溫濕獨立控制地源熱泵的熱堆積緩解及能耗分析

李心儀 李麗偉 田會珍

上海電力大學能源與機械工程學院

0 引言

地源熱泵作為可再生能源技術，具有綠色環保、系統性能及可靠性較高，且可靈活聯合多種輔助裝置等特點，在建筑供暖與制冷空調中的應用日益增多[1，2],復合的功能也不斷增加。近年來出現的溫濕獨立控制熱泵空調系統適用于夏季炎熱、漫長且潮濕的南方地區辦公樓建筑，它是在傳統地源熱泵空調基礎上附加了一套溶液除濕裝置，其空調末端和除濕裝置分別調節建筑室內的溫度及濕度，可有效凈化室內空氣、提高體感舒適性[3]。

同時，存在兩大突出問題制約著系統的運行性能及成本。一方面，非寒冷地區特別是夏季炎熱的南方等地，由于夏季冷負荷大于冬季熱負荷，導致冬夏兩季對地下土壤的送熱量和取熱量不平衡，長期運行會產生土壤熱堆積，影響系統的運行效率及能耗。另一方面，系統由于溶液除濕裝置的初安裝，以及后續除濕劑再生需要一定熱量供給，將導致系統運行成本的增加[4]。考慮前者，鉆孔間距和土壤吸放熱差等是影響土壤熱堆積的重要因素，鉆孔間距增大，傳熱效果得到改善，熱累積量得以減小，但隨之占地面積也將增大，這與當前日益緊張的建筑用地形成了矛盾，此外土壤吸放熱差是很難直接調控的客觀因素[5]。對于后者若能將熱泵機組余熱用于除濕劑的再生，則既能降低能耗及成本，又可間接減小土壤吸放熱差。

綜上所述，緩解地源熱泵土壤熱堆積，需要兼顧占地、能耗及成本等多方面、多環節，以期更好地滿足實用要求。本文結合地埋管間距及逆工況運行探討溫濕獨立控制熱泵空調系統土壤熱堆積緩解及節能降耗方案的可行性。

1 土壤熱堆積緩解方案

考慮到辦公樓內空調工作時間的特殊性，即大部分為白天工作，夜晚停機。為緩解土壤熱堆積，方案著重結合了溫濕獨立控制地源熱泵空調系統自身特點及運行工況。在濕熱的南方地區辦公樓，采用該系統的優勢在于可實現室內溫度及濕度的單獨調節，空調末端控制溫度、除濕裝置調節濕度。但采用溶液除濕法，運行一定時間后，除濕劑會由濃變稀，若不加處理將影響后續循環的除濕效果。通過加熱稀溶液使其恢復濃度可實現除濕劑的再生，而濃溶液再生所需熱量若能由熱泵機組余熱提供，同時還可以間接緩解冷熱負荷的不平衡、降低能耗與成本?？紤]到熱泵機組的余熱可基于系統運行逆工況獲得，方案擬結合地埋管間距調整及逆工況運行緩解土壤熱堆積、降低系統能耗。如圖1所示，以夏季運行為例，熱泵機組白天運行工況，向空調末端和除濕裝置提供冷負荷用于制冷和除濕，此過程中溶液變稀。夜晚在低電價時段運行冬季工況(即逆工況)，機組通過埋管換熱器吸收土壤中多余的熱量，產生高溫熱源用于除濕劑稀溶液再生為濃溶液，以備后續循環使用。為有效緩解土壤中累積的熱量，基于此方案，兼顧占地面積及能耗，尋求優于傳統地源熱泵空調系統能效、溫濕獨立控制熱泵空調系統的逆工況運行時段及相對較小鉆孔間距值，以此緩解土壤熱堆積、提高熱泵機組的性能參數、降低能耗。

