新型混合地源熱泵的土壤熱平衡性能模擬

劉小銀 彭彪

中南大學能源科學與工程學院

新型混合地源熱泵的土壤熱平衡性能模擬

劉小銀 彭彪

中南大學能源科學與工程學院

地源熱泵是一種新型節(jié)能環(huán)保的綠色能源利用技術，在應用過程中，存在的較大問題之一就是對土壤的吸放熱不平衡。針對此問題本文提出了一種新的混合地源熱泵形式，將熱水系統(tǒng)和地源熱泵空調系統(tǒng)進行耦合，對長沙某賓館進行了系統(tǒng)設計并用TRNSYS進行了長達30年的模擬。通過和傳統(tǒng)單一的地源熱泵空調系統(tǒng)比較，證實了該系統(tǒng)不僅能有效地解決土壤吸放熱不平衡問題，而且有效地提高了機組的運行效率。

新型混合地源熱泵 TRNSYS模擬 土壤熱不平衡 機組效率

傳統(tǒng)的地源熱泵存在一個非常大的問題，系統(tǒng)在全年的運行過程中對土壤的吸放熱達不到平衡，長年的運行往往會造成土壤溫度的上升或者下降，從而降低地源熱泵的運行效率，甚至導致系統(tǒng)無法運行[1]。為了解決土壤熱平衡問題，人們提出了混合地源熱泵的概念，即在傳統(tǒng)地源熱泵的基礎上加上一些輔助設備，使得系統(tǒng)對土壤的吸放熱量盡量達到平衡，一種形式就是在系統(tǒng)中加入冷卻塔，在夏季負荷較大的地區(qū)，冷卻塔將多余的熱量排到空氣中。同時，也有在地源熱泵機組中加裝過熱器來將空調制冷時散出的冷凝熱加以利用的形式[2]。

1 新型混合熱泵系統(tǒng)的構成及優(yōu)點

1.1 系統(tǒng)構成

本文提出一種新型混合地源熱泵系統(tǒng)方案，在空調系統(tǒng)中加裝熱水系統(tǒng)，與加裝過熱器方式不同的是，這個方案中空調系統(tǒng)的設備和熱水系統(tǒng)的設備是相對獨立的，如圖1所示。左側的一套循環(huán)熱泵系統(tǒng)用作空調，右側的一套循環(huán)熱泵系統(tǒng)用作制取熱水。整套系統(tǒng)在夏季運行時，從空調機組冷凝器出來的冷卻水將有一部分進入到熱水機組的蒸發(fā)器當中，經過蒸發(fā)器的吸熱之后再與多余的冷卻水混合進入到地埋管中與土壤進行換熱，進入到熱水機組的冷卻水流量根據(jù)熱水機組的需要來確定，并且通過閥門來控制。當空調系統(tǒng)不運行時，地埋管的出水直接進入熱水機組中。系統(tǒng)在冬季運行時，空調機組和熱水機組同時需要從土壤中吸收熱量，地埋管的出水分流經過空調和熱水兩個機組的蒸發(fā)器后再匯合流入地埋管與土壤換熱?？照{機組的轉換通過自身的四通閥完成。

圖1 新型混合地源熱泵系統(tǒng)原理圖

1.2 系統(tǒng)的優(yōu)點

新型混合熱泵系統(tǒng)在夏季運行時，熱水系統(tǒng)能利用空調的冷卻水制取熱水，避免冷凝熱浪費的同時減少了系統(tǒng)向土壤的排熱；在冬季運行時，兩機組同時從土壤中吸熱，在對土壤排熱量遠大于吸熱量的地區(qū)增加了從土壤的吸熱量，同時還避免了傳統(tǒng)熱水制取的過程中使用的天然氣、電等高品位一次性能源的使用。另一方面，熱水不僅在夏季制冷時能夠得到供應，在空調制熱的冬季也能得到供應，這也是這套系統(tǒng)相比于加裝過熱器利用冷凝熱制熱水機組的主要優(yōu)勢所在。此外，和冷卻塔混合熱泵相比，也省去了額外的能量投入，能源利用效率高。

2 系統(tǒng)模擬

2.1 建筑概況

本文選取了長沙市某賓館作為模擬的建筑對象，該賓館共有5層，層高3.5m，總建筑高度17.8m，總建筑面積約6000m2。南北窗墻比約為23.2%，東西窗墻比約為6%，共有房間150個，由混合地源熱泵系統(tǒng)供應空調和熱水。

