基于TRNSYS的地源熱泵優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真模擬分析

宮克勤， 楊子昱， 呂松炎， 張 楠

（東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

土壤源熱泵以地表淺層土壤作為熱源，通過(guò)熱泵機(jī)組利用地層熱能為建筑物提供舒適的熱濕環(huán)境. 而土壤源熱泵等清潔可再生能源的利用既減少了一次能源的消耗，也減少了對(duì)環(huán)境的污染［1］. 朱林等［2］對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵不同間距井群地下土壤的冷堆積程度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)間距為4 m時(shí)井群冷堆積大于間距為6 m時(shí)的井群冷堆積，且土壤的傳熱具有一定的滯后性，在嚴(yán)寒地區(qū)使用土壤源熱泵難以通過(guò)土壤自恢復(fù)實(shí)現(xiàn)熱平衡. 張玉瑾等［3］通過(guò)對(duì)黏土地質(zhì)條件下土壤源熱泵系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10年內(nèi)的土壤溫度場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，土壤冷堆積速率為0.27 ℃/年，并建議采用輔助熱源保證土壤源熱泵高效運(yùn)行. 劉昱等［4］對(duì)北京地區(qū)超低能耗建筑中的地源熱泵使用情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，地埋管鉆孔間距為6 m時(shí)的性能比3 m 時(shí)提高了10%左右，因此建議在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡量增大地埋管間距.

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)值模擬越來(lái)越多被應(yīng)用于土壤源熱泵系統(tǒng)分析，這也使得很多以往無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的分析得以實(shí)現(xiàn)［5-10］. 地埋管換熱器一直是土壤源熱泵系統(tǒng)的研究重點(diǎn)，通過(guò)地埋管不同設(shè)計(jì)對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響進(jìn)行分析，對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［11-16］. 通過(guò)分析不同運(yùn)行模式下的土壤源熱泵系統(tǒng)對(duì)地下土壤溫度場(chǎng)和室內(nèi)熱環(huán)境的影響，對(duì)選取合適的熱泵運(yùn)行模式提供建議［17-20］.

本文基于TRNSYS軟件對(duì)黑龍江省大慶市采用土壤源熱泵低溫輻射地板進(jìn)行冷暖兩聯(lián)供的辦公建筑進(jìn)行模擬，結(jié)合連續(xù)性試驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，提出土壤源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.

1 模擬設(shè)置

1.1 建筑模型

研究對(duì)象為大慶地區(qū)某辦公建筑的標(biāo)準(zhǔn)層. 建筑南北朝向，實(shí)驗(yàn)室圍護(hù)結(jié)構(gòu)和朝向與圖1南朝向中間的房間一致. 建筑面積為576 m2，層高3.2 m，土壤源熱泵地埋管采用U型換熱器. 建筑模型如圖1所示.

圖1 建筑模型平面圖Fig.1 Plan view of the building model

1.2 假設(shè)條件

使用TRNSYS軟件建立土壤源熱泵低溫地板輻射模型時(shí)做出假設(shè)：①傳熱介質(zhì)的熱物性在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)隨著溫度的變化而變化. ②管內(nèi)流體的流速和溫度在同一截面上分布均勻一致. ③所有設(shè)備參數(shù)穩(wěn)定，忽略設(shè)備老化對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的影響. ④室溫初始值和土壤溫度初始值都一致. ⑤地埋管與土壤的換熱為純導(dǎo)熱過(guò)程，忽略地埋管與回填材料之間的接觸熱阻. ⑥地下土壤為各向同性介質(zhì).

1.3 系統(tǒng)連接

通過(guò)對(duì)不同部件和模塊之間的邏輯分析，按照實(shí)際流程對(duì)各部件進(jìn)行連接，構(gòu)建完整的土壤源熱泵系統(tǒng)模型如圖2.

圖2 土壤源熱泵系統(tǒng)模型Fig.2 Model of ground source heat pump system

2 實(shí)驗(yàn)

嚴(yán)寒地區(qū)全年冷熱負(fù)荷嚴(yán)重不均，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致地下土壤溫度場(chǎng)發(fā)生變化，影響系統(tǒng)運(yùn)行效率. 搭建土壤源熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)連續(xù)運(yùn)行2個(gè)供暖期和1個(gè)供冷期，得到冷凝器和蒸發(fā)器的進(jìn)出水溫度、機(jī)組的輸入功率等參數(shù). 分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)能耗、制冷系數(shù)和供熱系數(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模擬的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證分析.