圖1 土壤熱堆積緩解方案

2 系統建模與驗證

2.1 地埋管傳熱模型

本文以單U型地埋管換熱器作為研究對象，基于準三維模型，假設各個鉆孔的傳熱條件、埋管特性相同；忽略各部分接觸熱阻；忽略地下水及地表溫度的影響[6]。

1)單鉆孔與周圍土壤的傳熱控制方程：

式中：r—鉆孔半徑，m；

ρ—土壤密度，kg/m3；

C—土壤熱容，J/(m3·℃) ；

Tl—瞬態溫度，℃；

ql—瞬態熱流；

λ—土壤導熱系數。

2)埋管外壁與鉆孔壁的導熱方程為：

式中：ρb—回填材料密度，kg/m3；

Cb—回填材料比熱容，W/m3；

λb—回填材料導熱系數，W/( )m·K ；

rb—鉆孔內部軸心沿軸向的距離，m。

3)兩個鉆孔間埋管內流體與周圍土壤之間的換熱方程：

式中：q—單位體積換熱量，W/m3；

Cf—流體體積比熱容，J/(m3·℃) ；

qf—流體流速，m3/s；

Tb—鉆孔壁溫，℃；

d—鉆孔間距，m；

H—鉆孔深度，m；

αP為流體與鉆孔壁之間的對流換熱系數，W/(m ·℃) ；

Tfin，Tfout—地埋管進、出水溫度，℃。其中Tfout= β·Tfin+(1 -β)Tb；

2.2 熱泵系統Trnsys模型

以上海某地區辦公樓為應用對象[7]，建立溫濕獨立控制的地源熱泵空調系統Trnsys模型，如圖2所示。模型中主要包括埋管換熱器、熱泵機組、空調末端、溶液系統、控制器和計算器模塊。根據實際建筑物的冷熱負荷、干濕溫度、埋管選型、以及選型熱泵機組的制熱、制冷量等性能指標選擇Type-557a埋管換熱器、Type-668水-水式熱泵機組、marco溶液除濕組合模塊等部件，通過輸入埋管換熱器的形狀參數、導熱系數，鉆孔間距、深度、數量，建筑物逐時濕負荷，熱泵的額定制熱、制冷量以及熱泵的數量等參數，依據熱量的流動關系、質量的流動關系或時間啟停裝置等進行連接。

圖2 溫濕獨立控制地源熱泵系統Trnsys模型

熱泵機組的COP可通過擬合的方式來獲得[8]：先通過計算得到選型熱泵機組在不同埋管出水溫度下的COP，然后進行模擬埋管出水溫度與COP的差分，最后利用Matlab編程計算得到熱泵進水溫度與COP的二次關系式：

式中：Qheating，Qcooling—模型的制熱、制冷能力，KJ/hr；

Pheating，Pcooling—制熱、制冷模型中熱泵的功率，KJ/hr；

Tfin，Tfin'—熱泵蒸發器、冷凝器進水溫度，℃。

熱泵機組性能評判指標之一為機組耗電量，根據上述熱泵性能模型可以得出熱泵機組耗電量為：

式中：w—熱泵運行期間耗電量，kWh；

Qi—i時刻的制冷量或制熱量，W；

COPi—熱泵在i時刻的能效比；

t—設定的時間步長，s。

2.3 數值參數及模型驗證

2.3.1 U型管

以垂直單U型地埋管換熱器為研究對象，管群設計為5×9形式，根據地源熱泵設計規范[9]，選擇HDPE 管，傳熱系數為 0．512W/m．k，管外徑32mm,管內徑26mm，長度為120m，管內循環液為水，管內設計流速為1m/s。

2.3.2 土壤熱物性

設置初始土壤溫度為18．5℃，土壤熱物性及其他參數設置見表1。

表1 土壤熱物性參數

2.3.3 模型驗證

根據文獻[7]中的實驗數據進行系統模擬，基本參數：孔深60m，鉆孔直徑110mm，單U型埋管，管外徑32mm,管內徑26mm，管間距為4．5m，回填材料導熱系數為 2．66W/( )m·K ，土壤導熱系數為2．4W/( )m·K ，通過仿真獲得地埋管出水溫度并與其實測值進行對比，如圖3所示。由結果可知：兩者最大溫差為0．7℃，造成誤差的原因可能是模擬過程忽略了水泵在實際運行過程中也會產生熱量，從而影響了埋管內流體溫度，使模擬值比實測值低。二者的溫度變化趨勢基本一致。

圖3 埋管出水溫度模擬值與文獻實測值

3 運行結果及分析

3.1 系統逆工況運行最佳時段確定

3.1.1 逆工況最短時長

由于除濕液再生所需的總熱量相同，所以逆工況每天從土壤中提取的熱量總量相同，為120kWh，設定逆工況運行于低電價的夜間，開啟時間22:00～6:00，分別取1至8h的時長(均從22：00開始選取)。大量研究表明，各類地源熱泵能有效緩解熱堆積的鉆孔間距范圍為3m～6m[10]。為此，對應于該范圍內以1m為間隔的每一鉆孔間距，模擬溫濕獨立控制地源熱泵空調系統運行10年后在不同逆工況時長下的土壤平均溫度、COP以及制冷季熱泵機組能耗，見圖4。

由圖4可見，隨著逆工況運行時長的增加，不同鉆孔間距的埋管換熱器周圍土壤的平均溫度都隨之降低，在1h-2h下降速度較快，在3h趨于平緩，這是由于在埋管換熱器吸熱量一定的情況下，隨著逆工況運行時長的增加，單位孔深換熱量會隨之降低，從而促進了土壤溫度的恢復。系統COP呈現先增長后趨于平緩的趨勢，在時長為1h和2h時相對較低。機組的能耗逐漸增加，因長時間運行逆工況，機組的性能系數相對較高，白天機組的耗功更低，但大大增加了機組在夜晚逆工況運行時的耗功，以致機組能耗大幅度上升。綜合考慮這三種因素，選擇3h為機組逆工況運行時長。

