兩種不同形式復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)能耗研究

王 雷 王勁柏

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兩種不同形式復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)能耗研究

王 雷1王勁柏2

（1.中信建筑設(shè)計研究總院有限公司 武漢 430014； 2.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 430074）

提出一種新型的太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)，利用Fluent軟件對該系統(tǒng)以及冷卻塔輔助冷卻地源熱泵系統(tǒng)進行兩年仿真計算。分析各系統(tǒng)夏季、冬季以及全年的能耗特性，發(fā)現(xiàn)新型的太陽能輔助系統(tǒng)比輔助冷卻系統(tǒng)要節(jié)能，特別是冬季的節(jié)能優(yōu)勢明顯。另一方面，這種新型太陽能輔助系統(tǒng)造成地下土壤溫度波動較大。

太陽能輔助；Fluent；地源熱泵；冷卻塔；能耗

0 引言

目前，在夏熱冬冷地區(qū)常用的地源熱泵系統(tǒng)主要有兩種：一種是常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是完全以地下土壤作為冷熱源來實現(xiàn)制冷和供熱。由于該地區(qū)夏季負荷高于冬季負荷，并且夏季土壤還要承擔(dān)制冷機組以及水泵等設(shè)備的散熱量[1]，長年運行會使地埋管周圍土壤溫度越來越高，機組效率會逐漸下降；同時也會增加系統(tǒng)初投資，降低其市場競爭力[2,3]。另一種是帶冷卻塔輔助冷卻的地源熱泵系統(tǒng)，利用冷卻塔作為夏季的輔助冷源，可以在一定程度上解決冷熱不平衡的問題，但是降低了系統(tǒng)冬季的運行效率。盡管如此，在冷負荷占優(yōu)的地區(qū)，輔助冷卻系統(tǒng)逐漸成為地源熱泵應(yīng)用的主要形式。

另一方面，地源熱泵系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)的節(jié)能優(yōu)勢是在冬季，夏季節(jié)能是不明顯的[1]，冬季節(jié)能潛力如何也有待進一步研究。針對這一點，為了強化冬季換熱，同時兼顧夏季制冷，本文提出供熱節(jié)能優(yōu)先的復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)[4,5]，利用Fluent對這種系統(tǒng)以及冷卻塔輔助冷卻地源熱泵系統(tǒng)進行兩年的全年模擬計算，分析各自的能耗特性以及地下土壤溫度場的分布情況。

1 系統(tǒng)及其運行模式

1.1 冷卻塔輔助冷卻地源熱泵系統(tǒng)

輔助冷卻地源熱泵系統(tǒng)是利用冷卻塔作為系統(tǒng)的輔助冷源，由熱泵機組、冷卻塔、地埋管組成。在夏季利用冷卻塔與地埋管換熱器聯(lián)合運行，可以減少對地下土壤的影響，實現(xiàn)冷卻塔與地埋管都能高效運行。根據(jù)冷卻塔與地埋管的連接方式，可分為串聯(lián)運行和并聯(lián)運行兩種。本文采用的并聯(lián)運行，冷卻塔與地埋管間歇運行，互不影響，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 輔助冷卻系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)運行模式為：夏季雙U地埋管串聯(lián)后與冷卻塔并聯(lián)運行，實現(xiàn)供冷；冬季地埋管與機組連接進行供暖；秋季及春季機組不運行，地埋管進行自循環(huán)，地下土壤溫度可以得到有效恢復(fù)。

根據(jù)所給建筑全年負荷分布特性，對冷卻塔采取簡單的時間控制的方式。

表1 間歇運行時間

1.2 供熱節(jié)能優(yōu)先的復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)

供熱節(jié)能優(yōu)先的復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)（以下簡稱太陽能輔助系統(tǒng)）在輔助冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一套太陽能集熱器裝置。由于太陽能是不穩(wěn)定的，因此太陽能用于對地下土壤加熱。該系統(tǒng)考慮了地源熱泵系統(tǒng)冬季節(jié)能的優(yōu)勢，利用地下土壤的蓄能特性，在秋季過渡季將太陽能灌入地下，提前對土壤加熱；冬季機組供熱的同時，繼續(xù)對地下土壤加熱。為了減少對夏季的影響，春季對地下提前進行預(yù)冷?？蓪崿F(xiàn)夏季制冷，冬季供熱，秋季（春季）過渡季對地下土壤進預(yù)熱（預(yù)冷）。該系統(tǒng)由熱泵機組、地埋管換熱器、冷卻塔以及太陽能集熱器組成。系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 太陽能輔助系統(tǒng)原理示意圖

系統(tǒng)運行模式為：夏季地埋管與冷卻塔并聯(lián)制冷，其中冷卻塔控制方式與輔助冷卻系統(tǒng)相同；秋季利用輔助系統(tǒng)（太陽能集熱器+地埋管）對地下進行預(yù)熱；冬季主系統(tǒng)（熱泵機組+地埋管）制熱，輔助系統(tǒng)同時加熱地下土壤；春季利用冷卻塔在夜間對地下進行預(yù)冷。