2.2 系統(tǒng)建模

混合地源熱泵系統(tǒng)由兩個主要部分組成，空調系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)。利用瞬時模擬軟件TRNSYS對系統(tǒng)的運行進行模擬，系統(tǒng)的主要組成模塊包括水水熱泵模塊、GHE（地埋管換熱模塊）、熱水水箱模塊等。

各部件之間的數(shù)據(jù)傳遞作為系統(tǒng)連接的主線，用實線連接，虛線表示控制信號。分別建立建筑物負荷模擬程序和混合熱泵系統(tǒng)模擬程序（如圖2所示）。

圖2 系統(tǒng)模擬原理圖

3 建筑瞬時能耗模擬

全年的瞬時負荷模擬也采用TRNSYS的建筑負荷模塊，天氣數(shù)據(jù)采用的是長沙典型氣象年參數(shù)。圖3為建筑全年負荷。

圖3 建筑全年負荷

4 機組型號

4.1 空調機組的選擇

空調機組選取模塊化熱泵機組，單臺制冷量224kW，建筑峰值冷負荷為516.73kW，全年實際運行中可根據(jù)的建筑負荷自動選擇模塊化機組的運行臺數(shù)（冷負荷峰值時為3臺）。

4.2 熱水機組的選擇

賓館共300床位，熱水用水定額為120L/(d·床位)，熱泵設計小時供熱量計算公式[3]為：

式中：Qg為設計小時供熱量，kJ/h；qr為用水定額，L/(d·床位)；m為用水單位數(shù)，個；tr為熱水溫度，℃；tl為冷水溫度，℃；T1為熱泵機組設計工作時間，取12h；ρr為水的比熱，kJ/(kg·℃)；K1為安全系數(shù)，取1.1。

從式（1）計算得出小時供熱量為197.84kW，故選取單臺制熱量236kW的地源熱泵熱水機組滿足需求。

4.3 地埋管參數(shù)

地埋管的長度計算采用Bernier[4]修正的ASHRAE算法。修正的ASHRAE算法如下：

式中：LBHE為地埋管總長，m；Qa為土壤每年的凈吸熱量（或凈放熱量），kW；Qm為最熱月（或最冷月）土壤的平均吸熱量（或放熱量），kW；Qd為土壤逐時吸熱量（或放熱量）的最大值，kW；Rsa為與Qa相對應的從鉆孔至無窮遠處土壤傳熱熱阻，m·℃/kW；Rsm為與Qm相對應的從鉆孔壁至無窮遠處土壤傳熱熱阻，m·℃/kW；Rsd為與Qd相對應的從鉆孔壁至無窮遠處土壤傳熱熱阻，m·℃/kW；Rd為鉆孔熱阻，m·℃/kW；Tff為無窮遠處土壤溫度，℃；Tpen為由于臨近鉆孔的熱干擾而引起的溫度補償，℃；Tin為設計U型管進水溫度，℃；Tout為設計U型管出水溫度，℃。

地埋管各項參數(shù)如表1所示。

5 模擬結果分析

在設定條件下系統(tǒng)運行30年（綜合考慮建筑壽命和地源熱泵特性，選擇兩個設備周期作為模擬時間，即30年），通過有無熱水系統(tǒng)的地源熱泵系統(tǒng)的模擬和對比，分析混合地源熱泵在改善土壤吸放熱不平衡方面的作用。

圖4 土壤平均溫度

圖5 峰值出水溫度

圖4可以看出，隨著系統(tǒng)運行時間的推移，土壤的溫度均有所上升，但混合地源熱泵土壤溫度的上升幅度較傳統(tǒng)地源熱泵要小很多，前者在三十年的模擬運行過程中溫度僅上升了4℃，而傳統(tǒng)地源熱泵在運行30年之后土壤溫度上升了14℃。圖5顯示峰值出水溫度的逐年變化。土壤峰值出水溫度表示了機組在最不利情況下運行時的冷凝器進水溫度，在傳統(tǒng)的地源熱泵中峰值出水溫度達到了40℃，而混合地源熱泵只有29℃，說明傳統(tǒng)的地源熱泵系統(tǒng)在長期地運行過程中，機組的運行環(huán)境逐年惡化，而混合熱泵由于熱水系統(tǒng)的加入使得機組運行條件得到了明顯的改善，在30年地運行過程中，土壤溫度有小幅度上升，峰值出水溫度也有小的上升，但是對機組運行而言影響不大。