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置概況

實(shí)驗(yàn)臺(tái)位于大慶市某辦公建筑內(nèi)，實(shí)驗(yàn)房間與通過(guò)軟件建立的建筑模型一致. 實(shí)驗(yàn)臺(tái)由1臺(tái)7.5 kW的熱泵機(jī)組、2個(gè)豎直放置的地埋管換熱器、2臺(tái)循環(huán)水泵、3個(gè)流量計(jì)、感溫探頭、循環(huán)管道、數(shù)據(jù)集成裝置以及其他附件組成. 其中循環(huán)水泵為自吸式清水泵，1臺(tái)放置在室內(nèi)，1臺(tái)放置在土壤源側(cè). 室內(nèi)循環(huán)泵容積流量1.2 m3/h，轉(zhuǎn)速1500 r/min，揚(yáng)程32 m，軸功率0.45 kW；土壤源側(cè)循環(huán)泵容積流量1.5 m3/h，轉(zhuǎn)速1500 r/min，揚(yáng)程40 m，軸功率0.55 kW. 地埋管外徑32 mm，內(nèi)徑26 mm，兩管中心間距5 m，打孔深度90 m，采用常規(guī)膨潤(rùn)土及石英砂作為回填材料，采用冰點(diǎn)-30 ℃，40%的乙二醇防凍液作為循環(huán)介質(zhì).

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

系統(tǒng)在2016 年11 月1 日至2018 年3 月31 日連續(xù)運(yùn)行2 個(gè)供暖期和1 個(gè)供冷期，共17 個(gè)月，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)將房間溫度控制在上下限溫度值以內(nèi). 在系統(tǒng)各部件運(yùn)行穩(wěn)定、正常時(shí)采集數(shù)據(jù). 實(shí)驗(yàn)臺(tái)壓縮機(jī)進(jìn)出口處均安裝有溫度傳感器，可以將蒸發(fā)器和冷凝器溫度傳至儀表臺(tái)顯示出來(lái).

通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行始末電表讀數(shù)之差計(jì)算系統(tǒng)的輸入功率. 機(jī)組的輸入功率為系統(tǒng)的輸入功率減去水泵功率和房間其他用電功率，機(jī)組的輸出功率則通過(guò)蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)出口溫差進(jìn)行計(jì)算，夏季需要加上2臺(tái)水泵功率，冬季減去兩臺(tái)水泵功率. 房間負(fù)荷可以通過(guò)計(jì)算輻射盤管進(jìn)出口內(nèi)能差得到.

圖3 蒸發(fā)器進(jìn)出水溫度實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Comparison of experiment and simulation data of evaporator inlet and outlet water temperatures

3 實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果對(duì)比

整理2017年11月1日實(shí)驗(yàn)及模擬得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得圖3和圖4.

圖3和圖4中，蒸發(fā)器進(jìn)出水溫度1和冷凝器進(jìn)出水溫度1 為實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，蒸發(fā)器進(jìn)出水溫度2和冷凝器進(jìn)出水溫度2 為模擬得到的數(shù)據(jù). 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)與模擬得到的結(jié)果均在合理范圍內(nèi)變化，但實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差導(dǎo)致部分時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果略高于模擬結(jié)果. 通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線與模擬結(jié)果曲線擬合度高，說(shuō)明該模型可以應(yīng)用到研究分析中.

圖4 冷凝器進(jìn)出水溫度實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.4 Comparison of experiment and simulation data of condenser inlet and outlet water temperatures

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 土壤平均溫度變化情況

土壤初始溫度為9 ℃，每下降1 m升溫0.03 ℃，地埋管每個(gè)孔的有效換熱長(zhǎng)度為80 m，一共9個(gè)孔，兩孔中心間距為5 m，布置方式為圓柱熱源集中式. 模擬系統(tǒng)運(yùn)行1年時(shí)，室外地埋管周圍土壤溫度變化如圖5.

