热能的热泵供暖制冷技术，近年逐步引起业内人士关注[5]。

地源热泵有着高效节能、环境效益显著、运行安全可靠、可一机多用等优点。但严寒地区供暖需求大、土壤平均温度偏低，建筑的供暖负荷大于制冷负荷，单一地源热泵系统长期运行将使土壤取热量大于蓄热量，产生“冷堆积”现象，导致土壤自身无法恢复热平衡，从而使得单一地源热泵系统无法高效运行[6]。因此需引入辅助热源，与地源热泵组成复合式热源热泵系统来解决单一地源热泵系统供暖季长期运行引起的土壤热不平衡现象。目前国内外学者对于复合式地源热泵系统进行了一定程度的数值与实验研究。Phetteplace等人根据实际工程，通过对建筑的复合式地源热泵系统进行为期22个月的运行数据监测，分析研究后得出了复合式地源热泵系统相较于传统地源热泵系统的优势，验证了复合式地源热泵系统的可行性[7]。蔡晶晶等人设计了冷却塔-土壤源热泵混合系统，对混合系统的不同设计方法进行了讨论与分析，发现系统经济性与运行效果显著提升，并有效改善夏热冬冷地区建筑制冷季空调冷负荷和供暖季供热负荷的不平衡问题[8]。於继康等人以夏热冬冷地区某办公建筑为研究对象，设计了空气-土壤源热泵系统，对系统地埋管换热能耗和耦合模型进行计算分析，得出当空气-土壤源热泵系统中的空气源热泵系统优先运行于地源热泵系统时，相较于单一热源热泵供暖方式，土壤热失衡问题得到有效改善，并且地埋管换热器性能得到提升[9]。随着复合式地埋管地源热泵系统的应用与发展，其辅助热源形式大多采用太阳能系统、锅炉系统等，对空气源热泵作为辅助热源的研究也都集中在非严寒地区，而空气源热泵相比其他辅助热源形式，其设备简单、投资费用低、维护方便，并且对于空气-土壤源热泵系统在严寒地区的相关研究较少。因此本研究以哈尔滨市某办公建筑为研究对象，设计了空气-土壤源热泵系统对建筑供热制冷。利用DeST对建筑全年动态负荷模拟，通过Trnsys对系统进行仿真研究，从系统经济性和节能减排角度出发，分析空气-土壤源热泵系统的费用年值和CO2减排率，从而探究空气-土壤源热泵系统在严寒地区办公建筑最佳运行策略工况。

本文以哈尔滨市某办公建筑为研究对象,建筑高度23.3 m，建筑面积24 308.55 m2，房间功能主要有办公室、休息室、会议室等，夏季与冬季室内设计温度分别为26℃和18℃，其设计参数等均依据现有规定和标准。根据哈尔滨市气候条件，通过DeST对建筑进行全年逐时冷热负荷模拟，结果如下图1所示，冬季逐时最大热负荷885.3 kW，夏季逐时最大冷负荷为819 kW。根据观察模拟结果可以发现，建筑全年累计热负荷远大于全年累计冷负荷，全年累计冷负荷占全年累计热负荷的19.5%。若使用单一地源热泵系统则会导致土壤热失衡问题，因此选用空气源热泵系统作为辅助热源,构建空气-土壤源热泵系统。

Trnsys是通过连接仿真系统里的各个模块，通过调用系统里各个模块并输入所需设定的相应参数，进而实现系统的动态模拟。在利用DeST计算建筑全年逐时负荷的基础上，通过DeST将建筑逐时负荷导出，利用Type9e模块导入到Trnsys中，不仅可以对建筑逐时负荷进行更加全面的分析，同时节省了Trnsys在建筑负荷上的模拟时间。所构建的空气-土壤源热泵系统仿真模型如下图2所示。

图中仿真模型主要由地源热泵系统、空气源热泵系统构成。地源热泵系统主要由Type225土壤源热泵机组模块、Type557地埋管换热器模块、Type114水泵模块以及Type682建筑末端模块等构成，空气源热泵系统主要由Type941空气源热泵机组模块、Type682建筑末端模块、Type4c蓄热水箱以及Type3b风机等模块构成。整个空气-土壤源热泵系统内通过Type9e建筑负荷读取模块读取DeST计算出的建筑全年逐时动态负荷，连接哈尔滨市典型年气象参数数据模块，并对各个系统内的模块加入温差控制以及时间控制，在输入逻辑控制计算方程后，从而将空气-土壤源热泵系统的模拟运行结果进行输出与分析。

