帶氣冷器的二氧化碳地源熱泵系統的性能分析

葉菁菁，胡海濤，丁國良，EIKEVIK Trygve Magne

（1-上海交通大學，上海 200240；2-挪威科技大學，特隆赫姆 7491）

帶氣冷器的二氧化碳地源熱泵系統的性能分析

葉菁菁1,2，胡海濤*1，丁國良1，EIKEVIK Trygve Magne2

（1-上海交通大學，上海 200240；2-挪威科技大學，特隆赫姆 7491）

地源熱泵在夏季冷負荷高于冬季熱負荷地區運行會造成土壤熱不平衡，常年運行導致土壤溫度升高，影響地源熱泵性能。為了解決這個問題，本文提出一種帶有氣冷器的二氧化碳地源熱泵系統，建立了該系統的性能預測模型，并將該系統與傳統的地源熱泵系統進行了對比和經濟性分析。結果表明，通過將一部分排熱量利用二氧化碳氣冷器排放到空氣中，并根據溫度條件和負荷改變熱泵運行的時間表，土壤熱不平衡的問題得到了顯著的改善，在適當的運行方式下，土壤熱不平衡可以完全消除。對比發現，耦合工作的氣冷器-二氧化碳地源熱泵年運行費用比普通的R134a地源熱泵低23%，初始投資低20%。

二氧化碳；地源熱泵；氣冷器；不平衡率

0　引言

在能源問題愈發嚴峻的現在，如何減少能量消耗引發了更多的關注。每年全球的能量消耗中有40%來自建筑耗能，而這40%中的一半以上是來自于建筑中空調系統的耗能，對于高溫地區，這個比例還更高。提高空調系統的能源效率能夠有效降低全球的能量消耗［1］。

與能源問題同樣嚴峻的是環境破壞問題。作為一種高效、節能并且環保的技術，地源熱泵技術在全球范圍得到蓬勃的發展［2］，成為了目前清潔能源研究中的一個熱點。全球使用的地源熱泵系統數量近年出現急速增加，在歐洲表現尤為明顯。

在夏季冷負荷和冬季熱負荷比較平衡的地區，地源熱泵能夠表現出的能源效率，因為地下埋管換熱器能保持長期高效的瞬時熱傳遞。在氣候溫和，冷熱負荷基本平衡的地區，地源熱泵系統的 COP可以保持在 3～4，比傳統的空氣源熱泵系統高20%～30%。然而，大多數位于溫暖氣候或寒冷氣候地區的建筑并不具有平衡的冷熱負荷，溫暖地區冷負荷占主導，寒冷地區熱負荷占主導。在溫暖氣候地區，地源熱泵在一年的運行周期中向土壤排放的熱量多于從土壤中提取的熱量。這樣的熱量累積勢必會造成土壤溫度的升高，長此以往會造成地源熱泵系統性能的惡化［3］。在這種情況下，地源熱泵系統的地下換熱器的埋管面積，受到施工現場本身條件或初投資所限制。

關于地源熱泵在冷熱氣候地區面對的熱不平衡的問題的研究主要建立在對整個系統的設計上，根據所處地區的氣候條件不同，又包含了兩個方面。一是在寒冷氣候地區，利用太陽能或其他能源補充供熱［4-5］；二是在溫暖氣候地區在建筑中使用冷卻塔［6］。ZHAI等［7］在最近的一篇論文中提出了一種有效方法，既能夠減少土壤中的不平衡度，還能夠通過回熱技術和優化室內溫度設置來提高能源利用效率。利用回熱技術，土壤的不平衡率能夠從44.4%降低到16.3%，然而，上述所有研究使用的循環工質均為傳統工質。

