新型土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)運(yùn)行特性仿真

，　，　，宇飛，　

(1.常州大學(xué) 石油工程學(xué)院，江蘇　常州　213106; 2.江蘇歐麥朗設(shè)備安裝工程有限公司,江蘇　常州　213136)

目前，在公共建筑能耗中約50%消耗于建筑空調(diào)系統(tǒng)和生活熱水[1]。具有綠色節(jié)能的地源熱泵技術(shù)備受關(guān)注[2-4]。然而，在建筑冷卻負(fù)荷較大的地區(qū)，系統(tǒng)排入地下的熱量長期積聚在埋管熱交換器周圍土壤中，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降[5-7]。

國內(nèi)外學(xué)者開始研究冷凝熱回收或加輔助散熱器的混合地源熱泵系統(tǒng)的性能[8-9]。Yavuzturk等[10]基于TRNSYS瞬態(tài)系統(tǒng)模擬軟件對冷卻塔耦合土壤源熱泵系統(tǒng)的三種不同運(yùn)行策略進(jìn)行了模擬分析，并提出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。李康等[11]提出一種利用冷卻塔過渡季節(jié)土壤補(bǔ)償蓄冷的新型混合式土壤源熱泵系統(tǒng)，有效緩解土壤的熱堆積問題。李大鵬[12]采用軟件TRNSYS對制冷、制熱和供生活熱水等多功能土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究，得出該系統(tǒng)能明顯改善土壤全年排熱量和吸熱量的不平衡。Zhou等[13]通過監(jiān)測位于重慶地區(qū)的土壤源熱泵系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)過20年的運(yùn)行，土壤平均溫度從初始值20 ℃上升到30.5 ℃，指出外加生活熱水系統(tǒng)運(yùn)行能有效降低土壤溫度，提高系統(tǒng)的性能。

本文設(shè)計(jì)了一種新型土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)，利用TRNSYS軟件研究了系統(tǒng)長期運(yùn)行后的土壤平均溫度、埋管出水溫度和熱水供水溫度以及系統(tǒng)制冷制熱性能系數(shù)，以期驗(yàn)證新型土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)在建筑冷負(fù)荷較大的地區(qū)高效穩(wěn)定運(yùn)行。

1　新型土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的新型土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)增加了一套熱水機(jī)組，充分利用夏季堆積的多余熱量加熱生活熱水的功能，實(shí)現(xiàn)消除地下熱量堆積的目的。圖1是新型復(fù)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。夏季和冬季，熱泵機(jī)組和熱水機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，三通閥全開，通過調(diào)節(jié)兩支路閥門開度同時(shí)滿足各循環(huán)回路流量要求；過渡季節(jié)時(shí)，僅開啟熱水機(jī)組，三通閥只聯(lián)通a-c和a1-c1，提供生活熱水。當(dāng)系統(tǒng)單獨(dú)供冷、供熱時(shí)，三通閥只聯(lián)通a-b和a1-b1。

圖1　新型土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

以南京某別墅為例，建筑面積321 m2，共三層，層高均為3.5 m，包括居住臥室、客廳、餐廳、娛樂房、洗衣房、廚房等功能房間。假定人員為6人。設(shè)定采暖時(shí)間為11月27日到次年3月15日，空調(diào)時(shí)間為5月16日到10月15日。運(yùn)用鴻業(yè)負(fù)荷模擬軟件獲得別墅全年逐時(shí)負(fù)荷(圖2)。累計(jì)模擬冷、熱負(fù)荷值比為1.92，冷熱負(fù)荷不平衡率為37.8%。

圖2　別墅全年逐時(shí)負(fù)荷圖

采用新型土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)為別墅供熱、供冷和全年生活熱水。地埋管采用單U型，管材為PE。根據(jù)冷負(fù)荷和土壤熱物性參數(shù)(表1)，確定了地埋管換熱器和蓄熱水箱的性能參數(shù)，結(jié)果詳見表2[14]。

