李心儀 李麗偉 田會(huì)珍

上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院

0 引言

地源熱泵作為可再生能源技術(shù)，具有綠色環(huán)保、系統(tǒng)性能及可靠性較高，且可靈活聯(lián)合多種輔助裝置等特點(diǎn)，在建筑供暖與制冷空調(diào)中的應(yīng)用日益增多[1，2],復(fù)合的功能也不斷增加。近年來出現(xiàn)的溫濕獨(dú)立控制熱泵空調(diào)系統(tǒng)適用于夏季炎熱、漫長且潮濕的南方地區(qū)辦公樓建筑，它是在傳統(tǒng)地源熱泵空調(diào)基礎(chǔ)上附加了一套溶液除濕裝置，其空調(diào)末端和除濕裝置分別調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)的溫度及濕度，可有效凈化室內(nèi)空氣、提高體感舒適性[3]。

同時(shí)，存在兩大突出問題制約著系統(tǒng)的運(yùn)行性能及成本。一方面，非寒冷地區(qū)特別是夏季炎熱的南方等地，由于夏季冷負(fù)荷大于冬季熱負(fù)荷，導(dǎo)致冬夏兩季對(duì)地下土壤的送熱量和取熱量不平衡，長期運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生土壤熱堆積，影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率及能耗。另一方面，系統(tǒng)由于溶液除濕裝置的初安裝，以及后續(xù)除濕劑再生需要一定熱量供給，將導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)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(dāng)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(diào)控的客觀因素[5]。對(duì)于后者若能將熱泵機(jī)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(huán)節(jié)，以期更好地滿足實(shí)用要求。本文結(jié)合地埋管間距及逆工況運(yùn)行探討溫濕獨(dú)立控制熱泵空調(diào)系統(tǒng)土壤熱堆積緩解及節(jié)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(nèi)空調(diào)工作時(shí)間的特殊性，即大部分為白天工作，夜晚停機(jī)。為緩解土壤熱堆積，方案著重結(jié)合了溫濕獨(dú)立控制地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)自身特點(diǎn)及運(yùn)行工況。在濕熱的南方地區(qū)辦公樓，采用該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度及濕度的單獨(dú)調(diào)節(jié)，空調(diào)末端控制溫度、除濕裝置調(diào)節(jié)濕度。但采用溶液除濕法，運(yùn)行一定時(shí)間后，除濕劑會(huì)由濃變稀，若不加處理將影響后續(xù)循環(huán)的除濕效果。通過加熱稀溶液使其恢復(fù)濃度可實(shí)現(xiàn)除濕劑的再生，而濃溶液再生所需熱量若能由熱泵機(jī)組余熱提供，同時(shí)還可以間接緩解冷熱負(fù)荷的不平衡、降低能耗與成本?？紤]到熱泵機(jī)組的余熱可基于系統(tǒng)運(yùn)行逆工況獲得，方案擬結(jié)合地埋管間距調(diào)整及逆工況運(yùn)行緩解土壤熱堆積、降低系統(tǒng)能耗。如圖1所示，以夏季運(yùn)行為例，熱泵機(jī)組白天運(yùn)行工況，向空調(diào)末端和除濕裝置提供冷負(fù)荷用于制冷和除濕，此過程中溶液變稀。夜晚在低電價(jià)時(shí)段運(yùn)行冬季工況(即逆工況)，機(jī)組通過埋管換熱器吸收土壤中多余的熱量，產(chǎn)生高溫?zé)嵩从糜诔凉駝┫∪芤涸偕鸀闈馊芤?，以備后續(xù)循環(huán)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(yōu)于傳統(tǒng)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)能效、溫濕獨(dú)立控制熱泵空調(diào)系統(tǒng)的逆工況運(yùn)行時(shí)段及相對(duì)較小鉆孔間距值，以此緩解土壤熱堆積、提高熱泵機(jī)組的性能參數(shù)、降低能耗。

圖1 土壤熱堆積緩解方案

2 系統(tǒng)建模與驗(yàn)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(duì)象，基于準(zhǔn)三維模型，假設(shè)各個(gè)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(tài)溫度，℃；

ql—瞬態(tài)熱流；

λ—土壤導(dǎo)熱系數(shù)。

2)埋管外壁與鉆孔壁的導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)，W/( )m·K ；

rb—鉆孔內(nèi)部軸心沿軸向的距離，m。

3)兩個(gè)鉆孔間埋管內(nèi)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(duì)流換熱系數(shù)，W/(m ·℃) ；

