農村戶用分體式地源熱泵系統運行特性分析及應用

祁佳雯 王景剛 朱國寧 羅景輝

摘 要：為了解決京津冀地區農村冬季采暖存在的環境污染問題，以邯鄲地區示范項目典型農宅為例，提出了一種新型的分體式地源熱泵系統。首先，利用TRNSYS軟件建立分體式地源熱泵系統模型，模擬分析了系統的長期運行特性;再通過費用年值法和污染物排放量計算，對比分析該地區常見的4種采暖方式的經濟性和環境效益;最后選出最合理的運行系統。結果表明：1）分體式地源熱泵系統運行高效且穩定，運行期間系統COP達3.5以上，熱泵機組COP達4.0以上;2）在間歇運行方式下，土壤平均溫度一年的降幅為0.8%，十年的降幅為3.6%;3）在4種采暖方式綜合對比下，分體式地源熱泵系統運行費用較低且環保性較好。分體式地源熱泵系統的運行性能研究為戶用分體式地源熱泵系統在京津冀地區典型農宅的應用推廣提供了參考借鑒。

關鍵詞：地熱能;分體式地源熱泵;TRNSYS模擬;運行性能;經濟性;環境效益

中圖分類號：X382;TK5?? 文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx03009

Analysis of operating characteristics and application of split-type ground source heat pump systems for rural households：Taking a demonstration project in Handan area as an example

QI Jiawen1，WANG Jinggang1，ZHU Guoning1，LUO Jinghui1，2

（1.School of Energy and Environmental Engineering，Hebei University of Engineering，Handan，Hebei 056038，China;2.Hebei HVAC Engineering Technology Innovation Center，Handan，Hebei 056038，China）

Abstract：In order to solve the environmental pollution problem of heating in rural areas in Beijing-Tianjin-Hebei region in winter，a new split-type ground source heat pump system was proposed based on the typical farmhouse of the demonstration project in Handan.Firstly，the split-type ground source heat pump system model was established by using TRNSYS software，and the long-term operation characteristics of the system were simulated and analyzed;Then，the economic and environmental benefits of the four common heating methods in the area was compared and analyzed through the annual cost method and the calculation of pollutant emissions.Finally，the most reasonable operating system was selected.The results show that：1） The split-type ground source heat pump system operates efficiently and stably，the COP of the system during operation is over 3.5，and the COP of the heat pump unit is over 4.0;2） Under the intermittent operation mode，the average soil temperature decreases by 0.8% in one year and 3.6% in ten years;3） Under the comprehensive comparison of the four heating methods，the split-type ground source heat pump system has lower operating costs and better environmental protection.The research on the operation performance of the split-type ground source heat pump system provides a reference for the application and promotion of the household split-type ground source heat pump system in typical farm houses in the Beijing-Tianjin-Hebei region.

Keywords：

geothermal energy;split-type ground source heat pump;TRNSYS simulation;operating performance;economy;environmental benefits

隨著能源問題與環境問題的日益凸顯，黨中央高度重視北方地區農村冬季清潔取暖問題[1-5]。農村的大部分地區，冬季采暖仍以燃煤為主，其效率低、污染物排放量大，是造成霧霾污染的主要原因之一。近年來，眾多學者關注解決農村地區及城鄉結合部的清潔取暖問題，重點聚焦在京津冀地區[6-8]，并逐漸以電能、天然氣、太陽能、地熱能等清潔能源代替散煤取暖?！懊焊碾姟薄懊焊臍狻闭叩耐茝V取得了一些成效，但仍存在部分問題。如農村基礎設施不完善，鋪設管網和輸送天然氣時有一定難度;電力系統老化，電網擴容改造投資較大;供暖成本高，農民難以負擔較高取暖費用等。為解決上述問題，一種新型的戶用分體式地源熱泵系統應運而生，該系統采用清潔的地熱資源，能源利用效率高、電功率低且無需進行電網改造。