3.1 空气-土壤源热泵系统运行策略

为了维持土壤取热量与放热量平衡和避免造成过多能源浪费，根据建筑累计冷负荷占建筑累计热负荷的19.5%，本研究在冬季供暖运行模式下选取了在土壤热泵系统承担80%冬季供暖热负荷到20%冬季供暖热负荷，空气源热泵系统对应承担20%冬季供暖热负荷到80%冬季供暖热负荷的区间内五种不同策略下对空气-土壤源热泵系统进行Trnsys模拟来探究运行情况，系统策略如表1所示。

表1 空气-土壤源热泵系统运行策略

3.2 空气-土壤源热泵系统运行模式

考虑目标建筑所处地区的气候条件以及地理因素等情况，建筑冬季累计热负荷过大，冬季供暖时单独运行地源热泵系统会造成土壤取热量大于蓄热量，从而导致土壤热不平衡，单独运行空气源热泵系统会导致机组的结霜现象，因此由空气源热泵系统与地源热泵系统共同承担冬季供暖热负荷进行冬季供暖。由于夏季空调冷负荷较低，夏季制冷时单独运行地源热泵系统利于增加土壤蓄热量。

本研究选定夏季由2台地源热泵机组平均承担夏季空调冷负荷，空气源热泵机组不投入使用，此时运行地源热泵机组有利于增加土壤蓄热量。冬季加入空气源热泵辅助供热，根据冬季供暖热负荷分担比例，由地源热泵机组1和地源热泵机组2平均承担地源热泵系统所需热负荷比例，由一台空气源热泵机组承担空气源热泵系统所需热负荷比例，不同运行策略下土壤源热泵系统的机组与空气源热泵系统的机组容量配置如表2所示。

表2 机组容量配置

4.1 空气-土壤源热泵系统经济性分析

本文选取费用年值来分析热泵系统的经济性。费用年值主要包括项目多的初投资费用和系统在运行年限内的年平均运行费用，其计算公式如下

(1)

式中AW——费用年值/万元;

i——折现率/%，本研究中取10%;

m——系统运行周期/年,本研究中取10年;

C0——初投资/万元;

C——年平均运行费用/万元。

初投资费用主要为购买系统各个设备的购买费。这些设备主要包括：水泵、风机、热泵机组以及地埋管施工费用等，本研究中空气-土壤源热泵系统主要设备有地源热泵机组2台；
空气源热泵机组1台；
水泵与风机共计6台；
地埋管若干，设备估算价格：空气源热泵机组516元/kW；
土壤源热泵机组602元/kW；
水泵及风机500元/kW；
地埋管换热器50元/m。系统年平均运费用主要是系统运行产生能耗所需的电费，哈尔滨市电价政策得出本研究电价取0.75元/kWh[10]。通过对空气-土壤源热泵系统5个工况下进行为期十年的Trnsys模拟，经模拟和计算5个运行策略下初投资和总运行费用如表3所示。

表3 不同策略下初投资和总运行费用

根据表3，得到策略1至策略5运行条件下空气-土壤源热泵系统在十年内的年平均运行费用分别为24.95万元、25.57万元、25.86万元、28.98万元、34.38万元。通过Trnsys模拟得出系统的年运行能耗分别为332 683 kWh、340 965 kWh、344 747 kWh、386 430 kWh、458 413 kWh。根据式(1)费用年值的计算方法，可得出空气-土壤源热泵系统运行十年内的费用年值，结果如图3所示。

由图3可知，在不同运行策略下，空气-土壤源热泵系统费用年值随着地源热泵所承担建筑冷热负荷比例的降低而降低。当在策略5运行条件下，此时地源热泵系统承担20%冬季供暖热负荷，空气源热泵系统承担80%冬季供暖热负荷，空气-土壤源热泵系统逐年运行总能耗最高，为458 413 kWh，此时系统费用年值最低，为51.43万元；
当在策略1运行条件下，此时地源热泵系统承担80%冬季供暖热负荷，空气源热泵系统承担20%冬季供暖热负荷，空气-土壤源热泵系统运行总能耗最低，为332 683 kWh，此时系统费用年值最高，为72.18万元。策略5相比策略1、策略2、策略3、策略4的费用年值分别减少了28.74%、10.43%、3.50%、1.19%。

