江陰市某建筑地源熱泵系統(tǒng)性能的數(shù)值模擬

劉廣平，駱超，龔宇烈，邱澤晶，鄭鑫

（1中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640；2中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣東 廣州 510640；3廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣東 廣州 510640；4中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇 南京211000；6南瑞（武漢）電氣設(shè)備與工程能效測評中心，湖北 武漢 430074）

江陰市某建筑地源熱泵系統(tǒng)性能的數(shù)值模擬

劉廣平1，2，3，4，駱超1，2，3，龔宇烈1，2，3，邱澤晶5，6，鄭鑫5，6

（1中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640；2中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣東 廣州 510640；3廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣東 廣州 510640；4中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5南瑞集團(tuán)公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇 南京211000；6南瑞（武漢）電氣設(shè)備與工程能效測評中心，湖北 武漢 430074）

針對江陰市某建筑的地源熱泵系統(tǒng)，利用TRNSYS軟件，分別模擬不同埋管深度和不同冷熱負(fù)荷比情況下，運行30年土壤平均溫度的變化情況，分析了冬夏季供暖空調(diào)期內(nèi)系統(tǒng)性能系數(shù)COP及熱泵機(jī)組部分負(fù)荷率的變化情況，模擬結(jié)果表明，100m埋管深度比60m和80m埋管深度溫度波動較小且溫降較小，穩(wěn)定性較好；在分別只滿足熱負(fù)荷和冷負(fù)荷需求的情況下，土壤平均溫度分別下降了2.67℃和上升了2.15℃，而在滿足冷熱負(fù)荷需求時溫度只下降了0.66℃，此時系統(tǒng)的穩(wěn)定性最好；熱泵機(jī)組供暖空調(diào)期內(nèi)系統(tǒng)的供暖平均COP為2.75，制冷平均COP為3.28，熱泵機(jī)組部分負(fù)荷率處于較低水平，這也導(dǎo)致了系統(tǒng)全年的COP偏低的現(xiàn)象。該別墅的地源熱泵系統(tǒng)的數(shù)值模擬結(jié)果為長江三角區(qū)地源熱泵系統(tǒng)工程提供了技術(shù)支撐。

再生能源；地源熱泵；數(shù)值模擬；地埋管換熱器；性能系數(shù)；穩(wěn)定性

地埋管地源熱泵因其節(jié)能、環(huán)保的特點，目前在我國已得到廣泛應(yīng)用。1912年，瑞士ZOELLY首次提出利用淺層地?zé)崮茏鳛闊岜孟到y(tǒng)低溫?zé)嵩吹母拍睿⑸暾埩藢＠?，這標(biāo)志著地源熱泵系統(tǒng)的問世。至1948年，ZOELLY的專利技術(shù)才真正引起人們普遍的關(guān)注，尤其在美國和歐洲各國，開始重視此項技術(shù)的理論研究。在政策推動下，我國地源熱泵市場發(fā)展迅速?？傮w上來說，地源熱泵應(yīng)用面積從2005年3000萬平米，增長到2014年3.6億平米，呈爆發(fā)式發(fā)展?fàn)顟B(tài)；從地區(qū)發(fā)展水平來說，目前我國的地源熱泵市場主要集中在山東、北京、遼寧、河北等地，而在東南部地區(qū)，地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用較少[1]。

地源熱泵系統(tǒng)的研究主要集中在對地下埋管換熱器傳熱傳質(zhì)的研究[2-3]和對地源熱泵系統(tǒng)運行性能的研究[4]。汪洪軍等[5]和魏唐棣等[6]研究了地源熱泵機(jī)組冬季運行性能，但缺乏對夏季空調(diào)時的機(jī)組性能研究以及這兩種運行模式下的對比研究。曹馨雅[3]研究了地源熱泵系統(tǒng)冷熱負(fù)荷的不平衡率對土壤平均溫度的影響，提出了系統(tǒng)設(shè)計前應(yīng)先考慮系統(tǒng)長期運行所能承受的冷熱負(fù)荷不平衡率控制策略。

