建筑日開放時間對地埋管熱泵系統性能影響

宋曉帆, 呂 建, 胡 凱

(1.天津海運職業學院,天津300073;2.天津城建大學,天津300384; 3.浙江省天正設計工程有限公司,浙江杭州310012)

1 概述

地埋管地源熱泵(簡稱地埋管熱泵)作為一種極具發展前景的可再生能源利用技術,已廣泛應用于住宅和商業建筑中,用于滿足空調負荷和提供生活熱水負荷。

目前,對地埋管熱泵的研究主要集中于理論優化和實際工程案例[1-6],對地埋管熱泵工程運行管理指導以及運行效果評價的關注較少。本文以某高校體育館地埋管熱泵系統為研究對象,利用TRNSYS軟件結合實際運行數據,仿真模擬體育館日開放時間對地埋管熱泵系統埋管區域土壤溫度、熱泵機組制冷(熱)性能的影響。

2 建筑概況與負荷模擬

2.1 建筑概況

天津某高校體育館建筑面積12 837 m2,包括比賽大廳、觀眾席及附屬用房。建筑高度18.0 m,地上4層。體育館開放時間8:00—20:00。冷熱源采用地埋管熱泵系統,室內采用風機盤管+新風系統。圍護結構傳熱系數見表1。

2.2 地埋管熱泵系統流程

地埋管熱泵系統流程見圖1。供暖期,熱泵機組制備熱水為用戶供暖,通過蒸發器吸收土壤熱量。供冷期,熱泵機組制備冷水為用戶供冷,通過冷凝器將熱量釋放至土壤。循環介質經地源側水泵在地埋管換熱器與熱泵機組間循環,冷(熱)水經用戶側水泵在熱泵機組與用戶間循環。供暖期、供冷期,用戶側水泵采取設計流量運行。為適應負荷變化,風機盤管冷(熱)水進口配置電磁三通閥,可根據負荷調節三通閥開度,調節流經風機盤管冷(熱)水流量。

表1 圍護結構傳熱系數

熱泵機組運行數量按以下規則控制:一定室外溫度下,當冷(熱)負荷大于1臺熱泵機組的制冷(熱)量能力時啟動2臺熱泵機組,反之啟動1臺熱泵機組。熱泵機組的啟停根據熱泵機組回水溫度控制:供冷期,當熱泵機組回水溫度低于11 ℃時停機,當熱泵機組回水溫度高于13 ℃時開機。供暖期,當熱泵機組回水溫度高于41 ℃時停機,當熱泵機組回水溫度低于39 ℃時開機。

圖1 地埋管熱泵系統流程

2.3 負荷模擬

選用負荷模擬軟件DeST建立體育館建筑模型,對體育館進行全年逐時負荷模擬。供冷期:6月15日至9月15日,對應起止時間為3 960～6 192 h,其中暑假(7月1日至8月25日,對應起止時間為4 344 h～5 664 h)不供冷。供暖期:11月15日至3月15日,對應起止時間為7 632 h～次年1 774 h,寒假(1月12日至2月25日,對應起止時間為264～1 320 h)及非開放時間低溫運行(保持室內溫度5 ℃)。由模擬結果可知,體育館的峰值冷負荷為1 721 kW,峰值熱負荷為1 376 kW。

2.4 設備選型

選取2臺熱泵機組,單臺額定制冷量為945.0 kW,輸入電功率為138.2 kW。單臺額定制熱量為918.4 kW,輸入電功率為194.5 kW。

水泵流量q的計算式為:

(1)

式中q——水泵流量,m3/h

K——水泵流量附加系數,取1.05

Φ——負荷,kW

Δt——供回水溫差,℃

計算地源側水泵時,峰值冷負荷條件下的地埋管換熱器負荷為1 973 kW,即式(1)中負荷為1 973 kW,地源側供回水溫差取5 ℃,由式(1)可計算得到地源側水泵流量為356.3 m3/h,并向上圓整為360.0 m3/h。計算用戶側水泵時,式(1)中負荷取峰值冷負荷(為1 721 kW),用戶側供回水溫差取5 ℃,由式(1)可計算得到用戶側水泵流量為310.8 m3/h,并向上圓整為315.0 m3/h。

