葉菁菁，胡海濤，丁國良，EIKEVIK Trygve Magne

（1-上海交通大學(xué)，上海 200240；2-挪威科技大學(xué)，特隆赫姆 7491）

帶氣冷器的二氧化碳地源熱泵系統(tǒng)的性能分析

葉菁菁1,2，胡海濤*1，丁國良1，EIKEVIK Trygve Magne2

（1-上海交通大學(xué)，上海 200240；2-挪威科技大學(xué)，特隆赫姆 7491）

地源熱泵在夏季冷負(fù)荷高于冬季熱負(fù)荷地區(qū)運(yùn)行會造成土壤熱不平衡，常年運(yùn)行導(dǎo)致土壤溫度升高，影響地源熱泵性能。為了解決這個問題，本文提出一種帶有氣冷器的二氧化碳地源熱泵系統(tǒng)，建立了該系統(tǒng)的性能預(yù)測模型，并將該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了對比和經(jīng)濟(jì)性分析。結(jié)果表明，通過將一部分排熱量利用二氧化碳?xì)饫淦髋欧诺娇諝庵校⒏鶕?jù)溫度條件和負(fù)荷改變熱泵運(yùn)行的時間表，土壤熱不平衡的問題得到了顯著的改善，在適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行方式下，土壤熱不平衡可以完全消除。對比發(fā)現(xiàn)，耦合工作的氣冷器-二氧化碳地源熱泵年運(yùn)行費(fèi)用比普通的R134a地源熱泵低23%，初始投資低20%。

二氧化碳；地源熱泵；氣冷器；不平衡率

0　引言

在能源問題愈發(fā)嚴(yán)峻的現(xiàn)在，如何減少能量消耗引發(fā)了更多的關(guān)注。每年全球的能量消耗中有40%來自建筑耗能，而這40%中的一半以上是來自于建筑中空調(diào)系統(tǒng)的耗能，對于高溫地區(qū)，這個比例還更高。提高空調(diào)系統(tǒng)的能源效率能夠有效降低全球的能量消耗［1］。

與能源問題同樣嚴(yán)峻的是環(huán)境破壞問題。作為一種高效、節(jié)能并且環(huán)保的技術(shù)，地源熱泵技術(shù)在全球范圍得到蓬勃的發(fā)展［2］，成為了目前清潔能源研究中的一個熱點。全球使用的地源熱泵系統(tǒng)數(shù)量近年出現(xiàn)急速增加，在歐洲表現(xiàn)尤為明顯。

在夏季冷負(fù)荷和冬季熱負(fù)荷比較平衡的地區(qū)，地源熱泵能夠表現(xiàn)出的能源效率，因為地下埋管換熱器能保持長期高效的瞬時熱傳遞。在氣候溫和，冷熱負(fù)荷基本平衡的地區(qū)，地源熱泵系統(tǒng)的 COP可以保持在 3～4，比傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)高20%～30%。然而，大多數(shù)位于溫暖氣候或寒冷氣候地區(qū)的建筑并不具有平衡的冷熱負(fù)荷，溫暖地區(qū)冷負(fù)荷占主導(dǎo)，寒冷地區(qū)熱負(fù)荷占主導(dǎo)。在溫暖氣候地區(qū)，地源熱泵在一年的運(yùn)行周期中向土壤排放的熱量多于從土壤中提取的熱量。這樣的熱量累積勢必會造成土壤溫度的升高，長此以往會造成地源熱泵系統(tǒng)性能的惡化［3］。在這種情況下，地源熱泵系統(tǒng)的地下?lián)Q熱器的埋管面積，受到施工現(xiàn)場本身條件或初投資所限制。