CO2是一種無毒、不可燃的自然工質，GWP僅為1，且對臭氧層完全無危害。CO2的跨臨界循環中，放熱過程發生在超臨界壓力和溫度中。不同于普通的CO2循環，跨臨界循環不會在高溫放熱時經受容量和效率損失［8］。現代 CO2的跨臨界循環是LORENTZEN［9］在1990年首次提出的。LORENTZEN和PETTERSEN［10］研究了CO2跨臨界循環在汽車空調中的應用，ORITZ等［11］對CO2在汽車和住宅空調系統中的應用進行了理論研究。CO2跨臨界循環同樣適用于制熱設備。RITCHER等［12］的研究表明在較低的環境溫度下，使用 CO2的熱泵熱水器比使用410-A的模擬系統具有更高的制熱量。

直接膨脹式二氧化碳地源熱泵中制冷劑在水平的地下埋管換熱器中流動，在特大城市中，由于建筑需求能量高于直接膨脹式熱泵所能提供的能量，CAPPOZZA等［13］發現垂直的地下埋管換熱器更有利于減小所需的土地面積。然而，目前尚無附帶氣冷器的地源熱泵系統的研究。

本文就研究了帶有二氧化碳氣冷器的二氧化碳地源熱泵系統，應用數學模型對二氧化碳氣冷器，二氧化碳地源熱泵和目標建筑進行了建模，并模擬計算了該系統在溫暖氣候地區的運行結果，對比了系統在兩種運行方法下的性能，并與傳統的地源熱泵對比，進行了經濟性分析。

1　系統模型

1.1系統工作原理

本文研究中所使用的建筑與 YANG［14］論文中提到的上海閔行檔案館結構相似，負荷也類似。建筑采用歐式結構，建筑面積為8,000 m2。

圖 1是氣冷器-二氧化碳地源熱泵系統的示意圖，整個系統中主要包含四個主要的部件，包括地下埋管換熱器，二氧化碳氣冷器和室內空氣處理機組。系統中使用制冷量為594 kW的二氧化碳地源熱泵為系統提供能量。通過控制管路上閥門的開閉，系統能在不同的季節轉換到不同的工作模式。

圖1　氣冷器-二氧化碳地源熱泵系統示意圖

1）在制冷模式下，閥5、6、17和18關閉，閥7、8、15和16打開。熱泵中的蒸發器與室內空氣處理機組的冷卻盤管為建筑提供制冷量，冷凝器則與地下埋管換熱器和氣冷器相連。從壓縮機出口流出的超臨界制冷劑有兩條通路，一是進入氣冷器，將熱量排放到空氣中，二是進入地下埋管換熱器被冷卻。如此一來，空調系統排放的熱量被空氣和地下換熱器的循環水分擔。

2）在制熱模式下，閥7、8、15和16關閉，閥5、6、17和18打開，同時，閥11和12也關閉。蒸發器與地下埋管換熱器相連，冷凝器與室內空氣處理機組的制熱盤管為建筑提供熱量。

系統的負荷設計是根據不同地區的氣候決定的，例如，上海和廣州每月的負荷如表1所示，由于氣候不同，兩個地區的供冷時間和供熱時間不同，兩個城市 1年后土壤的不平衡率分別為 29.5%和90.2%。上海和廣州的冷負荷都遠大于熱負荷，造成的不平衡率較大，對土壤溫度的影響較為明顯。通過分析氣冷器和地源熱泵的性能和負荷可以優化；兩個部件的工作方式和時間，以達到消除不平衡率的目的。

表1　每月建筑負荷

1.2熱泵系統數學模型

壓縮機的總效率，體積效率和機械效率都是根據ORITZ等［11］針對CO2系統的推導式計算的。如下面的計算式所示，效率是和壓縮比有關的函數：

式（4）表明壓縮機功率是由CO2的質量流量，壓縮機總效率和CO2在等熵過程中焓值的變化決定的：

式中：

η——效率；

tot——總（腳標）；

vol——體積（腳標）；meth——機械（腳標）；

P——壓力；

W——功率；

hisen——等熵焓；

Vs——壓縮機容積；

N——壓縮機轉速；

ρ1——吸入密度。

1.3氣冷器數學模型

在制冷模式下，空氣和來自地下埋管換熱器的冷水同時分擔空調系統排放的熱量。對與氣冷器而言，在制冷模式下，熱泵系統中的氣冷器由來自地下埋管換熱器換熱的冷水進行冷卻，而系統外帶的空氣側氣冷器則由外界空氣進行冷卻。空氣冷卻氣冷器而言的性能是由WANG等［14-15］得到的熱傳遞遞和摩擦的關聯式預測的。