本文基于江陰市一棟別墅的地源熱泵系統(tǒng)工程，通過建立熱泵系統(tǒng)模型，采用TRNSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析地埋管換熱器的埋管深度，對比設(shè)計工況下的機(jī)組性能，對冬夏兩季的地源熱泵系統(tǒng)的運行特性和地埋管換熱器運行30年的換熱效果進(jìn)行研究。

1 地源熱泵系統(tǒng)與數(shù)學(xué)模型

1.1 地源熱泵系統(tǒng)

江陰市某地源熱泵運行系統(tǒng)流程如圖1所示。該別墅型建筑作為休閑會所，建筑面積為300m2。冬季制熱工況時，地埋管換熱器與蒸發(fā)器相連，通過地源側(cè)的水路循環(huán)，從地下土壤取出熱量為室內(nèi)供暖；夏季制冷工況時，制冷循環(huán)閥門換向，改變制冷劑的流向，與地源側(cè)水進(jìn)行換熱，不斷將熱量釋放到地下土壤中。

1.2 熱泵機(jī)組數(shù)學(xué)模型

圖1 地源熱泵系統(tǒng)流程圖

在利用TRNSYS進(jìn)行仿真模擬時，發(fā)現(xiàn)負(fù)荷模塊和水-水熱泵模塊在聯(lián)合使用時，實際制冷量或制熱量與建筑負(fù)荷不一致，在仿真過程中引起負(fù)荷側(cè)水系統(tǒng)出現(xiàn)熱堆積或者冷堆積現(xiàn)象[7]，從而導(dǎo)致熱水溫度過高或冷凍水溫度過低。因此，基于TRNSYS仿真平臺開發(fā)出適用于負(fù)荷需求實時性更強(qiáng)的水-水熱泵機(jī)組模塊。

本文所使用的熱泵機(jī)組DOE-2模型為美國建筑能耗模擬程序DOE-2中所使用的冷水機(jī)組模型[8]，建模過程基本一致。以熱泵機(jī)組制冷工況為例進(jìn)行建模。以蒸發(fā)器出口溫度Teo為設(shè)計值計算熱泵機(jī)組為滿足冷負(fù)荷需求，需要達(dá)到的制冷量，如式(1)所示。

式中，Qc為機(jī)組需達(dá)到的制冷量，kJ/h；cp為蒸發(fā)器側(cè)流體的比熱容，kJ/(kg·℃)；Me為蒸發(fā)器側(cè)水流量，kg/h；Δt為冷凝器側(cè)供回水溫差，℃。

熱泵機(jī)組所需要的輸入功率W與部分負(fù)荷率有關(guān)，部分負(fù)荷率和熱泵機(jī)組所需輸入功率的計算式如(2)所示。

式中，PLR為熱泵機(jī)組部分負(fù)荷率；CAPc,max為熱泵機(jī)組額定制冷量，kW。當(dāng)Qc≤CAPc,max時，保持蒸發(fā)器側(cè)的出口水溫不變；當(dāng)Qc＞CAPc,max，提高蒸發(fā)器側(cè)的出口水溫，增大蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)出口水溫溫差，使熱泵機(jī)組的制冷量滿足負(fù)荷需求。

冷凝器側(cè)出口水溫計算如式(3)。

式中，W為熱泵機(jī)組實際輸入功率，kW；Tlo為冷凝器側(cè)出口水溫，℃；Tli為冷凝器側(cè)進(jìn)口水溫，℃；Ml為冷凝器側(cè)水流量，kg/h。

計算熱泵系統(tǒng)夏季工況下的COPc和冬季工況下的COPh的計算如式(4)所示。

式中，COPc，COPh分別為熱泵系統(tǒng)夏季工況下和冬季工況下的性能系數(shù)；Wpump為水泵的實際功率，kW；Qh為機(jī)組需達(dá)到的制熱量，kW。