關(guān)于地源熱泵在冷熱氣候地區(qū)面對的熱不平衡的問題的研究主要建立在對整個系統(tǒng)的設(shè)計上，根據(jù)所處地區(qū)的氣候條件不同，又包含了兩個方面。一是在寒冷氣候地區(qū)，利用太陽能或其他能源補(bǔ)充供熱［4-5］；二是在溫暖氣候地區(qū)在建筑中使用冷卻塔［6］。ZHAI等［7］在最近的一篇論文中提出了一種有效方法，既能夠減少土壤中的不平衡度，還能夠通過回?zé)峒夹g(shù)和優(yōu)化室內(nèi)溫度設(shè)置來提高能源利用效率。利用回?zé)峒夹g(shù)，土壤的不平衡率能夠從44.4%降低到16.3%，然而，上述所有研究使用的循環(huán)工質(zhì)均為傳統(tǒng)工質(zhì)。

CO2是一種無毒、不可燃的自然工質(zhì)，GWP僅為1，且對臭氧層完全無危害。CO2的跨臨界循環(huán)中，放熱過程發(fā)生在超臨界壓力和溫度中。不同于普通的CO2循環(huán)，跨臨界循環(huán)不會在高溫放熱時經(jīng)受容量和效率損失［8］?，F(xiàn)代 CO2的跨臨界循環(huán)是LORENTZEN［9］在1990年首次提出的。LORENTZEN和PETTERSEN［10］研究了CO2跨臨界循環(huán)在汽車空調(diào)中的應(yīng)用，ORITZ等［11］對CO2在汽車和住宅空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了理論研究。CO2跨臨界循環(huán)同樣適用于制熱設(shè)備。RITCHER等［12］的研究表明在較低的環(huán)境溫度下，使用 CO2的熱泵熱水器比使用410-A的模擬系統(tǒng)具有更高的制熱量。

直接膨脹式二氧化碳地源熱泵中制冷劑在水平的地下埋管換熱器中流動，在特大城市中，由于建筑需求能量高于直接膨脹式熱泵所能提供的能量，CAPPOZZA等［13］發(fā)現(xiàn)垂直的地下埋管換熱器更有利于減小所需的土地面積。然而，目前尚無附帶氣冷器的地源熱泵系統(tǒng)的研究。

本文就研究了帶有二氧化碳?xì)饫淦鞯亩趸嫉卦礋岜孟到y(tǒng)，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對二氧化碳?xì)饫淦?，二氧化碳地源熱泵和目?biāo)建筑進(jìn)行了建模，并模擬計算了該系統(tǒng)在溫暖氣候地區(qū)的運(yùn)行結(jié)果，對比了系統(tǒng)在兩種運(yùn)行方法下的性能，并與傳統(tǒng)的地源熱泵對比，進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。

1　系統(tǒng)模型

1.1系統(tǒng)工作原理

本文研究中所使用的建筑與 YANG［14］論文中提到的上海閔行檔案館結(jié)構(gòu)相似，負(fù)荷也類似。建筑采用歐式結(jié)構(gòu)，建筑面積為8,000 m2。

圖 1是氣冷器-二氧化碳地源熱泵系統(tǒng)的示意圖，整個系統(tǒng)中主要包含四個主要的部件，包括地下埋管換熱器，二氧化碳?xì)饫淦骱褪覂?nèi)空氣處理機(jī)組。系統(tǒng)中使用制冷量為594 kW的二氧化碳地源熱泵為系統(tǒng)提供能量。通過控制管路上閥門的開閉，系統(tǒng)能在不同的季節(jié)轉(zhuǎn)換到不同的工作模式。

圖1　氣冷器-二氧化碳地源熱泵系統(tǒng)示意圖

1）在制冷模式下，閥5、6、17和18關(guān)閉，閥7、8、15和16打開。熱泵中的蒸發(fā)器與室內(nèi)空氣處理機(jī)組的冷卻盤管為建筑提供制冷量，冷凝器則與地下埋管換熱器和氣冷器相連。從壓縮機(jī)出口流出的超臨界制冷劑有兩條通路，一是進(jìn)入氣冷器，將熱量排放到空氣中，二是進(jìn)入地下埋管換熱器被冷卻。如此一來，空調(diào)系統(tǒng)排放的熱量被空氣和地下?lián)Q熱器的循環(huán)水分擔(dān)。