1.4地下埋管換熱器數學模型

在地下埋管周圍的土壤溫度分布可以由下式計算：

式中：

Tg——土壤溫度；

αg——土壤的熱擴散；

τ——時間；

x——計算處到打孔中心的距離。

圖2是地下埋管換熱器的示意圖，如圖中所示，U形管中的溫度分布和進水口及出水口的溫度分別計算如下［16-17］：

圖2　地下埋管換熱器示意圖

1.5主要系統指標

系統對建筑的制冷量和制熱量分別由下面兩式計算：

由空氣側提供的制冷量比例定義為空氣側氣冷器制冷量與整個系統的制冷量之比：

土地在運行一年以后的熱不平衡率被定義為：

2　模型驗證

本文使用的二氧化碳壓縮機和地下埋管換熱器模型已經得到驗證［7,18-21］。因此，本系統模型的驗證關鍵在于驗證所使用的空氣側氣冷器模型。本文中，空氣側氣冷器的模型由實驗數據驗證，包含溫度條件范圍為25 ℃～45 ℃，進口壓力為75 Bar～120 Bar，實驗數據與理論計算得到的誤差在10%以內，證明模型有效可用。表2是某模型氣冷器的實驗數據。

表2　氣冷器實驗數據

3　結果與分析

圖3對比了3種地源熱泵系統在上海的能量負荷，分別是R134a地源熱泵系統，采用間歇工作模式的氣冷器-二氧化碳地源熱泵系統和采用耦合工作模式的氣冷器-二氧化碳地源熱泵系統。從圖 3中可以看出：1）對于R134a地源熱泵，夏季室內所有排放的熱量均由地源換熱器承擔，運行1年后土壤不平衡率為 26%；2）采用間歇工作模式的氣冷器-二氧化碳地源熱泵系統，在天氣最炎熱的 8月和9月由換熱器承擔所有排放的熱量，而在5月、6月、7月和10月則由換熱器和空氣側氣冷器共同分擔空調系統排放的熱量，通過調整空氣側氣冷器分擔的排熱量大小，可以將土壤熱不平衡消除；3）采用耦合工作模式的氣冷器-二氧化碳地源熱泵系統在整個夏季都由由換熱器和空氣側氣冷器共同分擔空調系統排放的熱量，同樣可以將不平衡率降低到0。

圖3　不同地源熱泵系統的冷熱負荷對比

空氣源氣冷器在兩種運行模式下的工作時間列在表3中。在最炎熱的天氣不使用氣冷器的原因是在炎熱的條件下，空氣源氣冷器的效率低，為了保證較大的熱交換量，需要大面積的空氣源氣冷器，也就意味著增大了成本投資的金額。

表3　氣冷器的運行時間（上海）

圖4中展示了耦合運行模式下空氣側氣冷器承擔制冷量的變化對土壤不平衡率、系統初投資和系統運行費用的影響。夏季設置室內溫度為20 ℃時，在中國上海，使得土壤熱量平衡的空氣側承擔冷量比例為29.5%。而對于廣州地區，同樣條件，空氣側承擔的冷量比例為90%。

圖4　不同地區空氣源氣冷器承擔冷負荷的比例對結果的影響

在上海，當土壤達到熱平衡，初期投資也接近最低值，運行費用同樣得到大幅降低；而在廣州，土壤達到熱平衡時運行費用雖然也大大降低，然而因為需要空氣源氣冷器負擔的比例比較大，初期投資不在最低值，但依然低于傳統地源熱泵的初投資，說明通過調整空氣源氣冷器承擔冷量的比例，不僅可以使得土壤達到熱平衡，還可以大大降低運行費用，并在一定程度上降低初期投資費用。

