基于TRNSYS輔助冷卻土壤源熱泵系統性能研究

方晨睿，袁安冬，王海濤 （安徽建筑大學環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601）

0 前言

近年來，為了逐步實現“碳達峰、碳中和”目標，土壤源熱泵就作為一種具有節能潛力的空調技術得到了越來越多的認可與應用。為了克服這一單一冷熱源給發展帶來的局限性，冷卻塔與土壤源熱泵耦合的復合式土壤源熱泵成為大勢所趨，它在一定程度解決了土壤源熱泵常年運行導致的土壤的熱失衡，且在能源效益、環境效益與經濟效益上都有較明顯的優勢[1]～[3]。

目前國內外對于復合式土壤源熱泵都進行過大量的研究，通過對冷卻塔進行控制來獲得更高的COP，并且很好地實現土壤的熱平衡。Zhijian Liu等[4]比較了傳統的地源熱泵（GSHP）和冷卻塔耦合地源熱泵系統（HGSHP），HGSHP的性能系數增加了7.12%，在運行的一年中，耗電量減少了6.40%，在運行十年中，埋管的出口溫度低于32°C。對冷卻塔的控制方式有很多種，可以調節冷卻塔的輸入容量，Xuemei Gong等[5]利用Trnsys軟件建立了一個HGSHP系統，通過模擬和實驗發現，當冷卻塔輸入功率的比例大于50%，并且在不同的運行時間有不同的輸入功率時，土壤熱累積可以得到有效緩解。其次，可以讓冷卻塔間歇運行或者晝夜交替運行，陳大建等[6]提出，冷卻塔間歇運行的間隔越小，輔助釋放的熱量越大，運行和停機時間之比為1：1的運行條件比1：2的運行條件更容易提高機組的性能系數。埋管與冷卻塔晝夜交替運行，可以有效地幫助地面溫度以后的恢復。或者可以將冷卻塔與地埋管串聯、并聯、單獨連接和混合連接，李營等[7]提出以上四種連接方式，并得出針對天津辦公建筑空調系統利用混合連接的溫差與負荷控制，能耗低，土壤溫度變化小。

在固定負載比的輔助冷卻方法中，地埋管是主要的冷源，而冷卻塔則承擔了夏季的多余負荷。由于埋管滿足冬季的熱負荷，那么冷卻塔就主要起到削峰作用。就串聯而言，FLR為0.5，表明制冷季50%的高峰冷負荷由冷卻塔承擔。當每小時冷負荷超過峰值冷負荷的50%時，系統將與冷卻塔同時運行。本文以FLR作為輔助散熱的控制方式，熱泵系統運行10年COP、土壤溫度、系統能耗作為目標函數，通過trnsys軟件對某土壤源熱泵-冷卻塔復合系統性能進行研究。

1 建筑負荷特性分析

由圖1與表1可知，由于該辦公建筑較大，人員密度、設備、燈光等內熱源所占負荷較大，系統運行10年建筑的耗冷量遠大于耗熱量。用普通的土壤源熱泵系統已經很難實現土壤熱平衡，所以采用固定負載比控制冷卻塔進行輔助散熱。

圖1 全年逐時負荷圖

某辦公建筑冷熱負荷 表1

2 系統數學模型

2.1 熱泵機組type225[8]

Type225采用的是兩種半經驗模型DOE-2模型和多元多項式回歸模型。DOE-2模型中使用的是冷水機組模型，熱泵機組也可以使用這個模型。機組全負荷運行，制冷量CAPmax由下式可得

式中：Me蒸發器側水的流量，kg/h；Mc冷凝器側水的流量，kg/h；To蒸發器側的出水溫度，℃;Ti冷凝器側的回水溫度，℃。

式中：CAPo額定工況下全負荷運行的制冷量；CAPr實際工況下制冷量的修正系數;rme蒸發器的實際水流量與額定水流量之間的比；rmc冷凝器的實際水流量與額定水流量之間的比;rTo蒸發器實際出水溫度與額定出水溫度的比值；rTi冷凝器實際回水溫度與額定回水溫度的比值。當蒸發器側出口水溫To恒定，制冷量由下式確定:

式中：Q建筑需要的制冷量；C流體比熱容；?t蒸發器側供水和回水的溫度差。

熱泵機組部分負荷率PLR如式：

熱泵機組的輸入功率與Me,Mc,To,Ti以及PLR有關：

式中：Po在額定工況下機組輸入的功率；Pr1在滿負荷運行下機組輸入功率的修正系數；Pr2在部分負荷運行下機組輸入功率的修正系數。

得到冷凝器側出水溫度Tco:

土壤源熱泵機組COP：

參考DOE-2，由經驗公式可給出CAPr、Pr1、Pr2：

2.2 地埋管換熱器模型type557[10]

