基于TRNSYS的土壤-海水雙源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

王敬博,于慧俐,劉明輝,胡松濤,高磊

（青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東青島 266033）

0 引言

海洋中儲存著大量由太陽輻射能轉(zhuǎn)變的低品位熱能，海水溫度一般為2～25℃，非常適合作為建筑空調(diào)和海水養(yǎng)殖等的冷熱源。我國海岸線綿長，管轄海域面積約為3.0×106km2，海洋資源十分豐富，海洋能源的開發(fā)技術(shù)也日益成熟[1]～[3]。因此，作為目前有效利用海洋熱能的主要方式，海水源熱泵系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣對緩解沿海地區(qū)能源緊張，促進(jìn)新舊動能轉(zhuǎn)換具有重要意義。

海水源熱泵系統(tǒng)通常分為開式和閉式兩種。開式系統(tǒng)存在管路易被腐蝕、易被海洋生物附著和取水工程成本高等缺點(diǎn)，在工程應(yīng)用中，逐漸被閉式系統(tǒng)所取代[4]，[5]。毛細(xì)管換熱器具有傳熱性能好，價格低的特點(diǎn)，因此，常被應(yīng)用于輻射供冷系統(tǒng)中。謝東通過CFD數(shù)值模擬計算得知，毛細(xì)管的傳熱系數(shù)可達(dá)到115～120 W/（m2·K）[6]。將閉式系統(tǒng)與毛細(xì)管換熱器優(yōu)化組合構(gòu)成了毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器。周彭和張威通過實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器的能效高于95%[7]，[8]。將毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器作為海水源熱泵系統(tǒng)的前端換熱器，埋置于近岸海床中，可構(gòu)成新型閉式土壤-海水雙源熱泵系統(tǒng)。李振通過對新型閉式土壤-海水雙源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，海水源熱泵機(jī)組能效比EER可達(dá)到4.0[9]。張洪濤通過CFD數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)管換熱器的單位片面積換熱量最高可達(dá)到481.9 W/m2[10]。

目前，研究主要針對毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器的理論模擬和實(shí)驗(yàn)研究，而對以毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器為前端換熱器的海水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性的關(guān)注很少。因此，本文基于TRNSYS軟件，建立了土壤-海水雙源熱泵系統(tǒng)仿真模型，并利用實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證?；诖四Ｐ?，重點(diǎn)分析探討了毛細(xì)管內(nèi)流速、淺灘海床中海水滲流速度和變流量調(diào)節(jié)方式對毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器換熱特性和熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性影響的規(guī)律，本文研究為該系統(tǒng)的工程實(shí)踐提供了理論指導(dǎo)。

毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器布置圖如圖1所示。

圖1 毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器布置圖Fig.1 Capillary box heat exchanger diagram

1 土壤-海水雙源熱泵系統(tǒng)仿真模型的建立

為了對土壤-海水雙源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行測試，本文在青島沙子口海域搭建了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)臺，利用土壤-海水雙源熱泵系統(tǒng)為一建筑面積約為500 m2的酒店提供冷熱源。酒店的冷、熱負(fù)荷分別為53 kW和48 kW。熱泵系統(tǒng)主要分為3部分，分別為埋設(shè)于近岸海床中的前端毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器、熱泵機(jī)組和末端風(fēng)機(jī)盤管。實(shí)驗(yàn)通過超聲波流量儀、壓力表等儀器對熱泵機(jī)組及管路中的溫度、壓力、流量和熱量等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并記錄。土壤-海水雙源熱泵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)用測試儀器及參數(shù)如表1所示。

基于圖2的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)，利用TRNSYS軟件建立了土壤-海水雙源熱泵系統(tǒng)仿真模型對系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行模擬研究。仿真模型見圖3。

圖3 土壤-海水雙源熱泵系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Seawater-soil dual source heat pump system simulation model

模型中所使用的部件主要有毛細(xì)管自建模塊Type815、水泵模塊Type114、水-水熱泵模塊Type682和溫控模塊Type2b。

1.1 毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器傳熱模型建立

毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器中的毛細(xì)管傳熱過程主要包括毛細(xì)管內(nèi)流體與管壁的對流換熱，管壁與周圍海床砂土的導(dǎo)熱和海水與毛細(xì)管的對流換熱。為簡化毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器模型，本文提出如下假設(shè)：①海床砂土為均勻介質(zhì)，熱物性參數(shù)為常數(shù)；②海水為單相且熱物性為常數(shù)；③毛細(xì)管內(nèi)熱媒乙二醇水溶液熱物性參數(shù)為常數(shù)；④忽略毛細(xì)管管壁與海床砂土之間的接觸熱阻。