當設計的兩種運行模式均調節空氣源承擔的冷負荷的比例，使系統運行一年后土壤仍然保持不平衡度為0的時候，對系統的兩種運行模式下的運行費用和初期投資費用進行對比，結果如表4和表5所示。從表4可以看出，兩種工作模式的帶有氣冷器的二氧化碳地源熱泵的運行費用都比普通R134a地源熱泵的運行費用低，采用耦合工作模式的系統空氣源氣冷器負擔了更多的排熱量，運行費用比R134a地源熱泵的運行費用低23%。從表5可以看出，耦合工作模式的帶有氣冷器的二氧化碳地源熱泵的投資費用都比普通R134a地源熱泵的投資費用低，采用間歇工作模式的帶有氣冷器的二氧化碳地源熱泵的投資費用則比普通R134a地源熱泵投資費用在耦合工作模式下可以降低夏季地源需要承擔的最大換熱量，有效減小投資，其初始投資費用比R134a地源熱泵的初始投資費用低20%。

表4　不同地源熱泵系統的運行費用比較

表5　不同地源熱泵系統的投資費用對比（單位：萬元）

4　結論

本文通過對二氧化碳熱泵，地下埋管換熱器和空氣源氣冷器等子模型進行數學建模，得到了帶有氣冷器的二氧化碳地源熱泵運行性能的預測模型。通過對模型的計算，得出了以下結論：

1）對于不同溫暖氣候的地區，總可以通過調節空氣源氣冷器負擔的排熱量的比例來將系統運行 1年以后土壤的不平衡率降低為 0，對于上海，這個比例為29.5%，對于廣州，這個比例為90%；

2）耦合和間歇兩種運行模式相比，采用耦合工作模式的帶氣冷器二氧化碳地源熱泵擁有更低的運行費用，并且由于耦合工作模式有助于減小地下埋管換熱器的初期投資，耦合模式工作的系統也擁有更低的初期投資；

3）在不同地區，在降低土壤不平衡率的同時，系統的運行費用均能得到大幅度降低，采用耦合工作模式的帶氣冷器二氧化碳地源熱泵就比采用R134a的普通地源熱泵運行費用低23%。

在不同地區，在降低土壤不平衡率的同時，系統的初期投資也能得到一定程度的降低，采用耦合工作模式的帶氣冷器二氧化碳地源熱泵就比采用R134a的普通地源熱泵初期投資費用低20%。

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Performance Analysis on CO2Ground Source Heat Pump with Gas Cooler

YE Jing-jing*1,2, HU Hai-tao1, Ding Guo-liang1, EIKEVIK Trygve Magne2
（1-Shanghai Jiaotong University, Dongchuan Road 800, Shanghai 200240, China；2-Norwegian University of Science and Technology, Kolbj?rnHejesvei 1B, Trondheim 7491, Norway）

Running ground source heat pump in area with more cooling load than heating load in the long run would result in thermal unbalance in soil. Soil temperature goes up and it interferes with the function of ground source heat pump（GSHP）. To solve this problem, a ground source heat pump using carbon dioxide as refrigerant is proposed, and the prediction model for the system performance was developed； the model was compared with the traditional GSHP and economic analysis was done. By using gas cooler to release heat to air and changing the operation schedule, the model can immensely improve the situation of thermal unbalance in soil. With a certain schedule it can eliminate the thermal unbalance in soil completely. Compared with the regular R134a ground source heat pump, the coupled gas cooler-ground source heat pump has lower annual operation cost by 23% and lower investment cost by 20%.

Carbon dioxide； Ground source heat pump； Gas cooler； Unbalance rate

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.103

*胡海濤（1978-），男，博士，副教授。研究方向：制冷系統及換熱器優化設計。聯系地址：上海市東川路800號，郵編：200240。聯系電話：021-34206295。E-mail：huhaitao2001@sjtu.edu.cn。