2 模型的建立

2.1 地埋管換熱器模型

利用Fluent前處理器Gambit建立雙U型地埋管換熱器模型，并進行網(wǎng)格劃分，模型如圖3所示。本文建立模型的幾何參數(shù)為：U型管尺寸DN32，豎直部分深60m，U型管兩管中心距180mm；回填井深61m，直徑300mm；土壤半徑3m。

建立幾何模型時要注意的是網(wǎng)格的劃分問題?？紤]到溫度場沿豎直方向變化不大，所以在豎直方向網(wǎng)格劃分較疏；在水平徑向，靠近U型管管壁以及回填部分的網(wǎng)格較密，遠離壁面的則較疏。對于U型管彎管部分，這部分換熱比較復(fù)雜，采取的是加密網(wǎng)格的方法。

圖3 地埋管幾何模型

將幾何模型導(dǎo)入Fluent后，邊界條件和初始條件的設(shè)置是很關(guān)鍵的。U型管進口inlet定義為velocity-inlet，即給定進口介質(zhì)溫度和速度條件。地埋管開啟時管內(nèi)流體設(shè)為0.5m/s，停止時為0.00001m/s；管內(nèi)流體初始溫度為288K，地埋管運行時入口溫度為機組出口溫度，停止時直接將地埋管出口溫度賦給入口。地埋管啟停的控制以及溫度的設(shè)置都是通過編寫的UDF實現(xiàn)的。由于U型地埋管換熱器較長且埋管深度較大，因此可以消除部分外部擾動對進口邊界的影響，進口溫度主要受機組換熱功率的影響。參考文獻[6]，U型管進口邊界條件：

in()=out()±[()/] （1）

制冷時取正號，供暖時取負號。

式中，im()為U型管某一時刻進口溫度，℃；out()為U型管某一時刻出口溫度，℃；Q為下?lián)Q熱器某一時刻換熱功率，kW；為U型管中介質(zhì)比熱，kJ/(kg·℃)；為U型管中介質(zhì)質(zhì)量，kg。

出口ouelet定義為outflow充分發(fā)展流動。土壤遠邊界為絕熱邊界，U型管內(nèi)的介質(zhì)、U型管壁、回填材料以及土壤這些幾何體的交界面為耦合傳熱邊界。

2.2 其他部件模型

冷卻塔模型采用Merkel焓差算法，主要涉及兩個無因次特性參數(shù)()和冷卻數(shù)()，通過建立兩者的平衡關(guān)系，輸出冷卻塔出口溫度。

太陽能集熱器模型在這里作了簡化，通過統(tǒng)計冬季供熱季（12月14日至2月28日）中所有日照的天數(shù)，將這些天各個小時的太陽輻射量取平均值，可以得到冬季某天太陽輻射小時平均值。根據(jù)瞬時效率方程可得到集熱器出口流體溫度。

本文采用Gordan[7]的冷凍機組功耗模型，課題組金香菊同學(xué)對該模型作了較為詳細的描述[8]，并根據(jù)廠家提供的冷凍機組樣本數(shù)據(jù)，擬合出了機組的功耗模型，本文直接應(yīng)用此模型。

2.3 系統(tǒng)模型的耦合

建立各個部件模型之后，在Fluent求解器中，可以通過編寫UDF用戶自定義函數(shù)將不同的部件模型組合在一起，建立所需要的系統(tǒng)模型，具體的耦合形式如圖4所示。

圖4 地源熱泵系統(tǒng)各模型耦合示意圖

3 仿真結(jié)果

3.1 第一年機組功耗

第一年夏季輔助冷卻系統(tǒng)與太陽能系統(tǒng)是一致的，如圖5所示。夏季機組總功耗為183739.4kWh。

圖5 第一年夏季機組功耗

圖6 第一年冬季機組功耗

圖6是冬季的情況，太陽能輔助系統(tǒng)要低于輔助冷卻系統(tǒng)，太陽能輔助系統(tǒng)機組總功耗為59811kWh，輔助冷卻系統(tǒng)為68839.6kWh，比太陽能輔助系統(tǒng)高15.1%。

太陽能輔助系統(tǒng)第一年機組總功耗為243550.4kWh，輔助冷卻系統(tǒng)為252578.9kWh，比太陽能系統(tǒng)高3.7%。

3.2 第二年機組功耗

圖7，圖8分別給出了第二年夏季和冬季兩個系統(tǒng)的機組功耗情況。可以看到，第二年夏季機組功耗是太陽能輔助系統(tǒng)要高，冬季與第一年趨勢相似，只是太陽能輔助系統(tǒng)相比輔助冷卻系統(tǒng)，功耗降低的幅度加大了。其中，輔助冷卻系統(tǒng)夏季機組總功耗為181212.2kWh，冬季為69945.1kWh；太陽能輔助系統(tǒng)夏季為194401.8kWh，比前者系統(tǒng)高出7.2%，冬季為54384.2kWh，節(jié)省了28.6%。