圖4 各鉆孔間距不同的逆工況時長下土壤平均溫度、COP及機組能耗

3.1.2 逆工況最佳時間段

基于所確定逆工況最短時長，分析在相同時長下，不同逆工況時段對緩解土壤熱堆積的影響。將22:00-6:00分為三個不同時段：22:00-1:00，24:00-3:00，3:00-6:00。圖5為溫濕獨立控制地源熱泵空調系統運行10年后在逆工況不同時段下的土壤平均溫度、COP以及制冷季熱泵機組能耗圖。從圖5可以看出：土壤平均溫度最低點時段在3:00-6:00，為 18．727℃ ，最 高 點 時 段 在 22:00-1:00，為22．588℃；制熱、制冷COP最高值都出現在3:00-6:00時段分別為4．815和2．82，最低值都出現時段在 22:00-1:00 為 4．482 和 2．39；能耗最大值時段在22:00-1:00，為571 058kWh，最低值時段在 3:00-6:00，為409 206kWh。

綜上，在機組運行10年后，對應于時段3:00-6:00的土壤平均溫度更低，土壤中的熱量堆積更少，系統COP相較于其他兩個時段更高，機組的運轉效率更高、能耗低，有利于降低運行成本。因此，本系統選定時段3:00-6:00為最佳的逆工況運行時段。

圖5 各鉆孔間距在不同逆工況時段下的土壤平均溫度、COP及能耗

3.2 不同鉆孔間距下兩種熱泵系統對比

考慮不同鉆孔間距下，對比分析基于逆工況最佳時段運行的溫濕獨立控制地源熱泵及普通地源熱泵的系統參數。圖6為不同鉆孔間距下兩系統運行10年埋管周圍土壤的溫升。從圖6可以看出：系統運行10年后，隨著鉆孔間距的增大，兩系統周圍的土壤平均溫度都有明顯的降低，且在鉆孔間距為3m～6m的范圍內，溫濕獨立控制地源熱泵系統周熱泵系統的445 896kWh，降低了25 226kWh，這是由于溫濕度獨立控制的地源熱泵系統的性能系數更高，熱泵機組的運行效率得到提高，能耗也就隨之降低。

綜上所述,在鉆孔間距為4m～5m的小間距溫濕獨立控制地源熱泵系統中，可以達到鉆孔間距為6m的大間距普通地源熱泵系統對土壤熱堆積的緩解能力，且周圍土壤平均溫度和能耗較低，性能系數更高。

圖6 不同鉆孔間距下兩種系統的土壤溫升

圍土壤溫升都比鉆孔間距為6m的普通地源熱泵系統更低，這是由于夜晚溫濕獨立控制地源熱泵系統通過運行逆工況，吸收白天釋放的多余熱量，相較于普通地源熱泵系統的自然散熱，可以有效地緩解土壤中的熱堆積。

表2為溫濕獨立控制地源熱泵系統與普通地源熱泵系統運行10年后各個參數的對比，從表中可以看出：在3m～6m的鉆孔間距范圍內，雖然溫濕獨立控制的地源熱泵系統在鉆孔間距為3m時土壤平均溫度最高，為21．785℃，但也明顯低于普通地源熱泵系統的最低土壤平均溫度—鉆孔間距為6m時的22．613℃。由于溫濕獨立控制的地源熱泵系統只需排除建筑物內的顯熱負荷，可以利用高溫冷源代替普通地源熱泵系統所需的低溫冷源，所以溫濕獨立控制的地源熱泵的性能系數更高，最高COP為4．765。鉆孔間距為4m～5m的溫濕獨立控制地源熱泵系統相對于鉆孔間距為6m的普通地源熱泵系統能耗更低，最低為420 670kWh，相對于普通地源

表2 兩種熱泵系統參數對比

4 結論

1)綜合考慮土壤平均溫度、COP及熱泵機組能耗三個因素，逆工況時長為3h時更好，且在3點到6點的時段下，相對于其他兩個時段土壤平均溫度和能耗更低，分別為18．727℃和409 206kWh；

2)在3m～6m的鉆孔間距范圍內，溫濕獨立控制的地源熱泵系統和普通地源熱泵系統埋管周圍的土壤溫升、能耗都隨著鉆孔間距的增大而逐漸降低，且減小的幅度也在趨于平緩。

3)在鉆孔間距為4m～5m的溫濕獨立控制地源熱泵系統中土壤溫升都比鉆孔間距為6m的普通地源熱泵系統低，對土壤的熱堆積緩解能力更好，最大溫升僅為1．648℃，且熱泵機組的COP相對更高，能耗更低，最高可降低25 226kWh。