地源熱泵系統(tǒng)地源側(cè)變流量運(yùn)行節(jié)能特性數(shù)值模擬

文｜天津城建大學(xué)環(huán)境工程有限公司 范衛(wèi)軍

天津城建大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院 郭春梅 胡斌

1 引言

地源側(cè)循環(huán)泵輸配能耗在地源熱泵系統(tǒng)能耗中占有一定的比例，如何降低地源側(cè)輸配能耗成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。文獻(xiàn)對(duì)韓國(guó)土壤源熱泵項(xiàng)目分析表明地源側(cè)變流量可以節(jié)省水泵的輸送能耗；李瓊等實(shí)驗(yàn)研究表明，土壤源熱泵地源側(cè)變流量會(huì)使機(jī)組運(yùn)行效率降低，但水泵能耗大幅下降，系統(tǒng)總的節(jié)能效果顯著。張耀中等對(duì)某土壤源熱泵系統(tǒng)地源側(cè)變流量能耗模擬分析表明，間歇運(yùn)行時(shí)變流量比定流量節(jié)能39%，連續(xù)運(yùn)行時(shí)節(jié)能率達(dá)到58%。方徐根等對(duì)帶有熱回收功能的土壤源熱泵機(jī)組的水溫控制進(jìn)行了研究，通過(guò)采用定出水溫度控制流量變化的方法調(diào)節(jié)地源側(cè)水流量，控制地源側(cè)冷卻水和熱回收熱水出水的溫度，熱泵機(jī)組冷凝溫度基本不變，對(duì)機(jī)組效率的影響較小。郭大光通過(guò)工程試驗(yàn)得出變流量和定流量情況下地埋管換熱器平均單位井深換熱量分別為30W/m和 27W/m。王勇等對(duì)地埋管變流量運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)冬季能效影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水泵能耗隨流量的減小而減小，但導(dǎo)致機(jī)組蒸發(fā)溫度降低，機(jī)組的能效相應(yīng)降低。

綜上研究表明，地源側(cè)變流量運(yùn)行對(duì)地埋管換熱效率、機(jī)組能效和水泵能耗均相關(guān)，其節(jié)能效果值得進(jìn)一步深入研究，本文針對(duì)小型土壤源熱泵系統(tǒng)地源側(cè)全年變流量運(yùn)行的節(jié)能潛力進(jìn)行仿真研究。

圖2 熱泵機(jī)組COP與部分負(fù)荷率關(guān)系曲線

圖3 不同流量比下水泵效率曲線

2 熱泵系統(tǒng)空調(diào)負(fù)荷特性

研究對(duì)象為某實(shí)驗(yàn)樓（一層）土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，熱泵機(jī)組額定制冷量26kW，制熱量28kW，敷設(shè)四口100m深垂直雙U型地埋管換熱器，水泵采用變頻調(diào)速。系統(tǒng)供冷季運(yùn)行時(shí)間為6月1日到9月30日，供暖季為11月15日到次年3月15日，晚上十點(diǎn)到次日早晨七點(diǎn)空調(diào)關(guān)閉，間歇運(yùn)行。

采用TRNSYS對(duì)空調(diào)系統(tǒng)全年動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明系統(tǒng)夏季冷負(fù)荷累計(jì)值14804kW，峰值20.5kW，冬季熱負(fù)荷累加值19889kW，峰值24.1kW，冷、熱負(fù)荷區(qū)間統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖4 冬季定流量運(yùn)行水泵與機(jī)組逐時(shí)耗電量

圖5 夏季定流量運(yùn)行水泵與機(jī)組逐時(shí)耗電量

圖6 冬季變流量運(yùn)行水泵和機(jī)組的逐時(shí)耗電量

圖7 夏季變流量運(yùn)行機(jī)組和水泵逐時(shí)耗電量

3 系統(tǒng)能耗數(shù)值模擬

3．1 系統(tǒng)能耗模型

土壤源熱泵系統(tǒng)能耗包括空調(diào)水側(cè)和地源側(cè)水泵的輸配能耗，空調(diào)末端與熱泵機(jī)組能耗。為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，假設(shè)空調(diào)水側(cè)為定流量運(yùn)行，忽略空調(diào)水泵和空調(diào)末端能耗，只考慮地源水泵和機(jī)組的能耗：

其中， Pchiller為熱泵機(jī)組耗電量； Pc為地源水泵的耗電量，單位均為kWh。

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2005），熱泵機(jī)組季節(jié)綜合能效：

式中，A、B、C、D分別為機(jī)組100%、75%、50%、25%負(fù)荷下的COP。根據(jù)熱泵機(jī)組與水泵樣本，經(jīng)擬合得到制冷與制熱工況下機(jī)組能效與部分負(fù)荷率的關(guān)系曲線和水泵性能曲線，如圖2，圖3所示。

3.2 地源側(cè)水泵定流量運(yùn)行系統(tǒng)能耗的數(shù)值模擬

根據(jù)擬合的機(jī)組與水泵的性能曲線，采用TRNSYS能耗模擬軟件對(duì)系統(tǒng)冬、夏季地源側(cè)定流量運(yùn)行進(jìn)行模擬計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示?？v坐標(biāo)以左邊軸為準(zhǔn)，單位kJ/h，地源側(cè)水泵定流量運(yùn)行工況下，水泵能耗固定不變，機(jī)組能耗隨冷、熱負(fù)荷變化。由輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)計(jì)算，得到供冷季水泵和機(jī)組能耗8159.1kWh，供熱季10226.76kWh

3.3 地源側(cè)水泵變流量運(yùn)行系統(tǒng)能耗的數(shù)值模擬

本文中采用定溫差變流量控制方法，冬、夏季地源側(cè)進(jìn)出口溫差均為3℃，水泵最小流量滿(mǎn)足管內(nèi)處于紊流狀態(tài)要求。

地源側(cè)水泵為流量運(yùn)行工礦下，水泵能耗隨流量變化，機(jī)組能耗隨冷、熱負(fù)荷變化。圖6、圖7為冬、夏季變流量工況水泵和機(jī)組的逐時(shí)耗電量，縱坐標(biāo)以左邊軸為準(zhǔn)且單位為kJ/h。由輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)計(jì)算得到供熱季水泵和機(jī)組能耗為8997.14kWh，與定流量工況相比可以節(jié)能12.02%。供冷季水泵和機(jī)組能耗為7367.1kWh，比定流量工況節(jié)能9.7%。

4 結(jié)論

本為對(duì)一小型垂直地埋管換熱器土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用定溫差控制方法的地源側(cè)變流量運(yùn)行技術(shù)節(jié)能效果進(jìn)行了研究，研究過(guò)程中略空調(diào)水泵和空調(diào)末端能耗的影響，得出：

（1）定溫差控制方法下，相比定流量運(yùn)行，變流量工況水泵和機(jī)組能耗冬、夏季分別節(jié)能12.02%和 9.7%。

（2）該系統(tǒng)變流量運(yùn)行冬季節(jié)能率大于夏季，其原因在于空調(diào)系統(tǒng)冬季負(fù)荷大于夏季，且地源側(cè)水泵變流量夏季經(jīng)過(guò)冷凝器，冬季經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器，變流量相對(duì)于定流量會(huì)增加機(jī)組的能耗，但是變流量對(duì)蒸發(fā)器的影響小于對(duì)冷凝器的影響，故機(jī)組能耗的增加夏季要大于冬季。