地埋管模塊在軟件中為Type557，該模塊采用DST（Duct Ground Heat Storage）模型，它將整個計算區分為兩個區域：巖土區和蓄熱區，只考慮鉆孔間距的作用，在該模型中假設相鄰兩個鉆孔之間的距離相同，鉆孔呈中心對稱分布。由于每個鉆孔都有自己相應的熱響應區，已知熱響應區的面積呈現為一個正六邊形。因此，如果每個鉆孔的熱響應區面積為Ap，則由圖中幾何關系可得：，利用圓形來無限逼近正六邊形，且設圓半徑為ri，則有關系式所以ri=0.525B，熱儲存區的體積為Vi=πNbH(0.525B)2。

2.3 冷卻塔模型[9]

已知冷卻塔中的散熱量由兩部分組成：①冷卻水和空氣之間的溫差引起的顯熱交換；②由水的蒸發造成的質量損失所散失的熱量。

3 固定負載比控制冷卻塔散熱方式系統設計

本系統配備了兩臺冷卻塔輔助土壤源熱泵機組進行散熱，設計讓第一臺冷卻塔承擔不同百分比的冷負荷，改變固定負載比，第二臺冷卻塔隨著機組同步啟停。系統設計圖如圖2。

圖2 固定負載比控制土壤源熱泵-冷卻塔散熱系統

4 模擬結果分析

4.1 系統運行10年土壤溫度變化

冷卻塔負責削峰運行，讓第一臺冷卻塔分別承擔50%、55%、60%的冷負荷（即當負荷大于725kW、650kW、580kW時開啟冷卻塔），固定負載比（FLR）分別為0.5、0.55、0.6。第二臺冷卻塔隨著機組同步啟停。

本設計初始土壤溫度為21.3℃，由圖3可知，土壤溫度在三種不同負載比下10年內變化都不是很大，但相較來說，負載比為0.55時土壤溫度的變化幅度最小，十年后土壤的溫度只達到21.75℃，只增加了0.45℃，冷卻塔與地埋管散熱比為1.53:1，是串聯情況下散熱最優的固定負載比。

圖3 固定負載比控制10年土壤溫度

4.2 系統運行10年COP變化

從圖4-圖7和表2可以得出，固定負載比控制方式下，FLR0.5與FLR0.6時，COP大小較FLR0.55時最高可高出12.3%和7.6%。且FLR為0.5時，冷卻塔與地埋管散熱比為0.99:1，冷卻塔承擔了全部負荷的49.7%，隨著時間推移，COP在不斷下降；FLR為0.6時，冷卻塔承擔了全部負荷的69.6%，隨著時間推移，COP反而在升高，而FLR為0.55時，冷卻塔承擔了全部負荷的60.5%時，COP基本保持不變。

圖4 固定負載比控制10年系統COP

圖5 FLR0.5第1年和第10年COP

圖6 FLR0.55第1年和第10年COP

圖7 FLR0.6第1年和第10年COP

不同FLR時系統綜合參數對比 表2

這表明了，冷卻塔承擔的負荷超過60.5%時，機組的COP會隨著冷卻塔承擔的負荷比增加而增加，此時主要依靠冷卻塔散熱，地埋管與土壤之間換熱量減少，那么土壤的熱量堆積效應也會減少，并且土壤源熱泵系統前期的運行效率是比冷卻塔的運行效率要高的，也就意味著，土壤溫度的下降是由于此時的制冷效率提升，地埋管向土壤放熱量減少，相比冬天取熱量主要依靠地埋管導致制熱量主要來源于地埋管從土壤取熱，土壤取熱量隨著時間推移不斷上升，土壤溫度就會逐年下降，會造成土壤溫度無法恢復。雖然地埋管與地面的熱交換減少了，但冷卻塔的功耗卻增加了，這也導致了總能耗的增加和地埋管出口溫度的升高，降低了整個系統的性能，不利于長期穩定運行。

冷卻塔承擔負荷低于60.5%時，系統主要是土壤源熱泵承擔換熱量，冷卻塔功耗減小，從第一年的起點來看，土壤源熱泵前期的運行效率是較高的，但隨著時間延長在不斷下降，土壤溫度十年上升了2.9℃，說明了此時土壤熱堆積較為嚴重，冷卻塔沒有完全發揮輔助散熱的作用，運行效率是很低的，這直接導致整個系統的效率都不會升高，對長期運行并不有利。

FLR為0.55時，COP無明顯上升或下降的趨勢，運行十年的COP均保持在5.8左右，土壤溫度十年只升高0.4℃，那么它就不會造成土壤熱不平衡現象發生，即制冷效率與制熱效率都不會隨著時間延長而發生明顯的上升或下降。綜上所述，系統的運行在冷卻塔輔助散熱占比為60.5%，即FLR為0.55時，運行效率更加穩定，有利于長期運行。

5 結論

本文利用trnsys模擬軟件建立了復合土壤源熱泵系統，分析了固定負載比控制冷卻塔的輔助散熱方式時系統的性能，得到如下結論：

①利用固定負載比控制冷卻塔啟停可以很好地控制冷卻塔進行削峰運行，但能耗相對較高；

②FLR=0.55時，系統綜合性能最好，平均能耗、土壤溫度變化幅度都較低，土壤溫度10年最多只增加了0.4℃，COP值保持為5.8左右，長期運行有利于維持熱泵系統的性能。