海床砂土中毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器的簡化傳熱過程如圖4所示。

圖4 毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器簡化傳熱過程Fig.4 Simplified heat transfer process of the capillary box heat exchanger

1.1.1 毛細(xì)管內(nèi)對流換熱熱阻

由于工質(zhì)在毛細(xì)管內(nèi)流動狀態(tài)為層流，流體工質(zhì)雷諾數(shù)Ref一般為50～350，層流換熱努塞爾Nu準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為[11]

式中：Prf為毛細(xì)管內(nèi)流體普朗特數(shù)；d為毛細(xì)管內(nèi)徑，m；l為毛細(xì)管管長，m；μw為毛細(xì)管管壁溫度為tw時的動力粘度，Pa·s；μf為流體溫度為tf時的動力粘度，Pa·s。

毛細(xì)管內(nèi)對流換熱熱阻的計算式為

式中：R1為毛細(xì)管內(nèi)對流換熱熱阻；h1為毛細(xì)管內(nèi)對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；r0為毛細(xì)管的外半徑，m；r為毛細(xì)管內(nèi)半徑；kw為毛細(xì)管導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

1.1.2 毛細(xì)管壁導(dǎo)熱熱阻

毛細(xì)管管壁導(dǎo)熱熱阻R2的計算式為

1.1.3 毛細(xì)管外對流換熱熱阻

由于毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器敷設(shè)在海床的飽和含水層中，毛細(xì)管外壁可看作被一層水膜所包裹，并通過水膜與毛細(xì)管管壁進(jìn)行對流換熱。

毛細(xì)管外海水膜努塞爾數(shù)Nus的計算式為

式中：Ras為毛細(xì)管外瑞利數(shù)；Prs為海水的普朗特數(shù)。

毛細(xì)管外部的對流換熱熱阻R3的計算式為

式中：h2為毛細(xì)管外對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；ks為海水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器總傳熱系數(shù)k的計算式為

式中：Rf為毛細(xì)管內(nèi)污垢的熱阻，考慮到毛細(xì)管為塑料材質(zhì)，無腐蝕和生物附著問題，故可取0。

毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器單位片面積換熱量的計算式為

式中：QA為毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器單位片面積換熱量，W/m2；Q為毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器總換熱量，W/m2；A為毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器總換熱面積，m2；Δt為毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器進(jìn)出口溫差，℃；n為毛細(xì)管片數(shù)，片；w為每片毛細(xì)管的寬度，m。

1.2 模型參數(shù)

依據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)情況，模型設(shè)置單根毛細(xì)管管長為2 m，毛細(xì)管內(nèi)徑為2.6 mm，毛細(xì)管管壁厚度為0.85 mm，毛細(xì)管管材為PPR管。每個毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器由50片2 m×1 m的毛細(xì)管網(wǎng)組成，每片毛細(xì)管網(wǎng)共有48根毛細(xì)管，毛細(xì)管網(wǎng)總面積為1 000 m2，埋深為0.5 m。毛細(xì)管內(nèi)介質(zhì)是濃度為30%的乙二醇水溶液。海床中含水層的滲流速度為20.74 m/d。

本文模型中各材料物性參數(shù)如表2所示。

表2 材料物性參數(shù)Table 2 Physical properties of materials

2 模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，將實(shí)驗(yàn)中測得的毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器工質(zhì)入口處的溫度作為模型中毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器模塊的輸入值，計算得到毛細(xì)管出口處溫度。毛細(xì)管出口處溫度的實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比圖如圖5所示。

圖5 毛細(xì)管出口處溫度的實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比Fig.5 Comparison of experimental and simulated capillary outlet temperature

由圖5可知，毛細(xì)管出口處溫度的模擬值略大于實(shí)驗(yàn)值，模擬值與實(shí)驗(yàn)值間的最大相對誤差為9.66%，相對誤差均值為6.35%，這說明模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合性較好，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 毛細(xì)管內(nèi)流速的影響

本文分別選取0.03，0.06，0.08，0.1，0.15 m/s和0.2 m/s 6個不同毛細(xì)管內(nèi)流速，分析了毛細(xì)管內(nèi)流速對毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器單位片面積換熱量的影響，具體結(jié)果如圖6所示。由圖可知，在冬季和夏季，毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器的單位片面積換熱量均隨毛細(xì)管內(nèi)流速的增加而增加。當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)流速由0.03 m/s增加到0.2 m/s時，冬季，毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器的單位片面積換熱量由40.1 W/m2增大到44.1 W/m2，增幅為9%；夏季，毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器的單位片面積換熱量由65.8 W/m2增大到70.8 W/m2，增幅為7%。