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

2.2 熱泵系統(tǒng)Trnsys模型

以上海某地區(qū)辦公樓為應(yīng)用對(duì)象[7]，建立溫濕獨(dú)立控制的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)Trnsys模型，如圖2所示。模型中主要包括埋管換熱器、熱泵機(jī)組、空調(diào)末端、溶液系統(tǒng)、控制器和計(jì)算器模塊。根據(jù)實(shí)際建筑物的冷熱負(fù)荷、干濕溫度、埋管選型、以及選型熱泵機(jī)組的制熱、制冷量等性能指標(biāo)選擇Type-557a埋管換熱器、Type-668水-水式熱泵機(jī)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(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)，鉆孔間距、深度、數(shù)量，建筑物逐時(shí)濕負(fù)荷，熱泵的額定制熱、制冷量以及熱泵的數(shù)量等參數(shù)，依據(jù)熱量的流動(dòng)關(guān)系、質(zhì)量的流動(dòng)關(guān)系或時(shí)間啟停裝置等進(jìn)行連接。

圖2 溫濕獨(dú)立控制地源熱泵系統(tǒng)Trnsys模型

熱泵機(jī)組的COP可通過擬合的方式來獲得[8]：先通過計(jì)算得到選型熱泵機(jī)組在不同埋管出水溫度下的COP，然后進(jìn)行模擬埋管出水溫度與COP的差分，最后利用Matlab編程計(jì)算得到熱泵進(jìn)水溫度與COP的二次關(guān)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(fā)器、冷凝器進(jìn)水溫度，℃。

熱泵機(jī)組性能評(píng)判指標(biāo)之一為機(jī)組耗電量，根據(jù)上述熱泵性能模型可以得出熱泵機(jī)組耗電量為：

式中：w—熱泵運(yùn)行期間耗電量，kWh；

Qi—i時(shí)刻的制冷量或制熱量，W；

COPi—熱泵在i時(shí)刻的能效比；

t—設(shè)定的時(shí)間步長，s。

2.3 數(shù)值參數(shù)及模型驗(yàn)證

2.3.1 U型管

以垂直單U型地埋管換熱器為研究對(duì)象，管群設(shè)計(jì)為5×9形式，根據(jù)地源熱泵設(shè)計(jì)規(guī)范[9]，選擇HDPE 管，傳熱系數(shù)為 0．512W/m．k，管外徑32mm,管內(nèi)徑26mm，長度為120m，管內(nèi)循環(huán)液為水，管內(nèi)設(shè)計(jì)流速為1m/s。

2.3.2 土壤熱物性

設(shè)置初始土壤溫度為18．5℃，土壤熱物性及其他參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 土壤熱物性參數(shù)

2.3.3 模型驗(yàn)證

根據(jù)文獻(xiàn)[7]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)模擬，基本參數(shù)：孔深60m，鉆孔直徑110mm，單U型埋管，管外徑32mm,管內(nèi)徑26mm，管間距為4．5m，回填材料導(dǎo)熱系數(shù)為 2．66W/( )m·K ，土壤導(dǎo)熱系數(shù)為2．4W/( )m·K ，通過仿真獲得地埋管出水溫度并與其實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。由結(jié)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(shí)際運(yùn)行過程中也會(huì)產(chǎn)生熱量，從而影響了埋管內(nèi)流體溫度，使模擬值比實(shí)測(cè)值低。二者的溫度變化趨勢(shì)基本一致。

圖3 埋管出水溫度模擬值與文獻(xiàn)實(shí)測(cè)值

3 運(yùn)行結(jié)果及分析

3.1 系統(tǒng)逆工況運(yùn)行最佳時(shí)段確定

3.1.1 逆工況最短時(shí)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(shè)定逆工況運(yùn)行于低電價(jià)的夜間，開啟時(shí)間22:00～6:00，分別取1至8h的時(shí)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(duì)應(yīng)于該范圍內(nèi)以1m為間隔的每一鉆孔間距，模擬溫濕獨(dú)立控制地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行10年后在不同逆工況時(shí)長下的土壤平均溫度、COP以及制冷季熱泵機(jī)組能耗，見圖4。