圖5 系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行1年土壤平均溫度變化Fig.5 Change in the average soil temperatures during a year of system continuous operation

土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行1個(gè)供暖期后，土壤平均溫度從10.4 ℃下降到6.0 ℃左右，隨后在過(guò)渡期內(nèi)溫度又平穩(wěn)回升. 到第一個(gè)供冷期時(shí)溫度上升較快，達(dá)到13.3 ℃，在第二個(gè)供暖期溫度開(kāi)始下降，并在第一年結(jié)束時(shí)降至7.8 ℃.

土壤源熱泵連續(xù)運(yùn)行5年以后土壤平均溫度變化情況如圖6. 在此連續(xù)運(yùn)行期間，系統(tǒng)周圍土壤平均溫度呈周期性波動(dòng)，其波動(dòng)曲線的波峰及波谷隨著運(yùn)行時(shí)間的增加逐漸下降，并在連續(xù)運(yùn)行5 年后下降至6.5 ℃左右.

圖6 系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行5年土壤平均溫度變化Fig.6 Change in the average soil temperatures for five consecutive years of system operation

4.2 不同容量機(jī)組模擬

對(duì)不同容量的機(jī)組選型進(jìn)行模擬時(shí)各參數(shù)設(shè)置同上一部分，鉆孔個(gè)數(shù)為12個(gè)，兩管孔中心間距為5 m，布置方式為圓柱熱源集中式. 根據(jù)建筑物負(fù)荷情況，選用容量為30、37.5、50、62.5、75 kW的機(jī)組，并模擬機(jī)組連續(xù)運(yùn)行10年的情況，研究機(jī)組選型對(duì)土壤溫度場(chǎng)和平均運(yùn)行能效比（COP）的影響.

由于建筑全年冷熱負(fù)荷差值與機(jī)組選型之間沒(méi)有關(guān)系，且經(jīng)過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)機(jī)組選型對(duì)土壤溫度的影響極小，可以忽略不計(jì). 但是如圖7所示，機(jī)組容量為37.5 kW時(shí)機(jī)組平均COP值最高，而當(dāng)機(jī)組容量大于37.5 kW時(shí)機(jī)組平均COP值隨著容量的增大而減小. 原因是機(jī)組選型對(duì)建筑負(fù)荷沒(méi)有影響，因此建筑負(fù)荷保持不變的情況下增加機(jī)組容量會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間減少，且通過(guò)室內(nèi)散熱末端向室內(nèi)傳遞熱量的過(guò)程存在延遲性，因此室內(nèi)溫度傳感器無(wú)法準(zhǔn)確判斷輸入能量是否滿足室內(nèi)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷而增加能量輸入，最終導(dǎo)致輸入能量大于設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，造成“大馬拉小車”的情況. 而且地埋管換熱器與土壤之間的換熱過(guò)程也存在延遲性，不同容量大小的機(jī)組制熱相比時(shí)，較大容量的機(jī)組蒸發(fā)器最低溫度低于較小容量的機(jī)組，這段時(shí)間對(duì)機(jī)組平均COP起主要決定作用的就是蒸發(fā)側(cè). 綜上所述，當(dāng)機(jī)組容量大于37.5 kW時(shí)，隨著機(jī)組容量的增加，機(jī)組平均COP降低，當(dāng)機(jī)組容量小于設(shè)計(jì)負(fù)荷30 kW時(shí)，則無(wú)法滿足最低溫度時(shí)的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度.

圖7 機(jī)組平均COP隨時(shí)間變化情況Fig.7 Change of unit average COP with time

從圖7中可以看出，不論任何容量的機(jī)組，平均COP都隨時(shí)間的推移而不斷降低，究其原因是長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行導(dǎo)致土壤平均溫度降低，但機(jī)組平均COP降低的幅度越來(lái)越小，則是因?yàn)橥寥纼?nèi)部的熱傳遞規(guī)律導(dǎo)致土壤溫降幅逐年減少. 因此，對(duì)土壤源熱泵機(jī)組機(jī)型選型時(shí)，應(yīng)選用大于最大熱負(fù)荷且機(jī)組容量最接近的37.5 kW時(shí)的機(jī)組，此時(shí)機(jī)組在連續(xù)運(yùn)行10年時(shí)間內(nèi)平均COP值最高.

4.3 模擬研究鉆孔數(shù)量

根據(jù)土壤物性參數(shù)對(duì)地埋管換熱器單位井深換熱量進(jìn)行設(shè)計(jì)：

式中：?Q 為土壤換熱量，W；Q 為冬季最大運(yùn)行負(fù)荷，W；P1為機(jī)組功率，W；P2為泵功率，W.