圖6 毛細(xì)管內(nèi)流速對單位片面積換熱量的影響Fig.6 Variation trend of heat transfer per unit area under different flow velocity in the capillary

毛細(xì)管內(nèi)流速對熱泵機(jī)組和系統(tǒng)性能系數(shù)的影響如圖7所示。

圖7 毛細(xì)管內(nèi)流速對熱泵機(jī)組和系統(tǒng)性能系數(shù)的影響Fig.7 Variation trend of heat pump unit and system performance coefficient under different flow velocity in the capillary

由圖7可知，熱泵機(jī)組的COP/EER隨著毛細(xì)管內(nèi)流速的增大呈上升趨勢。其中，毛細(xì)管內(nèi)流速為0.03～0.06 m/s時的增幅較大；毛細(xì)管內(nèi)流速為0.06～0.2 m/s時的增幅小于5%。整體來看，冬季熱泵機(jī)組COP上升約8%；夏季熱泵機(jī)組EER上升約5%。系統(tǒng)COP/EER隨著毛細(xì)管內(nèi)流速的增大呈下降趨勢，冬季系統(tǒng)COP下降約4%，夏季系統(tǒng)EER下降約3%。這是因?yàn)殡S著毛細(xì)管內(nèi)流速的增大，毛細(xì)管內(nèi)流動熱阻減小，導(dǎo)致毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器換熱量增加，毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器換熱量的增加提高了熱泵機(jī)組能效比。同時，毛細(xì)管內(nèi)流速的增加增大了系統(tǒng)的能耗，導(dǎo)致系統(tǒng)性能系數(shù)下降。由圖7還可以看出，當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)流速為0.06～0.10 m/s時，熱泵機(jī)組和系統(tǒng)的能效比較高。因此，工程應(yīng)用中推薦毛細(xì)管內(nèi)流速為0.06～0.10 m/s。

3.2 滲流速度影響

換熱器埋置區(qū)域海床含水層滲流流速的變化會影響毛細(xì)管網(wǎng)管外對流換熱熱阻，毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器埋置海床回填材料的物性參數(shù)決定了含水層滲流速度的大小，本文選取了粉砂、細(xì)砂、粗砂和礫石4種工程用砂土，上述砂土的物性參數(shù)如表3所示。

表3 不同砂子的物性參數(shù)Table 3 Physical parameters of different sands

圖8為毛細(xì)管的單位片面積換熱量隨滲流速度的變化情況。

圖8 毛細(xì)管的單位片面積換熱量隨滲流速度的變化情況Fig.8 Variation trend of heat transfer per unit area under different flow rates

由圖8可知，毛細(xì)管的單位片面積換熱量與滲流速度呈正相關(guān)。冬季，滲流速度為0時，毛細(xì)管的單位片面積換熱量最小，為26.6 W/m2；滲流速度為120.96 m/d時，毛細(xì)管的單位片面積換熱量最大，為51.8 W/m2，增幅為114%。夏季，毛細(xì)管的單位片面積換熱量最小值為35.5 W/m2，最大值為78.3 W/m2，增幅為121%。

圖9為滲流速度對熱泵機(jī)組及系統(tǒng)性能系數(shù)的影響。

圖9 滲流速度對熱泵機(jī)組及系統(tǒng)性能系數(shù)的影響Fig.9 Variation trend of heat pump unit and system performance coefficient under different seepage velocity

由圖9可知，熱泵機(jī)組和系統(tǒng)性能與滲流速度呈正相關(guān)。冬季，熱泵機(jī)組COP的最小值為2.83，最大值為4.35，增幅為34.5%；系統(tǒng)COP的最小值為2.13，最大值為3.65，增幅為41.6%。夏季，熱泵機(jī)組EER的最小值為3.31，最大值為4.96，增幅為33.4%；系統(tǒng)EER的最小值為2.58，最大值為4.24，增幅為39.1%。

增大換熱器周圍的滲流速度，有利于土壤-海水雙源熱泵系統(tǒng)的換熱量和熱泵性能系數(shù)的提升。但由于礫石具有棱角尖銳的特性，長期受海浪切應(yīng)力的影響造成毛細(xì)管管材磨損，且當(dāng)?shù)[石的滲流速度為120 m/d，粗砂為20.75 m/d時，換熱量提升幅度分別為121%和91%，與滲流速度相比，換熱量的提升幅度較小，因此，選擇粗砂作為回填材料更具有實(shí)際應(yīng)用價值。在工程實(shí)際應(yīng)用中，建議回填材料應(yīng)結(jié)合材料特性選擇滲流系數(shù)較大、導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料。