圖6和圖7顯示了土壤吸放熱不平衡造成的土壤溫度上升對機組運行效率的影響，這里采用了年均COP的概念：

年均COP能表示出土壤溫度的改變對年內長期運行的系統(tǒng)能效的綜合影響效應（這里只統(tǒng)計空調機組的能效），COP越高，表示土壤溫度的改變越有利于機組的運行，相反，則不利于機組的運行。從圖6可以看到傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)，制冷COP降低幅度較大，因為傳統(tǒng)地源熱泵從土壤中吸收和散給土壤的熱量相差較大，常年運行會使土壤的溫度升高得比較大，在夏季制冷工況運行時，冷凝溫度會升高，從而造成機組制冷效率的大幅下降。也正是因為土壤溫度的升高，同時也造成了機組制熱工況下，蒸發(fā)溫度的升高，但是土壤溫度的升高引起的制熱效率的提升并沒有制冷效率的降低幅度大。同時，由于制冷能耗占機組全年運行能耗比例較大，可以預見的是土壤溫度的提升所減少的制熱耗功量小于所增加的熱冷耗功量，總體是增加了全年運行能耗。而且還可以看出，系統(tǒng)制冷效率一直處于一個下降的趨勢，30年后仍會繼續(xù)下降，但是經過前20年制熱效率的小幅提升后，后10年的制熱效率趨于平緩，基本上沒有增加。

圖6 傳統(tǒng)地源熱泵機組能效

圖7 混合地源熱泵機組能效

混合地源熱泵的制冷和制熱效率相對而言則會比較平緩一些，而且隨著時間的推移，混合地源熱泵的節(jié)能效果越發(fā)明顯，運行30年后制冷和制熱的年均COP分別為3.97和4.49，制冷COP高于傳統(tǒng)地源熱泵的2.64，在第30年全年，混合地源熱泵相比傳統(tǒng)地源熱泵，制熱和制冷總能耗要低25%，從整個30年的運行來看，混合地源熱泵的制冷制熱總能耗要比傳統(tǒng)低15%，因此，混合地源熱泵具有更好的經濟效益。

在這里定義一個R值：

式中：Qin表示進入土壤熱存儲區(qū)的總熱量；Qout是表示土壤熱存儲區(qū)向外排放的總熱量。

比值R表示設定時間內進出土壤熱存儲區(qū)的熱量之比，比值越接近1，表示進入和排出的熱量越接近，土壤溫度的變化越小，越有利于地源熱泵的長期穩(wěn)定運行，相反，比值R與1相差越大，表明土壤的進出熱量越不平衡，長期以往便會影響土壤的溫度，不利于地源熱泵的長期穩(wěn)定運行。當R＜1時，進入土壤的熱量大于排出的熱量，土壤溫度會升高，當R＞1時，進入土壤熱存儲區(qū)的熱量小于排出的熱量，土壤的溫度會降低。

圖8顯示，傳統(tǒng)的地源熱泵R值總是在混合地源熱泵之上，表明傳統(tǒng)地源熱泵在系統(tǒng)運行的過程中，會持續(xù)不斷地對土壤造成熱量的累加，從而提升了土壤溫度。在混合地源熱泵的運行狀況下，R值在傳統(tǒng)地源熱泵之下，說明混合地源熱泵有效地減少了對土壤的熱量累加效應，土壤溫度增加的幅度小，對機組的運行影響相對較小。

