基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

黃新江 劉成剛

(蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇蘇州 215009)

0 引言

地源熱泵作為一項(xiàng)十分具有節(jié)能潛力的可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)，受到越來越多的關(guān)注，并得到廣泛應(yīng)用。徐偉等[1]指出了目前地源熱泵系統(tǒng)的眾多技術(shù)難點(diǎn)和發(fā)展?jié)摿?。國?nèi)眾多研究人員從建筑特性、控制策略、參數(shù)設(shè)計(jì)等角度對地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了測試和優(yōu)化。地埋管換熱器作為地源熱泵系統(tǒng)的核心部件，是影響地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)性的主要因素[2]。 LI C F等[3]運(yùn)用數(shù)值模型證明了非飽和土壤的不同性質(zhì)和地下水水位的波動對地源熱泵系統(tǒng)的性能均有影響。PU L等[4]提出一種多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化地埋管換熱器的溫度等設(shè)計(jì)參數(shù)。然而在現(xiàn)階段對地埋管換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)的分析大都采用控制變量法，隔離參數(shù)單元，對不同參數(shù)的耦合影響分析較少。本文以蘇州地區(qū)某淺埋式地源熱泵系統(tǒng)為研究對象，采用TRNSYS仿真模擬平臺，綜合考慮地埋管換熱器的蓄熱體積和埋管深度對管內(nèi)流速的影響，耦合地源熱泵系統(tǒng)的熱性能，找出最佳設(shè)計(jì)流速范圍，為實(shí)際地源熱泵系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

該空調(diào)工程位于江蘇省蘇州市某辦公樓第3～4層，是以土壤為冷熱源的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)?？照{(diào)面積為959 m2，配備兩臺水-水模塊式熱泵機(jī)組進(jìn)行夏季供冷、冬季供熱，單臺機(jī)組名義制冷量為69 kW，名義制熱量為58.3 kW。埋管采用雙U型垂直埋管，鉆孔深度為50 m，共40口井。冷凍水泵和冷卻水泵均一用一備，工頻運(yùn)行，并配置了一臺冷卻塔備用。該工程系統(tǒng)見圖1。

圖1 地源熱泵系統(tǒng)原理

該工程采用Alerton公司的BACtalk管理系統(tǒng)作為空調(diào)系統(tǒng)的樓宇監(jiān)控系統(tǒng)。采用VLC-853和VLC-1600兩臺現(xiàn)場控制器進(jìn)行監(jiān)控。熱泵系統(tǒng)的流量測量采用電磁流量計(jì)，系統(tǒng)測試采用超聲波流量計(jì)，電能的測量采用施耐德電表，溫濕度的測量主要采用溫濕度變送器和HOBO溫濕度記錄儀(溫度范圍：-20～70 ℃，±0.21 ℃；濕度范圍：15%～95%，±3.5%)。數(shù)據(jù)采集頻率為12次/h，監(jiān)測時(shí)間與熱泵運(yùn)行時(shí)間一致。

2 地源熱泵系統(tǒng)仿真模型的搭建

將上述淺埋式地源熱泵系統(tǒng)作為基礎(chǔ)模型，TRNSYS軟件為仿真模擬平臺，搭建地源熱泵仿真模擬系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 地源熱泵系統(tǒng)仿真模擬平臺示意

2.1 地埋管換熱器模型解析

TRNSYS中地埋管換熱模型采用豎直柱熱源模型。該蓄熱模型內(nèi)部的溫度由總體換熱溫度、局部換熱溫度以及穩(wěn)定流體溫度三部分組成。該模型的求解主要是利用顯性有限差分法(FDM)，將中心軸線對稱的圓柱形蓄熱區(qū)域模型按徑向坐標(biāo)i和垂直坐標(biāo)j布置網(wǎng)格，徑向又分為多個子區(qū)域Vk[5]。總體換熱過程中在已知熱源值、氣溫節(jié)點(diǎn)和地表溫度的情況下，在t+Δt時(shí)刻點(diǎn)(i,j)處的溫度為

T(i,j)t+Δt=T(i,j)t+[Fr(i,j)-Fr(i+1,j)+Fz(i,j)-Fz(i,j+1)+Ql(i,j)+Qsf(i,j)]·Δt/C(i,j)

(1)

式中，Ql為局部所引起的熱源，Qsf為熱量再分配引起的熱源，Δt為時(shí)間步長，C為節(jié)點(diǎn)比熱容。

最后將求解得出的三部分溫度通過疊加原理[5]可以得到土壤中節(jié)點(diǎn)(i,j)的溫度T，如式(2)。

2.2 初始及邊界條件

(1)初始條件。將監(jiān)測得到的建筑物全年冷熱負(fù)荷作為仿真模擬平臺的輸入，熱泵參數(shù)按照廠家提供的實(shí)際樣本進(jìn)行修正，同時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)責(zé)犴憫?yīng)實(shí)驗(yàn)測得的土壤換熱系數(shù)進(jìn)行地埋管模塊的參數(shù)設(shè)定，土壤初始溫度根據(jù)文獻(xiàn)[6]給出的回歸公式計(jì)算，具體參數(shù)值見表1。模擬時(shí)間為87 600 h(10 a)，步長為1 h。起始時(shí)間為1月1日，初始工況為冬季制熱工況。

(2)邊界條件。模型計(jì)算自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且假定換熱器在土壤中是均勻分布的，rl處視為絕熱邊界，模擬區(qū)域外邊界視為定溫度邊界，模型設(shè)定供回水溫差和流量。

