引言近年来，随着我国对节能环保重视程度的日益加深，北方地区农村清洁供暖成为社会关注的焦点问题[1-4]。北方也正在以“气代煤”“电代煤”等方式推行清洁采暖，户式地源热泵因其运行费用低、运行稳定而备受青睐。户式地源热泵除了用于供暖外还可以用于夏季空调，其性能要优于传统的空调[5-8]。户式地源热泵是北方农村采暖较适用的方式之一。我国对户式地源热泵的研究较少，不同的使用方式、不同的气象条件、不同的室内设定温度都会引起系统运行的变化，有必要对不同的使用方式、气象参数变化和室内设定温度引起热泵机组性能的变化进行研究。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.006.F0011户式地源热泵原理户式地源热泵系统是在普通地源热泵的基础上开发的适合农村应用的一套新型热泵系统，在每户庭院空地上钻1～2口孔深100 m左右的埋管井作为热泵低温热源，通过末端制冷剂直接换热，实现冬季供热、夏季供冷。户式地源热泵工作原理如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.006.F002图1户式地源热泵系统工作原理图热泵机组的COP能够达到3.5左右，即消耗1 kWh的电能能够可产生3.5 kWh以上的热能。2住宅能耗模拟2.1住宅概况以河北省石家庄某典型农村住宅为研究对象，石家庄地区全年室外环境温度变化如图2所示，夏季最高气温39.5 ℃，出现在第4 168 h；冬季最低气温-9.74 ℃，出现在第78 h。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.006.F003图2室外环境温度图住宅围护结构及热工性能如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.006.T001表1住宅围护结构构造及热工参数围护结构名称构造厚度/mm导热系数/[W/(m•K)]传热系数/[W/(m•K)]屋顶水泥砂浆多孔混凝土钢筋混凝土水泥砂浆201001301510.2091.62811.331外墙水泥砂浆红黏土砖水泥砂浆102401010.43011.359内墙水泥砂浆陶粒混凝土水泥砂浆202002010.46511.429外窗普通6 mm玻璃6—5.700住宅为坐北朝南，房间功能包括卧室、门厅、厨房、厕所，其布局如图3所示，仅为2个卧室进行供暖和制冷，所需供暖制冷面积约为40 m2。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.006.F004图3住宅布局平面图2.2模型建立以及负荷分析根据住宅实际的围护结构和TRNSYS软件围护结构特性数据库，以TRNSYS构建住宅模型，搭建负荷计算模型，如图4所示，并设置相关热扰参数。卧室的热扰设置：主卧室人2人，次卧室1人，灯光负荷为5 W/m2，设备负荷为50 W。室内各房间每天的人员、灯光、设备作息参数的数据时间以北京时间为准，以夏季热泵开启时间为11：00～16：00，冬季热泵开启时间为22：00～次日6：00进行设定。房间冬季采暖设定18 ℃，夏季空调设定26 ℃，通风换气次数为 0.2 次/h。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.006.F005图4负荷模拟系统模型根据农村住宅传统围护结构热工特性现状和TRNSYS软件围护结构特性数据库搭建负荷计算模拟模型，得到农村典型住宅建筑全年负荷变化情况，如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.006.F006图5全年负荷分布图通过图5可以发现，全年的负荷变化与图3全年室外气温变化趋势基本相同，随着气温的升高热负荷降低，冷负荷增加。全年的负荷变化波动较大，夏季最大冷负荷为4 124 W，出现在第4 192 h；冬季最大热负荷为5 095 W，出现在第104 h。3户式地源热泵系统模拟根据住宅冬夏季节的冷热负荷情况，确定出与住宅供热供冷相匹配的户式地源热系统。系统各部分的参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.006.T002表2户式地源热泵系统各部分参数项目参数地埋管换热器100 m深单U、DN25PE管热泵机组外机制冷量5 400 W制热量5 200 W热泵机组内机制冷量2 700 W制热量2 600 W为了研究户式地源热泵的 运行特性，以TRNSYS搭建了户式地源热泵供暖供冷系统的模型，模拟分析不同运行参数和使用方式下土壤温度的变化情况，不同室外气温和室内设定温度地埋管出水温度和热泵机组的COP以及能耗变化情况。系统的模型如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.006.F007图6户式地源热泵系统模拟图3.1长时间不同使用方式下土壤温度变化土壤是一个巨大的蓄热体，冬季热泵机组吸收土壤体的热量，土壤体的温度下降，夏季热泵机组将冷凝热排放至土壤体，土壤体的温度升高。