目前，在國家“雙碳”戰略背景下，地熱能作為一種清潔能源結合高效的熱泵技術受到越來越多的關注[9-11]。傳統的地源熱泵系統被廣泛用于建筑供冷和供暖[12-14]。國內外學者對地源熱泵系統的運行性能、系統優化等方面進行了大量實驗及模擬研究[15-18]。崔淑琴等[19]對間歇運行工況下的地源熱泵系統進行了模擬與實驗研究，發現間歇運行工況能夠調節土壤溫度，減小地溫平衡穩定所需的時間，提升其運行效率。YIN等[20]對美國32座住宅的采暖方式進行探討，結果表明相對于天然氣爐，應用地源熱泵節省能源44%～86%，有明顯的環境效益。對于新型的戶用分體式地源熱泵系統，張昌建等[21]對系統進行了設計研究。羅景輝等[22]針對衡水地區戶式地源熱泵系統進行了實測分析，指出戶式地源熱泵系統性價比較高。白云鵬等[23]運用TRNSYS軟件對石家莊農村應用分體式地源熱泵系統進行了模擬計算，結果系統運行穩定，節能性較好，但存在土壤熱平衡問題。

由于分體式地源熱泵系統投入使用的時間較短，上述文獻主要針對系統短期的運行情況進行分析，而對于分體式地源熱泵系統在典型農宅應用的整體研究較少，特別是系統的長期運行情況、經濟效益、環境效益以及土壤熱平衡問題仍有待研究。因此，本文以位于邯鄲地區應用分體式地源熱泵系統的典型農宅為研究對象，利用TRNSYS建立建筑模型，并搭建了分體式地源熱泵系統，采用間歇運行的方式對系統長期的運行特性進行研究，并對該地區常見的4種采暖方式進行經濟性與環境效益的綜合對比，旨在為分體式地源熱泵系統在京津冀地區的推廣應用提供數據支撐與參考借鑒。

1 分體式地源熱泵系統

分體式地源熱泵系統是地源熱泵系統的一種改進形式，可進行冬季供暖與夏季制冷，是響應國家“雙碳”戰略，實現農村地區清潔用能而開發的一項新技術。以供暖工況為例，分體式地源熱泵系統將壓縮機、蒸發器、循環水泵、節流閥設置在建筑墻外的室外機，將冷凝器設置在建筑內的室內機。圖1所示為分體式地源熱泵系統供暖模式原理圖。冬季供熱模式下，地埋管內工質從土壤中取熱，取熱后的工質經室外機中蒸發器將熱量傳遞給制冷劑，制冷劑經過壓縮機進入室內機中的冷凝器，與室內低溫空氣直接進行換熱，送出的熱風使室內溫度升高，從而達到制熱的目的。夏季供冷模式下，四通換向閥改變制冷劑流向，室內機轉變為蒸發器，通過蒸發吸熱使室內溫度降低。

分體式地源熱泵系統整體設計靈活，能夠滿足農村住戶的個性化要求，地源側所需地埋管數量較少，地下溫度場更加穩定，地埋管換熱效率較高;用戶側末端采用直接蒸發換熱技術，避免了二次換熱，能源利用效率更高。與傳統的供暖方式相比，分體式地源熱泵系統操作簡單、運行穩定且無需電網改造，可以實現環境保護與高效節能兼備。