2.3 仿真模型的驗(yàn)證

表1 地埋管模塊參數(shù)設(shè)置

圖3 仿真模型的驗(yàn)證

3 模擬結(jié)果分析

圖4給出了淺埋式地源熱泵機(jī)組連續(xù)工作10 a后的地埋管進(jìn)出水溫度和土壤溫度變化曲線，結(jié)果顯示地埋管進(jìn)出水溫度整體呈上升趨勢，地埋管進(jìn)水最高溫度達(dá)45.5 ℃。土壤溫度上升到25.7 ℃，較土壤初始溫度升高了5.9 ℃，預(yù)計(jì)連續(xù)運(yùn)行20 a土壤溫升將超過10 ℃，需要開啟冷卻塔輔助制冷。

圖4 地埋管進(jìn)出水溫度和土壤溫度變化曲線

3.1 埋管深度對地源熱泵系統(tǒng)的影響

保持地埋管換熱器蓄熱體積不變，且管內(nèi)流速不變的情況下，改變埋管深度和鉆井?dāng)?shù)，對比分析不同埋管深度下土壤溫度變化和系統(tǒng)耗電量變化，具體結(jié)果見表2。數(shù)據(jù)表明，地埋管深度每增加10 m，模擬第10年土壤平均溫度僅降低約0.2 ℃，由30 m變化到100 m，土壤平均溫度降低1.4 ℃，機(jī)組夏季制冷COP值升高0.9，冬季制熱COP值降低0.7。模擬實(shí)際工況系統(tǒng)10 a耗電量共計(jì)828 580 kW·h，30 m埋管深度工況下耗電量增加1.14%，100 m埋管深度工況下耗電量減少1.53%，平均每增加10 m耗電量減少0.6%。由此可見，相同蓄熱體積條件下，埋管深度對土壤平均溫度變化以及系統(tǒng)耗電量影響較小。

表2 不同埋管深度模擬數(shù)據(jù)對比

3.2 不同流速對地源熱泵系統(tǒng)性能的影響

以實(shí)際系統(tǒng)埋管深度50 m為例，分別設(shè)定地埋管冷卻水流速為0.5，1.0，1.5，2 m/s，保持其他參數(shù)不變，4種流速分別對應(yīng)工況1～4，其中，工況3為實(shí)際工況。

圖5和圖6分別對應(yīng)4種不同工況下地埋管換熱器運(yùn)行10 a的每延米換熱量變化曲線和土壤平均溫度逐年變化曲線。圖5數(shù)據(jù)表明隨著冷卻水流速不斷增大，地埋管每延米換熱量逐漸降低，但同種工況下逐年換熱量幾乎不變。工況1下最大換熱量為52.8 W/m，最小換熱量出現(xiàn)在工況4，為42.9 W/m。從圖6可以看出，相同時(shí)間點(diǎn)冷卻水流速越大，土壤平均溫度越低，表明地埋管內(nèi)冷卻水流速增大，埋管進(jìn)出口水溫差減小，換熱量減小。流速為0.5 m/s工況下，土壤平均溫度10 a溫升達(dá)到8.7 ℃，相當(dāng)于實(shí)際工況運(yùn)行20 a溫度變化，導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤熱不平衡問題，而后3種工況土壤溫升均不足6 ℃。圖7總結(jié)了不同流速下系統(tǒng)能耗和機(jī)組COP值變化。埋管內(nèi)流速越大，系統(tǒng)能耗越高，但機(jī)組COP值降低。數(shù)據(jù)顯示，隨著流速的增大，機(jī)組能耗降低，但土壤側(cè)水泵能耗增大，因此系統(tǒng)總能耗增大。流速為2.5 m/s下，系統(tǒng)全年耗電量最高，為85 816 kW·h。

可見在設(shè)計(jì)階段應(yīng)適度減小流量，降低能耗，增強(qiáng)地埋管換熱量，但同時(shí)也要避免土壤嚴(yán)重?zé)岵黄胶馇闆r的出現(xiàn)。對于該系統(tǒng)，綜合考慮系統(tǒng)性能以及土壤溫升，埋管內(nèi)最佳流速范圍為1.0～2.0 m/s。

圖5 地埋管換熱量逐年變化曲線

圖 6 土壤平均溫度逐年變化曲線

圖7 不同流速下系統(tǒng)能耗與機(jī)組COP值變化

其余埋管深度下最佳流速范圍內(nèi)的模擬值由表3給出。結(jié)果表明，埋管深度越大，最佳流速越小。埋管深度為30 m時(shí)，該模型最佳流速范圍為2.0～2.5 m/s；當(dāng)埋管深度增加到100 m時(shí)，最佳流速范圍減小到0.5～1.5 m/s。

4 結(jié)論

通過TRNSYS軟件建立地源熱泵仿真模型，研究表明，相同蓄熱體積和流速條件下，埋管深度每增加10 m，運(yùn)行第10年土壤平均溫度降低0.2 ℃，系統(tǒng)總耗電量減少0.6%。降低埋管冷卻水流速可以增大地埋管換熱器換熱量，提高機(jī)組性能系數(shù)，但會加速土壤溫升。綜合考慮土壤熱不平衡問題以及系統(tǒng)耗電量存在最佳流速，該淺埋式地源熱泵系統(tǒng)冷卻水流速1～2 m/s均在合理范圍內(nèi)，且埋管深度越大，最佳流速越小，100 m埋管深度下最佳流速范圍為0.5～1.5 m/s。