式中：q為單位井深換熱量，W；ρ 為地埋管熱損失系數(shù)，一般取1.1～1.3；L為地埋管有效換熱長(zhǎng)度，m；n為鉆孔數(shù)，個(gè)（表1）.

表1 80 m井深時(shí)每米井深換熱量所需鉆孔數(shù)Tab.1 Numbers of boreholes required for heat transfer per meter well depth at a well depth of 80 m

選擇容量37.5 kW的機(jī)組對(duì)不同鉆孔個(gè)數(shù)的系統(tǒng)10年運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，得到不同鉆孔數(shù)下土壤平均溫度和機(jī)組平均運(yùn)行COP的變化情況如圖8和圖9.

由圖8和圖9可以看出，鉆孔數(shù)對(duì)土壤平均溫度和機(jī)組平均COP的影響曲線類似，機(jī)組平均COP的大小隨著鉆孔數(shù)的增加而升高，機(jī)組運(yùn)行對(duì)土壤平均溫度的影響也隨著鉆孔數(shù)的增加而減小. 因此，從理論上講，鉆孔數(shù)越多，對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行越有利. 但是從現(xiàn)實(shí)情況看，更多的鉆孔數(shù)意味著需要更大的占地面積和更大的初始投資，故應(yīng)在資金許可的條件下盡可能多地設(shè)置鉆孔.

圖8 不同鉆孔數(shù)的地下平均溫度隨時(shí)間變化情況Fig.8 Variation of the average underground temperatures with time for different numbers of boreholes

圖9 不同鉆孔數(shù)的機(jī)組平均COP隨時(shí)間變化情況Fig.9 Changes in the average COP of units with different numbers of boreholes over time

從圖8和圖9中還可以看出，當(dāng)鉆孔達(dá)一定數(shù)量時(shí)，鉆孔數(shù)的增加對(duì)土壤平均溫度和機(jī)組平均COP的影響趨于平穩(wěn)，當(dāng)鉆孔數(shù)多于20個(gè)時(shí)，孔數(shù)的增加帶來(lái)的影響不斷降低. 而當(dāng)鉆孔數(shù)在15個(gè)以上時(shí)，能夠保證大部分時(shí)間內(nèi)機(jī)組平均COP值大于3.0，因此可以選擇15孔作為鉆孔數(shù)下限值. 綜合各種現(xiàn)實(shí)因素進(jìn)行考慮認(rèn)為，鉆孔數(shù)在15～20個(gè)最為合理. 對(duì)照通過(guò)計(jì)算得到的單位井深換熱量認(rèn)為，其在18～24 W范圍內(nèi)時(shí)更符合節(jié)能要求.

5 結(jié)論

通過(guò)TRNSYS軟件分別對(duì)給定某些參數(shù)的情況下的土壤溫度場(chǎng)、不同機(jī)組選型對(duì)機(jī)組COP的影響、不同鉆孔數(shù)的不同單位井深換熱量對(duì)土壤平均溫度和機(jī)組平均COP 的影響進(jìn)行模擬，提出如何針對(duì)機(jī)組平均COP和地下土壤平均溫度來(lái)對(duì)機(jī)組選型和地埋管設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并得出如下結(jié)論：

1）對(duì)土壤源熱泵連續(xù)運(yùn)行5年的情況進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)土壤平均溫度下降了4.9 ℃，平均每年下降1 ℃.

2）對(duì)不同容量的機(jī)組連續(xù)運(yùn)行10 年的情況進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)機(jī)組選型對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響可以忽略不計(jì)，但在滿足建筑設(shè)計(jì)熱負(fù)荷的情況下選用容量最接近37.5 kW 的機(jī)組，其連續(xù)運(yùn)行10 年內(nèi)機(jī)組平均COP最高.

3）對(duì)不同鉆孔數(shù)下機(jī)組連續(xù)運(yùn)行10年的情況進(jìn)行模擬，綜合多方面現(xiàn)實(shí)因素進(jìn)行考慮認(rèn)為，對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵地埋管換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，鉆孔數(shù)選擇15～20個(gè)，單位井深換熱量為18～24 W時(shí)，可以達(dá)到更高的平均COP和減小對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響.