由圖4可見，隨著逆工況運(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)長的增加，單位孔深換熱量會(huì)隨之降低，從而促進(jìn)了土壤溫度的恢復(fù)。系統(tǒng)COP呈現(xiàn)先增長后趨于平緩的趨勢(shì)，在時(shí)長為1h和2h時(shí)相對(duì)較低。機(jī)組的能耗逐漸增加，因長時(shí)間運(yùn)行逆工況，機(jī)組的性能系數(shù)相對(duì)較高，白天機(jī)組的耗功更低，但大大增加了機(jī)組在夜晚逆工況運(yùn)行時(shí)的耗功，以致機(jī)組能耗大幅度上升。綜合考慮這三種因素，選擇3h為機(jī)組逆工況運(yùn)行時(shí)長。

圖4 各鉆孔間距不同的逆工況時(shí)長下土壤平均溫度、COP及機(jī)組能耗

3.1.2 逆工況最佳時(shí)間段

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

綜上，在機(jī)組運(yùn)行10年后，對(duì)應(yīng)于時(shí)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(tǒng)COP相較于其他兩個(gè)時(shí)段更高，機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)效率更高、能耗低，有利于降低運(yùn)行成本。因此，本系統(tǒng)選定時(shí)段3:00-6:00為最佳的逆工況運(yùn)行時(shí)段。

圖5 各鉆孔間距在不同逆工況時(shí)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(tǒng)對(duì)比

考慮不同鉆孔間距下，對(duì)比分析基于逆工況最佳時(shí)段運(yùn)行的溫濕獨(dú)立控制地源熱泵及普通地源熱泵的系統(tǒng)參數(shù)。圖6為不同鉆孔間距下兩系統(tǒng)運(yùn)行10年埋管周圍土壤的溫升。從圖6可以看出：系統(tǒng)運(yùn)行10年后，隨著鉆孔間距的增大，兩系統(tǒng)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(nèi)，溫濕獨(dú)立控制地源熱泵系統(tǒng)周熱泵系統(tǒng)的445 896kWh，降低了25 226kWh，這是由于溫濕度獨(dú)立控制的地源熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)更高，熱泵機(jī)組的運(yùn)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(dú)立控制地源熱泵系統(tǒng)中，可以達(dá)到鉆孔間距為6m的大間距普通地源熱泵系統(tǒng)對(duì)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(shù)更高。

圖6 不同鉆孔間距下兩種系統(tǒng)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(tǒng)更低，這是由于夜晚溫濕獨(dú)立控制地源熱泵系統(tǒng)通過運(yùn)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(tǒng)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(dú)立控制地源熱泵系統(tǒng)與普通地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行10年后各個(gè)參數(shù)的對(duì)比，從表中可以看出：在3m～6m的鉆孔間距范圍內(nèi)，雖然溫濕獨(dú)立控制的地源熱泵系統(tǒng)在鉆孔間距為3m時(shí)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(tǒng)的最低土壤平均溫度—鉆孔間距為6m時(shí)的22．613℃。由于溫濕獨(dú)立控制的地源熱泵系統(tǒng)只需排除建筑物內(nèi)的顯熱負(fù)荷，可以利用高溫冷源代替普通地源熱泵系統(tǒng)所需的低溫冷源，所以溫濕獨(dú)立控制的地源熱泵的性能系數(shù)更高，最高COP為4．765。鉆孔間距為4m～5m的溫濕獨(dú)立控制地源熱泵系統(tǒng)相對(duì)于鉆孔間距為6m的普通地源熱泵系統(tǒng)能耗更低，最低為420 670kWh，相對(duì)于普通地源

表2 兩種熱泵系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

1)綜合考慮土壤平均溫度、COP及熱泵機(jī)組能耗三個(gè)因素，逆工況時(shí)長為3h時(shí)更好，且在3點(diǎn)到6點(diǎn)的時(shí)段下，相對(duì)于其他兩個(gè)時(shí)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(nèi)，溫濕獨(dú)立控制的地源熱泵系統(tǒng)和普通地源熱泵系統(tǒng)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(dú)立控制地源熱泵系統(tǒng)中土壤溫升都比鉆孔間距為6m的普通地源熱泵系統(tǒng)低，對(duì)土壤的熱堆積緩解能力更好，最大溫升僅為1．648℃，且熱泵機(jī)組的COP相對(duì)更高，能耗更低，最高可降低25 226kWh。