1.3 地埋管換熱器數(shù)學(xué)模型

根據(jù)確定的建筑設(shè)計逐時冷、熱負(fù)荷以及熱泵機(jī)組性能系數(shù)計算地源熱泵系統(tǒng)地源側(cè)的最大釋熱量與最大吸熱量[9]。熱泵系統(tǒng)最大釋熱量和最大吸熱量由式(5)計算。

式中，Q1′，Q2′分別為地源熱泵系統(tǒng)的最大釋熱量和最大吸熱量，kW；Q1，Q2分別為建筑設(shè)計冷負(fù)荷和熱負(fù)荷，kW。

根據(jù)熱響應(yīng)測試得到的冬夏季單位管長換熱量估算地埋管換熱器埋管長度。計算公式如式(6)所示。

式中，L1、L2分別為夏、冬季工況下地埋管總長度，m；q1、q1分別為夏、冬季地埋管單位管長換熱量，W/m。比較L1、L2取較大值為地埋管換熱器的總長度。

2 別墅負(fù)荷模擬

為保證別墅的空調(diào)系統(tǒng)良好設(shè)計，本文采用TRNSYS瞬時模擬軟件對該建筑采暖期和制冷期的熱、冷負(fù)荷進(jìn)行逐時計算，模擬程序如圖2所示。計算相關(guān)參數(shù)參照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[10-11]；氣象參數(shù)的邊界條件可從TRNSYS的氣象數(shù)據(jù)文件導(dǎo)出。根據(jù)如表1所示的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算得到如圖3所示的別墅供暖空調(diào)期熱負(fù)荷和冷負(fù)荷的模擬結(jié)果。

由圖3可見，該地區(qū)采暖期為11月1日至次年1月31日，最大熱負(fù)荷為24kW，累計熱負(fù)荷為46.4GJ；制冷期為6月1日至9月1日，夏季最大冷負(fù)荷為17kW，累計冷負(fù)荷為36.5GJ，冬季最大熱負(fù)荷比夏季最大冷負(fù)荷大7kW。根據(jù)負(fù)荷的計算結(jié)果，確定選擇TRANE生產(chǎn)的水-水熱泵機(jī)組額定制冷量為21.5kW，額定制熱量25kW。

圖2 建筑夏冬季動態(tài)負(fù)荷模擬程序

表1 模擬建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù) 單位：W/(m2·K)

圖3 建筑逐時空調(diào)負(fù)荷分布圖

3 地源熱泵系統(tǒng)性能比較

地源熱泵系統(tǒng)模擬程序如圖4所示。將建筑負(fù)荷文件導(dǎo)入到負(fù)荷模塊中，設(shè)置各模塊的Parameter和input等參數(shù)，各模型的主要設(shè)計參數(shù)如表2所示。熱泵機(jī)組通過水泵與負(fù)荷模塊相連，根據(jù)制冷制熱需求，通過控制模塊控制熱泵機(jī)組的啟閉和制冷模式和供暖模式以及水泵的啟閉，實現(xiàn)系統(tǒng)自動化控制。

3.1 不同埋管深度對地埋管換熱器換熱性能的影響

圖5所示為該市典型年數(shù)值模擬得出的3種不同埋管深度下地埋管換熱器周圍土壤溫度全年的變化情況。由圖5可看出，隨著時間的推移，地埋管出口溫度出現(xiàn)變化：隨著冬季供暖期的推移，從土壤中吸收的熱量也越多，因此地埋管周圍的土壤平均溫度逐漸下降；在過渡期時，由于地埋管換熱器周圍土壤的熱擴(kuò)散，使土壤溫度有所回升；制冷期時，地埋管換熱器向周圍土壤散熱，土壤溫度逐漸升高。而在經(jīng)過1年模擬運行，相對于土壤初始溫度，4種埋管深度的土壤平均溫度出現(xiàn)了不同程度的下降，其中60m埋管深度的溫度波動幅度最大，溫度下降也最大，其次為80m埋管深度，100m的埋管深度波動幅度和溫降最小。