第二年全年機組功耗：輔助冷卻系統(tǒng)為251157.5kWh，太陽能輔助系統(tǒng)為248786kWh，比輔助冷卻系統(tǒng)少1%。

圖7 第二年夏季機組功耗

圖8 第二年冬季機組功耗

3.3 地下溫度分布情況

圖9給出的是兩個系統(tǒng)在各個季節(jié)運行結(jié)束后地下土壤的平均溫度。

冷卻塔輔助冷卻地源熱泵系統(tǒng)第一年從地下取熱量為5027.5kW，第二年取熱4982.2kW，兩年共取熱100009.7kW，運行結(jié)束后土壤平均溫度為286.8K，比初始溫度降低1.2℃。

太陽能輔助系統(tǒng)第一年向地下灌熱量為18425.8kW，運行結(jié)束后地下土壤平均溫度為291.2K，比初始溫度升高了3.2℃；第二年向地下灌熱量為15324.1kW，結(jié)束后土壤溫度為293.9℃，溫度升高了2.7℃。兩年總灌熱量為33749.9kW，兩年運行結(jié)束溫度升高了5.9℃。

圖9 各個季節(jié)結(jié)束時地下土壤平均溫度

4 結(jié)論

（1）對比兩種復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)不同季節(jié)以及全年的機組功耗，太陽能系統(tǒng)冬季效率要高于輔助冷卻系統(tǒng)，特別是第二年；夏季則是相反的。由于武漢地區(qū)夏季制冷季很長，全年機組功耗中夏季占的比例較大，導(dǎo)致太陽能輔助系統(tǒng)全年節(jié)能優(yōu)勢相比冬季降低很多。并且，太陽能輔助系統(tǒng)全年機組功耗有逐年上升的趨勢，而輔助冷卻系統(tǒng)則有降低趨勢。

（2）輔助冷卻系統(tǒng)解決了夏季灌熱量大于冬季取熱量的問題，全年土壤平均溫度有所降低。太陽能輔助系統(tǒng)不但沒有解決熱堆積問題，反而加劇了熱積累，地下土壤溫度有較大幅度升高。

（3）在模擬時，對輔助冷熱源的控制都是采用的時間控制，如果根據(jù)氣候條件、熱泵機組以及地埋管的效率特性對控制條件進行合理優(yōu)化，太陽能輔助系統(tǒng)的全年節(jié)能優(yōu)勢會更明顯。

[1] 馬宏權(quán),龍惟定.地埋管地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡[J].暖通空調(diào),2009,39(1):102-106.

[2] 遲玉霞,王景剛,鮑玲玲.復(fù)合地源熱泵間歇運行時地溫恢復(fù)特性的研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2007,26(5): 52-54.

[3] 王侃宏,董呈娟,李保玉.太陽能輔助地源熱泵供熱的可行性研究[J].節(jié)能,2006,(3):33-35,58.

[4] 代洪浪.基于FLUENT地源熱泵系統(tǒng)仿真[D].武漢:華中科技大學(xué),2008.

[5] 楊文廣.武漢地區(qū)不同形式地源熱泵系統(tǒng)能耗研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2008.

[6] 黃俊惠,時曉燕,唐志偉.地源熱泵U型管地下?lián)Q熱器的準三維模型[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,9(5):51

[7] Gordon J M, Kim Choon Ng, Hui Tong Chua. Centrifugal chillers: hermo dynamic modeling and a diagnostic case study[J]. International Journal of Refrigeration, 1995.

[8] 金香菊,王勁柏,別毅.利用低品位余熱的冷凍站節(jié)能技術(shù)[C].中國制冷學(xué)會2007學(xué)術(shù)年會論文集,2007:370-374.

A Study on Energy Efficiency Performance of two Different Hybrid Ground Source Heat Pump Systems

Wang Lei1Wang Jinbo2

( 1.CITIC General Institute of Architectural Design and Research Co., Ltd, Wuhan, 430014; 2.Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074 )

This paper proposes a new kind of solar-assisted ground-source heat pump system(SA-GSHPS), using Fluent to simulate this system and the cooling tower cooling-assisted ground-source heat pump system(CA-GSHPS), which the period is two years. Analyzed the energy consumption performance in summer, winter and the all year, the result showed that the SA-GSHP had more energy-saving advantages than the CA-GSHPS, especially in the winter. On the other hand, the temperature of underground soil had great changes after run the new SA-GSHPS.

solar-assisted; Fluent; Ground Source Heat Pump; cooling tower; energy consumption

1671-6612（2018）06-631-05

TK529

A

王 雷（1985.11-），女，碩士，中級工程師，E-mail：273047387@qq.com

2018-02-26