2 示范項目應用及建模

2.1 建筑概況及負荷計算

示范項目典型農宅位于河北省邯鄲市梁家町村，總建筑面積為110 m2，獨戶有宅院，整個建筑層高3.3 m。建筑平面圖如圖2所示。其中，根據用戶意愿僅有東側兩間臥室有供暖與供冷需求。該建筑屬于非節能型建筑，表1為建筑結構熱工參數。建筑內常在人員為4人，冬、夏季室內設定溫度分別為20 ℃ 和26 ℃。每年制冷季為6月初—8月末，采暖季為1月初—3月中旬以及11中旬—12月末。兩間臥室均采用功率為22 W節能燈照明，南臥室照明時間為20：00～21：00;北臥室照明時間為17：00～22：30。根據建筑概況及邯鄲地區的氣象條件，利用TRNSYS軟件進行負荷計算，得到兩間臥室的逐時最大冷負荷、熱負荷，分別為2.37，5.17 kW;全年冷負荷、熱負荷分別為1 276.41，7 334.66 kW。兩間臥室的建筑全年逐時負荷見圖3。

2.2 系統建模

分體式地源熱泵系統由地埋管換熱器、熱泵機組、循環水泵以及室內風機等組成。圖4所示為采用TRNSYS模擬平臺建立的分體式地源熱泵系統，其所用模塊如下。

1）熱泵機組模塊

分體式地源熱泵機組選用模塊為單級液體源熱泵模塊（Type919），系統通過（冷卻狀態）將能量排到或從（加熱狀態）液體流吸收能量來調節潮濕的空氣流，在熱泵系統的空氣側會設置風機。根據建筑負荷，確定選用一拖二型分體式地源熱泵機組，其主要技術參數如表2所示。

2）地埋管模塊

地埋管換熱器選用模塊為地埋管模塊（Type557）。經過實地測試與計算得到所需鉆井數量為1口，深度為120 m，埋管為豎直雙U型聚乙烯管，管外徑為32 mm，管內徑為26 mm?；靥畈牧蠟樯⑸?。

3）循環水泵模塊

地源側循環水泵為分體式地源熱泵機組自帶定頻水泵，選用模塊為定頻循環水泵模塊（Type114），額定流量為1 m3/h，額定輸入功率為180 W。

4）其他模塊

房間溫度控制和熱泵機組的啟?？刂撇捎昧朔块g溫度控制器模塊（Type108）。除此之外，數量積分器、數據輸出等模塊均通過邏輯連接，可以計算輸出所連接模塊的數值。

模型建立后，為了驗證模型的準確性，以冬季典型日2020年1月25日0：00至1月27日24：00為期3天的冬季供暖工況下的實測數據為基礎，對系統仿真模型進行驗證。分體式地源熱泵系統測試值與模擬值的對比情況如圖5所示。通過對地埋管出水溫度、系統電功率以及室內溫度的模擬數據與實測數據的對比分析，發現其平均誤差控制在10%以內，說明所建模型的準確度較高，能夠滿足使用要求。

3 系統運行及經濟性、環境效益分析

3.1 系統運行特性分析

利用TRNSYS軟件所建模型，對系統進行全年的運行特性分析。由于間歇運行有助于土壤溫度的恢復，課題組結合該住戶的室內人員分布和使用習慣，在系統模擬運行時，設定一拖二分體式地源熱泵系統中一臺室內暖（冷）風機間歇運行。在采暖和制冷季內，北臥室室內暖（冷）風機全天24 h運行，南臥室僅20：00至次日8：00運行。經統計，采暖季總時長為2 280 h，制冷季總時長為2 207 h。

3.1.1 系統換熱量與耗電量分析

圖6為系統運行一年的換熱量以及耗電量的變化情況。通過Meteonorm軟件查閱邯鄲地區典型年室外環境溫度可知，1月為最冷月，其平均溫度為-0.2 ℃，7月為最熱月，其平均溫度為28.4 ℃。圖6 a）中，在采暖季與制冷季，熱泵系統的換熱量隨室外溫度變化，最高制熱量在1月，為2 088.2 kW，最高制冷量在7月，為640.7 kW，此時，維持室內溫度所需要的換熱量最大。對比北臥室與南臥室，北臥室室內暖（冷）風機持續運行，南臥室室內暖（冷）風機間歇運行，北臥室的換熱量明顯高于南臥室的換熱量。