若冬季吸收土壤体的热量与夏季向土壤体的排热量相同，长期运行土壤体的温度变化不大。我国北方通常是冬季采暖，夏季依靠电扇降温。若仅冬季使用热泵系统，夏季不使用热泵系统，冬季提取土壤体的热量后，夏天不能及时地补充，土壤体热量只能依靠周围的土壤体传热补充，长期运行会引起土壤体温度的下降，系统运行10年夏季是否使用热泵系统土壤体的温度变化趋势如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.006.F008图7不同使用方式地下土壤的温度变化趋势从图7可以看出，10年内当冬夏季都使用，土壤体的温度呈逐年下降趋势，土壤体的温度由14.7 ℃降至10年后的13.52 ℃，土壤体的温度下降了1.18 ℃；当仅冬季使用时，土壤体的温度由14.7 ℃降至10年后的12.81 ℃，土壤体的温度下降了1.89 ℃，且随着时间的推移土壤体的温度下降有加快的趋势，预测20年后土壤体的温度将降低至12.34 ℃。仅冬季使用时，地下土壤体温度降幅较冬夏季都使用降幅快，造成冬夏季土壤体温度都下降的原因，是夏季的排热量和由于温差土壤体之间传递的热量小于冬季的取热量，仅冬季使用时没有了夏季的排热，仅靠土壤体之间的传热不能使土壤体的温度很好地恢复，冬夏同时使用有助于土壤体温度的恢复。不同的室内设定温度，系统的制热量会发生变化。如果地源侧水泵不变，系统的供回水温度会发生变化。运行10年内不同的使用方式下室内设定温度为18 ℃、19 ℃、20 ℃、21 ℃时地源侧供回水温度变化情况如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.006.F009图8不同设定温度地埋侧供回水温度变化趋势图通过图8可以看出，在某一设定温度下，系统长时间运行，地埋侧供回水温度有所降低，供回水温差基本不变；但是随着室内设定温度的升高，运行10年后地埋管的供水温度由设定18 ℃时的9.96 ℃降低至设定21 ℃时的8.85 ℃，回水温度由设定18 ℃时的9.59 ℃降低至设定21 ℃时的8.37 ℃，供回水温度都有所降低，且供回水温差增大。3.2长时间运行不同设定温度下系统COP的变化不同的室内设定温度，系统的制热量会发生变化，机组的COP也会发生一定的变化。不同的使用方式下，运行10年间机组 COP随不同室内设定温度变化情况如图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.006.F010图9不同设定温度COP温度变化趋势图从图9可以看出，无论在夏季是否运行，不同的设定温度，机组的COP维持在3.2左右。在任一设定温度下，热泵机组的 COP随时间的推移呈缓慢下降的趋势。对比夏季是否使用，运行10年之后仅冬季运行时机组的COP由初始时的3.20下降至10年之后的3.05；冬夏运行时机组的COP由初始时的3.2下降至10年之后3.06，夏季使用与不使用相比运行10年后系统的COP提高0.3%。当夏季运行时，热泵机组在制冷时COP随时间的推移呈缓慢上升的趋势，这是由于热泵机组不断工作，造成地埋管周围土壤温度逐渐下降，流经热泵机组冷凝器的水温也逐渐降低，从而导致夏季热泵机组COP呈上升趋势。随着冬季室内设定温度的提高，热泵机组的COP变化不大，随设定的室内温度升高呈缓慢升高的趋势。冬季室内设定温度每升高1 ℃，机组平均COP约升高0.1％。在设定室内设定温度21 ℃时，上升幅度最高达0.13%，随着设定温度的升高，机组的制热量增加。机组的负荷率增加，COP略有提高。地源热泵系统是以地下土壤体热量作为低位热源，受室外环境温度影响较小，所以机组COP保持一个相对稳定的状态，热泵系统一直处于高效、稳定的状态下运行。3.3长时间运行不同设定温度下机组用电功率的变化运行10年间机组用电功率随不同室内设定温度变化情况如图10所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.02.006.F011图10不同设定温度总功率变化趋势图由图10可以看出，无论夏季是否运行，冬季机组的电功率随着时间的推移而增加。在冬夏都运行时，夏季机组的用电功率随着时间的推移而下降。对比夏季是否使用，运行10年之后仅冬季运行时机组的用电功率为1 232 kW，冬夏均使用时机组的用电功率为1 227 kW。内设定温度每升高1 ℃，机组用电功率约增加6％。因此在满足用户使用需求时，宜适当降低室内设定温度，有助于降低整个供暖季的运行费用。4结语（1）该住宅的最大冷负荷为4.12 kW，单位面积热指标为100 W/m2，最大热负荷为5.10 kW，单位面积热指标为120 W/m2，采用1拖2的地源热泵机组能够满足住宅的供暖需求。（2）对比不同的使用方式，夏季使用与不使用相比系统运行10年后土壤体的温度下降0.71 ℃，COP降低0.3%，用电功率提高0.4%，夏季制冷使用有利于土壤体的温度的恢复，同时可以改善夏季制冷运行工况。（3）随着室内设定温度的提高系统的进出水温有所降低，整个供暖季COP变化不大，室内设定温度每升高1 ℃，机组用电功率约增加6％，适当降低室内设定温度，有助于降低整个供暖季的运行费用。