根據地源側、用戶側最不利環路沿程及局部阻力、末端設備阻力、建筑高程等選取水泵揚程。地源側水泵2臺,單臺流量180 m3/h、揚程33 m、輸入電功率30 kW。用戶側水泵3臺,單臺流量105 m3/h、揚程29 m、輸入電功率22 kW。

3 地埋管熱泵系統仿真模型與驗證

3.1 仿真模型

應用TRNSYS16軟件搭建地埋管熱泵系統仿真模型,主要用到的模塊有[7]:熱泵機組模塊Type668、地埋管換熱器模塊Type557、水泵模塊、模塊Type9a、數據輸出模塊Type65c。水泵模塊根據流量要求對水泵進行控制[8]。模塊Type9a負責調用外部文件,將DeST軟件模擬的體育館全年逐時負荷導入仿真模型中。通過TRNSYS16軟件仿真平臺搭建地埋管熱泵系統仿真模型(見圖2),將各模塊進行選擇、連接、參數設置。設定埋管區域土壤初始溫度為14.9 ℃,仿真計算后通過模塊Type65c輸出地源側相關數據及熱泵機組制冷性能系數、制熱性能系數等。

3.2 仿真模型驗證

以熱泵機組制冷性能系數、地埋管進水溫度作為指標,對仿真模型準確性進行驗證。實測日期為2021年9月1日,每隔30 min記錄1次數據。

熱泵機組制冷(熱)性能系數的計算式為:

(2)

式中ICOP,c,h——熱泵機組制冷(熱)性能系數

Φc,h——冷(熱)負荷,kW

P——熱泵機組耗電功率,kW

熱泵機組制冷性能系數仿真結果、實測結果隨時間的變化見圖3。由圖3可知,熱泵機組制冷性能系數仿真結果、實測結果隨時間的變化趨勢一致。與實測結果相比,熱泵機組制冷性能系數仿真結果的最大相對誤差絕對值為5.63%,滿足工程需要。

圖2 地埋管熱泵系統仿真模型(軟件截圖)

地埋管進水溫度仿真結果、實測結果隨時間的變化見圖4。由圖4可知,地埋管進水溫度仿真結果、實測結果隨時間的變化趨勢一致。與實測結果相比,地埋管進水溫度仿真結果的最大相對誤差絕對值為12.76%。主要是地埋管熱泵系統運行初期運行不穩定造成,隨著運行時間延長,地埋管進水溫度仿真結果與實測結果差距逐漸縮小。

由以上分析可知,仿真模型準確性可以接受。

圖4 地埋管進水溫度仿真結果、實測結果 隨時間的變化

4 仿真結果與分析

4.1 日開放時間

其他條件不變,改變體育館日開放時間(見表2),對埋管區域土壤平均溫度、熱泵機組制冷(熱)性能系數進行仿真。

表2 體育館日開放時間

4.2 土壤平均溫度

不同體育館日開放時間的土壤平均溫度見圖5。由圖5可知,土壤平均溫度隨運行時間延長逐年升高。體育館日開放時間越長,土壤平均溫度越高,增長速率越大。這主要是取熱排熱不平衡造成土壤熱堆積越來越嚴重,日開放時間越長表現越明顯。

4.3 熱泵機組制冷(熱)性能系數

不同體育館日開放時間的熱泵機組制冷性能系數、制熱性能系數分別見圖6、7。由圖6可知,體育館日開放時間越短,熱泵機組制冷性能系數越高。隨著運行時間延長,不同體育館日開放時間下的熱泵機組制冷性能系數均呈下降趨勢。由圖7可知,體育館日開放時間越長,熱泵機組制熱性能系數越高。隨著運行時間延長,不同體育館日開放時間下的熱泵機組制熱性能系數均呈上升趨勢。日開放時間越長,向土壤排熱量越多,土壤溫度逐年上升,這有利于提升熱泵機組制熱能力,但限制了熱泵機組的制冷能力。

圖6 不同體育館日開放時間的熱泵機組制冷性能系數

圖7 不同體育館日開放時間的熱泵機組制熱性能系數

5 結論

① 受取熱排熱不平衡影響,體育館日開放時間越長,土壤平均溫度越高,增長速率越大。

② 日開放時間越長,向土壤排熱越多,土壤溫度逐年上升,有利于提升熱泵機組制熱能力,限制熱泵機組制冷能力。