圖4 地源熱泵系統(tǒng)仿真模擬程序

表2 模型主要設(shè)計參數(shù)

圖5 1年內(nèi)埋管深度對土壤年平均溫度的影響變化曲線圖

圖6給出了系統(tǒng)運行地埋管換熱器運行30年隨著地埋管深度的不同，土壤平均溫度的變化情況。從圖6可以看出，30年后地埋管深度為100m時周圍土壤平均溫度下降了0.66℃，為最低，地埋管深度為80m和60m時周圍土壤平均溫度分別下降了0.8℃和1.7℃，地埋管總長度不變，埋管深度（相應(yīng)的減少埋管數(shù)）越深對土壤平均溫度變化的影響越小。埋管深度為100m時溫度波動最小，這是因為在相同換熱量的情況下，埋管深度越大其溫度越穩(wěn)定，不容易受季節(jié)性環(huán)境溫度變化的影響。

3.2 冷、熱負(fù)荷比對地埋管換熱器性能的影響

圖7給出了不同負(fù)荷情況下地源熱泵系統(tǒng)運行30年土壤平均溫度的變化情況?？梢钥闯觯和寥榔骄鶞囟入S運行時間延長逐年波動，當(dāng)滿足建筑全年冷、熱負(fù)荷需求時，在運行30年后，其土壤平均溫度只下降了0.66℃；而當(dāng)只滿足建筑夏季制冷期的冷負(fù)荷要求時，由于熱堆積現(xiàn)象，土壤平均溫度逐年升高，到第30年底時土壤平均溫度上升了2.15℃；當(dāng)僅滿足建筑的冬季供暖期熱負(fù)荷要求時，由于冷堆積，溫度逐年下降，到第30年底時土壤平均溫度下降了2.67℃。說明長年運行在不同的冷、熱負(fù)荷比的情況下，會對地埋管換熱器的換熱能力有影響，冷、熱負(fù)荷比越大，對地埋管換熱器的換熱效果影響越大。

圖6 30年埋管深度對土壤平均溫度的影響變化曲線圖

圖7 30年冷、熱負(fù)荷對土壤平均溫度的影響變化曲線圖

需要說明的是，由于該地源熱泵系統(tǒng)用于建筑面積較小的會所建筑，相對于大中型建筑來說，其負(fù)荷相對較小，故在3種不同負(fù)荷情況下運行30年其土壤平均溫度的變化并不大，對熱泵系統(tǒng)的性能影響有限。

3.3 部分負(fù)荷率對熱泵機(jī)組運行性能比較

對該系統(tǒng)進(jìn)行全年的模擬計算，圖8所示為地源熱泵系統(tǒng)的全年COP變化情況。由圖8可看出，在制冷期熱泵機(jī)組的COPc最高達(dá)到5.7，但是由于逐時負(fù)荷隨著時間的不斷變化，其平均COPc只有3.28。供暖期熱泵系統(tǒng)的COPh較為穩(wěn)定，最高達(dá)到3.2，平均值為2.75。

熱泵機(jī)組的部分負(fù)荷率和熱泵機(jī)組實際功率如圖9、圖10所示。對兩圖的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，可看出部分負(fù)荷率與實際運行功率具有相關(guān)性：熱泵機(jī)組實際所需的輸入功率除了與Ml、Me、Teo、Tli有關(guān)外，還與機(jī)組的部分負(fù)荷率有關(guān)。