表1土壤熱物性參數(shù)

密度/kg·m-3質(zhì)量熱容/J·kg-1·℃-1體積熱容/kJ·m-3·℃-1導(dǎo)熱系數(shù)/W·m-1·℃-1初始平均溫度/℃1 6001 6452 6321.918.0

表2地埋管換熱器和蓄熱水箱設(shè)計(jì)參數(shù)

鉆井?dāng)?shù)鉆孔/m埋管/m間距深度直徑內(nèi)徑外徑間距104.5800.20.026 20.0320.04埋管導(dǎo)熱系數(shù)/W·m-1·℃-1回填材料導(dǎo)熱系數(shù)/W·m-1·℃-1蓄熱水箱容積/L0.432.25400

2　新型土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)TRNSYS仿真模型

圖3為基于TRNSYS 建立的新型土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型,系統(tǒng)主要模塊見表3。

圖3　新型土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)仿真模型圖

表3系統(tǒng)主要應(yīng)用模塊

部件編號名稱地埋管Type557a豎直地埋管換熱器土壤源熱泵Type668水-水源熱泵空調(diào)末端Type682流管負(fù)荷數(shù)據(jù)讀取Type9e負(fù)荷讀取器供水負(fù)荷Type14b供水負(fù)荷控制器Type2b溫度差控制器水箱Type60a蓄熱水箱循環(huán)水泵Type3b定頻水泵冷卻塔Type510封閉式冷卻塔

3　新型土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)運(yùn)行性能仿真

選取了傳統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)和冷卻塔-地埋管耦合熱泵系統(tǒng)作為比較對象，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的新型熱泵熱水系統(tǒng)的運(yùn)行特性。

3.1　土壤平均溫度

圖4給出了三種系統(tǒng)運(yùn)行后地下土壤平均溫度變化曲線圖。長期運(yùn)行后三種系統(tǒng)土壤平均溫度均隨時(shí)間增加而逐漸增加，傳統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤平均溫度增加幅度最大，冷卻塔-地埋管耦合熱泵系統(tǒng)的土壤平均溫度變化最小，但增幅均越來越小。運(yùn)行第一年后，傳統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤平均溫度升高了2.5 ℃，冷卻塔-地埋管耦合熱泵系統(tǒng)的土壤平均溫度升高了1.5 ℃，土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)的土壤平均溫度升高了1.7 ℃。運(yùn)行10年后，三種系統(tǒng)對應(yīng)的土壤平均溫度分別升高到25.7 ℃、22.5 ℃和23.3 ℃，分別比土壤初始溫度18℃增加了7.7 ℃、4.5 ℃和5.3 ℃，增幅分別為42.8%、25%和29.4%。這也證明了傳統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行后會(huì)導(dǎo)致土壤熱量堆積[12]，冷卻塔-地埋管熱泵系統(tǒng)能有效解決釋放夏季冷凝熱，解決傳統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)存在的地下熱量堆積問題[10]，而本文設(shè)計(jì)的新型土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)能有效利用傳統(tǒng)土壤源熱泵存在的地下堆積的熱量，為建筑物提供生活熱水，具有明顯的節(jié)能效果。