圖6 b）為系統運行一年的耗電量的變化情況。其中，熱泵機組和循環水泵的耗電量之和即為系統總耗電量。全年耗電量與換熱量的變化趨勢相同，換熱量越大，消耗的電量也越大，采暖季的耗電量相比于制冷季較大。全年采暖季機組耗電量為1 596 kW·h，循環水泵耗電量為378.18 kW·h，系統總耗能1 974.17 kW·h;制冷季機組耗電量為234.90 kW·h，循環水泵的耗電量為88.34 kW·h，系統總耗能為323.25 kW·h。全年系統總耗能為2 297.41 kW·h，其中，循環水泵耗能466.51 kW·h，占總能耗的20.3%。

3.1.2 熱泵系統及機組COP分析

圖7為運行一年分體式地源熱泵系統COP與機組COP 的變化情況。由圖7可知，采暖季機組和系統的平均COP分別為4.52和3.64;制冷季機組和系統的平均COP分別為5.65和4.08。全年機組和系統的平均COP分別為4.87和3.79。熱泵機組COP在運行期間均為4.0以上，系統COP均在3.5 以上。分體式地源熱泵系統及機組的性能系數均較高，換熱效果較好。

3.1.3 土壤熱平衡分析

經測試，該地區的土壤初始平均溫度為16.5 ℃。通過系統模擬，在采暖季的1月初至3月中旬，土壤平均溫度逐步降低，最低值為16.28 ℃。由于過渡季，分體式地源熱泵系統不運行，土壤通過自身的恢復能力使溫度回升至16.33 ℃。在制冷季的6月初到8月末，土壤溫度不斷上升，最高值為16.53 ℃。經過渡季土壤溫度恢復至16.51 ℃。最后一階段，11月中旬至12月底的采暖季，土壤溫度又降至16.36 ℃，全年土壤溫度降低0.14 ℃。表3為分體式地源熱泵系統運行1，3，5，10 a的土壤平均溫度的變化，可以看出土壤平均溫度的降幅不斷減小，這是由于隨著埋管區域土壤平均溫度的降低，周邊土壤向該區域土壤的傳熱量增多，土壤平均溫度降低的速度減慢。系統運行10 a后土壤平均溫度相比于初始溫度降幅為3.6 %。本系統采用一臺室內暖（冷）風機持續運行，一臺間歇運行的模式，土壤平均溫度略有降低，但降幅較小，系統運行較為穩定。

3.2 系統經濟性與環境效益分析

在國家 “雙碳”戰略以及北方地區大力推行的“煤改電”政策下[24-25]，分體式地源熱泵系統的經濟性和環境效益是不容忽視的系統效果評價指標。

3.2.1 經濟性分析

本文分別針對所在地區常見的4種采暖方式的設備初投資、年運行費用進行分析與比較，采用費用年值法評價不同采暖方式的經濟性。

E=C0i1+in1+in-1+Ck。（1）

式中：E為費用年值;C0為設備初投資，設備初投資主要為所用能源轉換設備的價格以及管材部件和安裝的費用價格;i為基準折現利率;n為系統壽命;Ck為系統年運行費用，包括運行與維護費用。運行費用主要為所耗熱源費用與電費。所耗熱源費用主要與耗熱量和能源價格有關，對于分體式地源熱泵，沒有熱源費用。所耗電能產生的電費為系統總耗電量與電價的乘積。該農戶所在地的電價為0.52元/（kW·h），天然氣價格為2.78元/m3，燃煤價格為1元/kg。表4為4種采暖方式的費用明細，圖8為4種采暖方式的費用對比圖。