分析圖9的模擬結(jié)果，計算得到供暖期內(nèi)，熱泵機(jī)組的平均部分負(fù)荷率為0.31，而夏季制冷期內(nèi)的熱泵機(jī)組平均部分負(fù)荷率只有0.22。供暖期的熱負(fù)荷明顯大于制冷期的冷負(fù)荷，由于熱泵機(jī)組選型時是根據(jù)建筑的最大冷、熱負(fù)荷來確定的，而在最大冷、熱負(fù)荷模式下熱泵機(jī)組滿負(fù)荷運行的時間比較短，絕大部分時間都處于部分負(fù)荷率的運行狀態(tài)，該結(jié)果導(dǎo)致了熱泵機(jī)組全年的平均部分負(fù)荷率較低。圖10為熱泵機(jī)組的實際功率變化情況，可以看出：與供暖期相比，制冷期熱泵機(jī)組的運行功率較低，這是由于夏季熱泵機(jī)組的部分負(fù)荷率較低造成的，這也導(dǎo)致了熱泵系統(tǒng)的COP普遍較低的現(xiàn)象。

圖8 1年內(nèi)供暖空調(diào)期熱泵系統(tǒng)COP變化曲線圖

圖9 1年內(nèi)供暖空調(diào)期熱泵機(jī)組部分負(fù)荷率變化曲線圖

圖10 1年內(nèi)供暖空調(diào)期熱泵機(jī)組實際功率變化曲線圖

4 結(jié)論

以江陰市的某棟別墅建筑為研究對象，通過采用TRNSYS軟件建立地源熱泵系統(tǒng)仿真模型，對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)數(shù)值模擬研究，得到以下結(jié)論。

（1）對比3種埋管深度的地埋管地源熱泵系統(tǒng)下土壤的平均溫度，發(fā)現(xiàn)增大地埋管換熱器的埋管深度有利于該地區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)的性能提升，提高了土壤平均溫度的穩(wěn)定性，減小了其溫度波動幅度。

（2）冷熱負(fù)荷的不平衡會導(dǎo)致土壤平均溫度的失衡，長期運行的情況下導(dǎo)致冷、熱堆積，使系統(tǒng)的性能下降。因此為了保證地埋管地源熱泵系統(tǒng)在該地區(qū)長期、穩(wěn)定、高效運行，應(yīng)滿足冷熱負(fù)荷比相當(dāng)?shù)囊?，以保證土壤的得熱量和放熱量達(dá)到平衡，以延長熱泵系統(tǒng)的使用壽命。

（3）根據(jù)日最大冷熱負(fù)荷情況進(jìn)行系統(tǒng)選型設(shè)計時導(dǎo)致熱泵機(jī)組的年平均部分負(fù)荷率較低，當(dāng)?shù)芈窆艿卦礋岜瞄L期處在部分負(fù)荷率較低的情況下運行根本不具備節(jié)能性。因此在機(jī)組選型時要考慮采取一種更具節(jié)能性的選型策略以達(dá)到節(jié)能效果。

[1] 鮑旭明. 地源熱泵國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r對比[J]. 山西建筑，2016，42（2）：126-128.BAO X M. The development comparison of ground source heat pump at home and abroad[J]. Shanxi Architecture，2016，42（2）：126-128.

[2] ZENG Heyi， DIAO Nairen，F(xiàn)ANG Zhaohong. Heat transferanalysis of boreholes in vertical ground heat exchangers[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46（1）：4467-4481.

[3] 曹馨雅. 地源熱泵系統(tǒng)冷熱負(fù)荷不平衡對土壤溫度的影響[D]. 上海：東華大學(xué)，2012.CAO X Y. The influence exerted by the imbalance of cooling and heating load on the soil temperature in GSHP[D].Shanghai：Donghua University，2012.

[4] 寇利. 上海某教學(xué)樓地源熱泵系統(tǒng)性能測試分析[J]. 建筑節(jié)能，2016，44（8）：6-9.KOU L. Performance test of ground-source heat pump system for a teaching building in Shanghai[J]. Building Energy Efficiency，2016，44（8）：6-9.

[5] 汪洪軍，李新國，趙軍，等. 地下耦合地源熱泵機(jī)組冬季供熱性能分析與實驗研究[J]. 流體機(jī)械，2003，31（19）：51-54.WANG H J，LI X G，ZHAO J，et al. Experimental study and analysis on heating operation of GCHP[J]. Fluid Machinery，2003，31（19）：51 – 54.