圖8 兩種熱泵系統(tǒng)R值的比較

同時，還可以看出兩種地源熱泵系統(tǒng)對土壤的吸放熱量都隨著時間的推移呈現(xiàn)出慢慢接近的趨勢，即R越來越接近1，即兩種地源熱泵系統(tǒng)在運行多年以后都呈現(xiàn)出對土壤吸放熱均衡的趨勢，但從上面的分析可以看出，兩個系統(tǒng)達到平衡的原理不盡相同。以第30年為例，傳統(tǒng)地源熱泵對土壤達到吸放熱平衡是由于土壤溫度的升高增加了土壤對周圍散熱量的增加，從前面的分析可以看到，在第30年的時候，傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)下土壤溫度達到了34℃，最高出水溫度達到了39.86℃，雖然土壤吸放熱趨近于1，但是此時由于土壤環(huán)境的惡化，機組的運行效率已經受影響，機組制冷效率只有2.64，所以這種以提升土壤溫度為代價的土壤吸放熱平衡沒有意義，背離了提高機組運行效率的初衷。反觀混合地源熱泵，一方面從一開始到最后，土壤的吸放熱不平衡率都小于傳統(tǒng)地源熱泵，在第30年的時候土壤的平均溫度還只有23.92℃，年最高出水溫度28.79℃，機組仍然處在一個比較高效的運行狀況內。它的土壤熱平衡是由于熱水系統(tǒng)的參與，一方面減少夏季制冷空調冷凝熱向土壤的散發(fā)，另一方面是由于全年的熱水系統(tǒng)運行增加了土壤的吸熱量，兩方面的原因才使得土壤達到一個基本的熱平衡，機組始終能在比較穩(wěn)定高效的情況下運行。所以混合地源熱泵很好地改善了傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)所存在的土壤吸放熱不平衡的現(xiàn)象。

6 結論

為了解決傳統(tǒng)地源熱泵土壤熱不平衡的問題，本文提出了一種新型的混合地源熱泵系統(tǒng)，即在傳統(tǒng)單純的地源熱泵系統(tǒng)中加入熱水系統(tǒng)，利用熱水系統(tǒng)的吸熱和回收冷凝熱來平衡系統(tǒng)對土壤放熱過大的問題，針對長沙市某賓館，設計了混合地源熱泵系統(tǒng)。利用TRNSYS瞬時模擬系統(tǒng)對建筑的全年運行進行了模擬，系統(tǒng)模擬持續(xù)了30年的時間，對模擬結果分析得出如下結論：

1）混合地源熱泵有效地降低了土壤平均溫度和峰值出水溫度?；旌系卦礋岜眠\行30年之后的土壤平均溫度比傳統(tǒng)地源熱泵低10℃，峰值出水溫度低11℃。

2）混合地源熱泵在很大程度上限制了因為土壤溫度上升而造成的機組運行效率的下降，提高了系統(tǒng)運行的高效性和穩(wěn)定性。運行時間越長混合地源熱泵節(jié)能效果越明顯，第30年中，混合地源熱泵空調機組比傳統(tǒng)地源熱泵機組節(jié)能25%。

3）混合地源熱泵是將多余冷凝熱用于制熱水，并且提高從土壤的吸熱量來達到平衡，解決了土壤吸放熱不平衡的問題?；旌系卦礋岜煤蛡鹘y(tǒng)地源熱泵在運行多年后都會達到對土壤吸放熱的基本平衡，但傳統(tǒng)地源熱泵是由于土壤溫度的升高增強了土壤散熱而達到的平衡，降低了機組的運行效率，沒有現(xiàn)實意義。

[1]楊衛(wèi)波,施明恒.混合地源熱泵系統(tǒng)（HGSHPS）的研究[J].建筑熱能通風空調,2006,25(3):20-26

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[3]上海市建設和管理委員會.建筑給水排水設計規(guī)范(GB50015-2003)[S].北京:中國計劃出版社,2003

[4]M A Bernier.Uncertainty in the design length calculation for vert -ical ground heat exchangers[J].ASHRAE Transactions,2002, 108(1):939-944

Soil The rm a l Ba la nc e Pe rform a nc e Sim ula tion of the Ne w Hybrid Ground Sourc e He a t Pum p

LIU Xiao-yin,PENG Biao
School of Energy Science and Engineering,Central South University

Ground source heat pump is a new kind of green energy technologies which is advantage in energy conservation and environmental protection.One of the severe problems in the process of application is the thermal imbalance of the heat absorption and release to the ground.To solve this problem,this paper presents a new type of hybrid ground source heat pump in which hot water system is combined with air conditioning system of ground source heat pump.As an example,make a simulation of a newly designed air conditioning system of a hotel in Changsha.By comparison of the conventional single ground source heat pump,this new hybrid ground source heat pump has been confirmed to solve the imbalance of the heat absorption and release to the ground,effectively improved the operation efficiency of air conditioning unit meanwhile.

new hybrid ground source heat pump,simulation of TRNSYS,ground thermal imbalance,air conditioning unit efficiency

1003-0344（2015）03-040-5

2014-1-28

劉小銀（1990～），男，碩士研究生；長沙市岳麓區(qū)中南大學能源科學與工程學院（410083）；E-mail:changfeng1990s@126.com