以該示范項目農宅建筑負荷為基礎，計算4種采暖方式的費用消耗，其中，分體式地源熱泵系統初投資為8 500元，相對比其他采暖設備偏高，但其年運行費用比其他采暖設備低，為1 095元。分體式地源熱泵系統在進行安裝時不需要進行電網改造，而空氣源熱泵需要進行電網改造[26]，燃氣壁掛爐需要進行天然氣管網建設。通過費用年值進行分析，分體式地源熱泵系統的費用年值低于燃氣壁掛爐，高于燃煤鍋爐，與空氣源熱泵系統相差較小。但空氣源熱泵系統在冬季運行過程中會受到室外溫度和濕度的影響，容易結霜[27]，影響運行效果，而分體式地源熱泵運行時，土壤溫度較為穩定，不易受到室外溫度變化的影響，從而保證了系統高效穩定的運行。因此，分體式地源熱泵系統是具有較高性價比的供暖方式。

3.2.2 環境效益分析

地熱能是一種清潔能源，通過分體式地源熱泵有效利用地熱能所帶來的環境效益是非常顯著的。通過參考中國火電廠發電污染物排放量[28]，計算得到不同采暖設備單位面積一次能源污染物排放量（如表5所示）。對比得到，家用清潔煤爐采暖排放的NOx，CO以及煙塵等污染物是其他采暖方式的數倍，大量并長期使用煤爐會給農村地區帶來嚴重的環境污染，而分體式地源熱泵、空氣源熱泵、燃氣壁掛爐等供暖方式則較為清潔，其中，燃氣壁掛爐污染物排放量最低，分體式地源熱泵系統比空氣源熱泵系統的污染物排放量低。

綜上所述，清潔型燃煤鍋爐所需費用較少，但由此導致的環境污染問題不容忽視;燃氣壁掛爐環境效益顯著，但運行費用較高且農村地區需要進行燃氣管網建設;空氣源熱泵系統易受室外環境的影響，系統性能系數較低，且農村地區需要進行電網改造;分體式地源熱泵系統初投資較高，但系統性能系數較高，運行費用較少，在國家“煤改電”的政策補貼下，具有良好的經濟效益與環境效益。因此，對于京津冀地區農村住宅建筑，分體式地源熱泵系統具有良好的應用前景。

4 結 語

本文提出了一種新型的分體式地源熱泵系統，以邯鄲地區示范項目典型農宅為例，利用TRNSYS軟件進行系統仿真模擬，對系統的長期運行特性進行分析，并從經濟性和環境效益方面對比了4種不同的采暖方式，得到以下結論。

1）對示范項目用能房間建模，得到建筑全年冷負荷為1 276.41 kW，熱負荷為7 334.66 kW，該地區建筑熱負荷大于冷負荷。

2）通過對系統進行全年模擬可知，系統耗電量與換熱量的變化趨勢相同，換熱量越大，消耗的電量也越大，采暖季的耗電量相比于制冷季較大，系統全年耗電量為2 297.41 kW·h。

3）模擬運行期間，熱泵機組COP均為4.0以上，系統COP均為3.5以上，系統運行效率較高。在采暖季最冷月1月以及制冷季最熱月7月，系統仍運行穩定且換熱效果良好。

4）在間歇運行的方式下，系統運行1 a后土壤平均溫度降幅為0.8%，運行10 a后降幅為3.6%，土壤平均溫度降幅較小。

5）對比分析分體式地源熱泵、空氣源熱泵、燃氣壁掛爐以及燃煤鍋爐的經濟性與環境效益，得到分體式地源熱泵系統的費用年值較低，為2 028元;系統單位面積所產生的污染物較少，分體式地源熱泵系統能夠獲得較好的經濟效益與環境效益。

本文主要針對分體式地源熱泵系統在邯鄲地區某典型農宅的應用進行了分析研究，未來還需對其他地區的應用效果進行研究，擴大分體式地源熱泵的應用范圍。另外，由于農村住宅多為非節能建筑，因建筑圍護結構產生的熱量（冷量）損失較大，未來可結合農村建筑節能改造，更好地發揮分體式地源熱泵系統的節能作用。

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