[6] 魏唐棣，胡鳴明，丁勇，等. 地源熱泵冬季供暖測試及傳熱模型[J]. 暖通空調(diào)，2000，30（1）：12-14.WEI T D， HU M M， DING Y， et al. Measurement and heat transfer modelling of a shallow buried ground source heat pump in winter heating operation [J]. Journal of HV & AC，2000，30（1）：12 – 14.

[7] 楊少剛. 基于TRNSYS地埋管地源熱泵變流量系統(tǒng)仿真研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2016.YANG S G. The simulation study of ground-source heat pump variable flowrate system based on TRNSYS [D]. Jinan: Shandong Jianzhu University，2016.

[8] HYDEMAM M，GILLESPIE K L. Tools and techniques to calibrate electric chiller component model [J]. ASHRAE Transactions，2002，108（1）：733-741.

[9] 劉憲英，胡鳴明. 地?zé)嵩礋岜玫叵侣窆軗Q熱器傳熱模型的綜述[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報，1999，21（5）：85-92.LIU X Y，HU M M. Development of modeling of the underground heat exchanger for GSHP[J]. Journal of Chongqing Jianzhu University，1999，21（5）：85-92.

[10] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范：GB50736-2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Design code for heating ventilation and air conditioning of civil buildings：GB50736―2012[S]. Beijing: China Building Industry Press，2012.

[11] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：GB50189—2015[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Design standard for energy efficiency of public buildings：GB50189—2015[S]. Beijing: China Building Industry Press，2015.

The ground source heat pump numerical simulation of a building in Jiangyin

LIU Guangping1，2，3，4，LUO Chao1，2，3，GONG Yulie1，2，3，QIU Zejing5，6，ZHENG Xin5，6
（1Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2Key Laboratory of Renewable Energy，Chinese Academy of Science，Guangzhou 510640，Guangdong，China；3Guangdong Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development，Guangzhou 510640，Guangdong，China；4University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；5Nari Group Corporation(State Grid Electric Power Research Institute)，Nanjing 211000，Jiangsu，China；6Nari(Wuhan) Electrical Equipment ＆Engineering Efficiency Evaluation Center，Wuhan 430074，Hubei，China;

This paper introduces the ground-source heat pump for a construction in Jiangyin. Using the software of TRNSYS，the underground soil average temperature in 30 years was simulated under the different depths and ratios of cooling and heating loads. The annual trend ofCOPof the system and part load ratio of heat pump unit in heating and cooling period werer analyzed. The result showed that the performance of buried pipe at 100m depth had a smaller temperature drop and fluctuation than that at 80m and 60m depths. So the deeper the buried pipes were，the more stable of soil average temperatures were. To meet the demand of heating load only，the soil average temperature fell by 2.67℃，while the soil average temperature increased by 2.15℃ to meet the demand of cooling load nly. If to meet the demand of both heating and cooling loads，the soil average temperature fell by just 0.66℃. The averagedCOPof the heat pump system was 3.28 in the summer and 2.75 in the winter；and the part load ratio of heat pump unit was low，which resulted in the lowerCOPof the system. The simulation results provided the basic data for the heat pump project in Yangtze River area.

renewable energy；ground-source heat pump；numerical simulation；ground heat exchanger；coefficient of performance（COP）；stability

TK529

A

1000–6613（2017）11–4037–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0120

2017-01-19；修改稿日期2017-07-03。

國家電網(wǎng)公司科學(xué)技術(shù)項目（SGTYHT/15-JS-191）。

劉廣平（1991—），男，碩士研究生。聯(lián)系人龔宇烈，博士，研究員，研究方向為地?zé)崮艿哪芰哭D(zhuǎn)換技術(shù)。E-mail：gongyl@ms.giec.ac.cn.。