由此可以看出空气-土壤源热泵系统的费用年值受项目初投资的影响较大，受运行费用的影响较小，这是因为随着地源热泵机组承担的供暖制冷负荷比例越高，地源热泵系统需要安置的地埋管数量增多，地埋管施工费用也随之增加，因此在经济性角度下考虑实际工程应用空气-土壤源热泵系统，则策略5的经济性最优。

4.1 空气-土壤源热泵系统CO2减排率分析

《可再生能源建筑应用工程评价标准》[11]指出，采用空气-土壤源热泵系统时可将系统运行时所产生的电能折算为标准煤从而与传统锅炉供暖方式进行比较，空气-土壤源热泵系统的热源为空气能和地热能这两种可再生能源，比传统锅炉供暖方式对环境的影响要低。通过计算空气-土壤源热泵系统运行十年的能源替代量，对比分析在五种运行策略下空气-土壤源热泵系统与传统锅炉系统的CO2减排率，CO2减排率定义式如下

(2)

QCO2=ΔQ×VCO2

(3)

ΔQ=Qt-Qag

(4)

(5)

(6)

式中ηCO2——CO2减排率/%；

QCO2——空气-土壤源热泵系统减排量/kg·年-1；

Qt——传统锅炉供热系统总能耗/kg标准煤；

VCO2——标准煤的CO2排放因子，该标准中取2.47；

ΔQ——常规能源替代值/kg标准煤；

Qag——空气-土壤源热泵系统供热总能耗/kg标准煤；

Q——空气土壤源热泵系统全年累计制热量/kJ；

η——以传统热源时的运行效率/%，在《生活锅炉热效率及热工实验方法》[12]，该值取84%；

q——标准煤的热值/kJ·kg-1，依据标准取q=2.93×104 kJ/kg；

D——每kWh电折合所耗标准煤量/kg·(kWh)-1，本研究中根据哈尔滨市标准，火力发电率D=0.36 kg/kWh；

COP——空气-土壤源热泵系统运行能效系数。

根据式(2)～(6)，计算空气-土壤源热泵系统和传统锅炉系统的相关参数，得到空气-土壤源热泵系统在五种不同策略下CO2的减排率，结果如图4所示。

由图4可以看出，当空气-土壤源热泵系统在策略1运行条件下，此时地源热泵系统承担80%冬季供暖热负荷，空气源热泵系统承担20%冬季供暖热负荷，空气-土壤源热泵系统CO2减排率最高，为74.2%；
当在策略5运行条件下，此时地源热泵系统承担20%冬季供暖热负荷，空气源热泵系统承担80%冬季供暖热负荷，空气-土壤源热泵系统CO2减排率最低，为51.2%。随着地源热泵系统所承担的冬季供暖热负荷比例逐渐降低，空气源热泵系统所承担的冬季供暖热负荷比例逐渐升高，空气-土壤源热泵系统的节能减排效果逐渐减弱。由此可以看出与传统能源相比，使用空气-土壤源热泵系统供暖制冷效果更好，当系统中地源热泵系统承担80%冬季供暖热负荷，空气源热泵系统承担20%冬季供暖热负荷时，此时系统的能耗最低，节能减排效果最好，此时的CO2减排率主要受热泵系统的运行能耗影响。

综上所述，在夏季空调冷负荷全部由地源热泵承担、冬季供暖热负荷由空气源热泵和地源热泵共同承担的情况下，在本研究设定的空气-土壤源热泵系统运行年限内，当系统运行能耗越高，其费用年值则越低，但CO2减排率越低，当系统运行能耗越低，其费用年值则越高，但CO2减排率越高。

(1)本文根据DeST对哈尔滨市某办公建筑的负荷特性分析，得出建筑供暖制冷负荷的冷热不平衡率为19.5%。

(2)本文利用Trnsys建立了严寒地区空气-土壤源热泵系统模型，设定了夏季制冷和冬季供暖两种运行模式，同时在冬季供暖运行模式下设置了五种运行策略，对本文研究案例进行了为期十年的模拟运行并开展经济性和CO2减排率研究。

(3)本文通过对五种不同策略下空气-土壤源热泵系统费用年值和CO2减排率计算，得出在模拟运行年限内，当系统在策略1情况下，费用年值最高，平均为72.18万元，CO2减排率最高，为74.2%，此时节能性最好；
当系统在策略5情况下，费用年值最低，平均为51.43万元，CO2减排率最低，为51.2%，此时经济性最好。

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