圖4　地下土壤平均溫度隨運(yùn)行時(shí)間變化圖

3.2　地埋管換熱器出水溫度

圖5給出了三種系統(tǒng)對應(yīng)的地埋管出水溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化趨勢。三種系統(tǒng)對應(yīng)的地埋管換熱器的出水溫度均隨運(yùn)行年數(shù)逐漸增加，增幅均越來越小。運(yùn)行10年后，傳統(tǒng)土壤源熱泵地埋管換熱器的出水溫度峰值達(dá)到了42 ℃，冷卻塔-地埋管耦合熱泵系統(tǒng)的地埋管換熱器的出水溫度峰值為31.5 ℃，土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)的地埋管換熱器的出水溫度峰值為34.7 ℃，分別比第一年的出水溫度峰值增加了6 ℃、2 ℃和3.4 ℃，增幅分別為16.7%、6.5%和11.5%。主要是由于傳統(tǒng)地源熱泵技術(shù)長期運(yùn)行后地下堆積的熱量，強(qiáng)化了地埋管換熱器與周圍土壤的換熱，使得地埋管換熱器出口水溫增加。相比之下，冷卻塔-地埋管耦合熱泵系統(tǒng)和熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)長期運(yùn)行后地埋管換熱器出水溫度分別降低了7.3 ℃和10.5℃，降幅分別為25%和17.4%，但熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)利用堆積的熱量提供了生活熱水，故其熱量更高。

圖5　地埋管換熱器出水溫度隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線圖

圖6　用戶某日熱水溫度曲線圖

3.3　熱水供水溫度

熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)通過溫差控制模塊Type2b的控制實(shí)現(xiàn)供應(yīng)生活熱水。運(yùn)行時(shí)設(shè)定最高水溫為60 ℃，高溫限控溫差為10 ℃，低溫高溫限控溫差為0 ℃。當(dāng)熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，高溫水溫與低溫水溫差小于等于0 ℃時(shí)，溫差控制器將產(chǎn)生信號使機(jī)組停機(jī)；當(dāng)高溫水溫與低溫水溫差大于10 ℃時(shí)，溫差控制器又控制機(jī)組重新運(yùn)行。

圖6是冬季、夏季和過渡季某一天24 h水箱中熱水溫度曲線圖。用戶在使用熱水時(shí)，由于不斷補(bǔ)充冷水水量，水箱中水溫有所波動(dòng)，但平均溫度都在50 ℃左右，能正常穩(wěn)定地滿足用戶所需的生活熱水。

3.4　系統(tǒng)制冷制熱性能

圖7為運(yùn)行10年運(yùn)行期間土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)制冷、制熱性能系數(shù)曲線圖。從圖中可以看到，空調(diào)季系統(tǒng)制冷系數(shù)變化幅度較大，供熱季系統(tǒng)制熱系數(shù)較為穩(wěn)定。圖8為10年運(yùn)行期間系統(tǒng)制冷、制熱性能系數(shù)峰值曲線圖。前3年制冷系數(shù)下降明顯，然后降幅逐漸減小，趨向穩(wěn)定，但平均制冷系數(shù)峰值為6。制熱系數(shù)隨時(shí)間的推移逐漸提高，在前3年內(nèi)增幅明顯，然后逐漸穩(wěn)定，平均制熱系數(shù)峰值為4.29。這主要是因?yàn)橄到y(tǒng)長期運(yùn)行后地下土壤仍有少量堆積，土壤溫度仍然存在升高現(xiàn)象。但從10年的運(yùn)行仿真結(jié)果看，設(shè)計(jì)的復(fù)合系統(tǒng)的制冷、制熱性能系數(shù)都較高，且均在較小的區(qū)間內(nèi)變化，故該系統(tǒng)能在建筑冷負(fù)荷較大的地區(qū)實(shí)現(xiàn)長期、穩(wěn)定高效運(yùn)行。

圖7　10年運(yùn)行期間復(fù)合系統(tǒng)制冷、制熱性能系數(shù)曲線

圖8　10年運(yùn)行期間復(fù)合系統(tǒng)的性能系數(shù)峰值曲線圖

4　結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)能夠解決傳統(tǒng)的土壤源熱泵系統(tǒng)在建筑冷負(fù)荷較大的地區(qū)長

期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致土壤熱量堆積問題，利用土壤堆積的廢熱能夠制備水溫較為穩(wěn)定的生活熱水，具有節(jié)能效果。

(2)運(yùn)行10年后，設(shè)計(jì)的土壤源熱泵熱水復(fù)合系統(tǒng)制冷制熱性能系數(shù)較高，且變化幅度較小。平均制冷、制熱系數(shù)分別為6和4.29。