3.3 變流量控制方式影響

建筑負(fù)荷受室外氣象參數(shù)影響，因此，系統(tǒng)實(shí)際所需流量往往小于最大設(shè)計值。為了便于調(diào)節(jié)，工程上通常將網(wǎng)箱分成若干組，負(fù)荷不同時開啟的組數(shù)不同。系統(tǒng)運(yùn)行時，由于各網(wǎng)箱支路的阻抗恒定不變，因此，毛細(xì)管網(wǎng)的特性曲線不會隨流量發(fā)生變化，這更利于使用變流量調(diào)節(jié)的方法調(diào)節(jié)毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器流量。本實(shí)驗(yàn)臺的毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器共配置10個毛細(xì)管網(wǎng)箱，每2個毛細(xì)管網(wǎng)箱并聯(lián)在一組。毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器的供回水集管與機(jī)房的分集水器相連，在模擬時設(shè)置了全定速泵控制和全變速泵控制兩種控制形式。其中，全變速泵控制是通過加裝變頻器來實(shí)現(xiàn)。

圖10為模擬過程中源側(cè)水泵連接形式。

圖10 源側(cè)水泵連接形式Fig.10 Connection form of the water pumps

圖11為供暖季，不同流變量調(diào)節(jié)形式下，系統(tǒng)和熱泵機(jī)組COP隨負(fù)荷率的變化情況。

圖11 不同流變量調(diào)節(jié)形式下系統(tǒng)和熱泵機(jī)組COP隨負(fù)荷率的變化情況Fig.11 Variation trend of COP with load rate under different flow variable adjustment forms

由圖11可知，隨著負(fù)荷率的下降，熱泵機(jī)組和系統(tǒng)COP均呈降低趨勢。同一負(fù)荷率下，定速泵機(jī)組COP高于變速泵機(jī)組，變速泵控制下的系統(tǒng)（簡稱為變速泵系統(tǒng)）COP整體高于定速泵控制下的系統(tǒng)（簡稱為定速泵系統(tǒng)），變速泵系統(tǒng)COP比定速泵系統(tǒng)平均高2.1%。這是由于毛細(xì)管的單位片面積換熱量與毛細(xì)管內(nèi)流速為非線性相關(guān)，流量的減少對換熱量的影響很小，雖然熱泵機(jī)組的能耗稍有增加，但卻可以有效降低水泵的功耗?；诠┡镜呢?fù)荷時間頻率，通過計算得到，與定速泵系統(tǒng)相比，變速泵系統(tǒng)中水泵能耗減少了798 kW·h，水泵節(jié)能率為33%，總能耗降低了598 kW·h，總節(jié)電率為2%。由于P∝Q3，在接入部分負(fù)荷時，通過調(diào)節(jié)換熱器開啟組可以提高熱泵機(jī)組效率，通過變頻調(diào)節(jié)可以使水泵在高效區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行，有效降低水泵能耗，提升系統(tǒng)COP。

4 結(jié)論

本文基于TRNSYS軟件，對土壤-海水雙源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究，分析了不同因素下，毛細(xì)管網(wǎng)箱換熱器換熱量和熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性，主要結(jié)論如下。

①在層流范圍內(nèi)增大毛細(xì)管內(nèi)流速，可以增強(qiáng)毛細(xì)管內(nèi)對流換熱，但增幅很小，僅為8%左右，同時增大了流動阻力，增加了水泵功耗，降低了系統(tǒng)COP。因此，在工程應(yīng)用中，將毛細(xì)管內(nèi)流速設(shè)定為0.06～0.12 m/s。

②通過改變回填材料，增大海水在砂土中的滲流速度，可以顯著強(qiáng)化傳熱，提升幅度約為50%，熱泵機(jī)組和系統(tǒng)COP提高34%以上。因此，在工程應(yīng)用中，應(yīng)選擇滲流系數(shù)大、導(dǎo)熱系數(shù)高的砂土作為換熱器的回填材料。

③由于各分組網(wǎng)箱的阻力特性不變，這有利于進(jìn)行變流量調(diào)節(jié)控制。因此，水泵的變頻調(diào)節(jié)優(yōu)于定頻調(diào)節(jié)，其中，系統(tǒng)COP平均提高了2.1%，水泵能耗減少了798 kW·h，水泵節(jié)能率為33%，總能耗減少了598 kW·h，總節(jié)電率為2%。