2）在制熱模式下，閥7、8、15和16關(guān)閉，閥5、6、17和18打開，同時，閥11和12也關(guān)閉。蒸發(fā)器與地下埋管換熱器相連，冷凝器與室內(nèi)空氣處理機(jī)組的制熱盤管為建筑提供熱量。

系統(tǒng)的負(fù)荷設(shè)計是根據(jù)不同地區(qū)的氣候決定的，例如，上海和廣州每月的負(fù)荷如表1所示，由于氣候不同，兩個地區(qū)的供冷時間和供熱時間不同，兩個城市 1年后土壤的不平衡率分別為 29.5%和90.2%。上海和廣州的冷負(fù)荷都遠(yuǎn)大于熱負(fù)荷，造成的不平衡率較大，對土壤溫度的影響較為明顯。通過分析氣冷器和地源熱泵的性能和負(fù)荷可以優(yōu)化；兩個部件的工作方式和時間，以達(dá)到消除不平衡率的目的。

表1　每月建筑負(fù)荷

1.2熱泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

壓縮機(jī)的總效率，體積效率和機(jī)械效率都是根據(jù)ORITZ等［11］針對CO2系統(tǒng)的推導(dǎo)式計算的。如下面的計算式所示，效率是和壓縮比有關(guān)的函數(shù)：

式（4）表明壓縮機(jī)功率是由CO2的質(zhì)量流量，壓縮機(jī)總效率和CO2在等熵過程中焓值的變化決定的：

式中：

η——效率；

tot——總（腳標(biāo)）；

vol——體積（腳標(biāo)）；meth——機(jī)械（腳標(biāo)）；

P——壓力；

W——功率；

hisen——等熵焓；

Vs——壓縮機(jī)容積；

N——壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速；

ρ1——吸入密度。

1.3氣冷器數(shù)學(xué)模型

在制冷模式下，空氣和來自地下埋管換熱器的冷水同時分擔(dān)空調(diào)系統(tǒng)排放的熱量。對與氣冷器而言，在制冷模式下，熱泵系統(tǒng)中的氣冷器由來自地下埋管換熱器換熱的冷水進(jìn)行冷卻，而系統(tǒng)外帶的空氣側(cè)氣冷器則由外界空氣進(jìn)行冷卻?？諝饫鋮s氣冷器而言的性能是由WANG等［14-15］得到的熱傳遞遞和摩擦的關(guān)聯(lián)式預(yù)測的。

1.4地下埋管換熱器數(shù)學(xué)模型

在地下埋管周圍的土壤溫度分布可以由下式計算：

式中：

Tg——土壤溫度；

αg——土壤的熱擴(kuò)散；

τ——時間；

x——計算處到打孔中心的距離。

圖2是地下埋管換熱器的示意圖，如圖中所示，U形管中的溫度分布和進(jìn)水口及出水口的溫度分別計算如下［16-17］：

圖2　地下埋管換熱器示意圖

1.5主要系統(tǒng)指標(biāo)

系統(tǒng)對建筑的制冷量和制熱量分別由下面兩式計算：

由空氣側(cè)提供的制冷量比例定義為空氣側(cè)氣冷器制冷量與整個系統(tǒng)的制冷量之比：

土地在運(yùn)行一年以后的熱不平衡率被定義為：

2　模型驗證

本文使用的二氧化碳壓縮機(jī)和地下埋管換熱器模型已經(jīng)得到驗證［7,18-21］。因此，本系統(tǒng)模型的驗證關(guān)鍵在于驗證所使用的空氣側(cè)氣冷器模型。本文中，空氣側(cè)氣冷器的模型由實驗數(shù)據(jù)驗證，包含溫度條件范圍為25 ℃～45 ℃，進(jìn)口壓力為75 Bar～120 Bar，實驗數(shù)據(jù)與理論計算得到的誤差在10%以內(nèi)，證明模型有效可用。表2是某模型氣冷器的實驗數(shù)據(jù)。

表2　氣冷器實驗數(shù)據(jù)

3　結(jié)果與分析

圖3對比了3種地源熱泵系統(tǒng)在上海的能量負(fù)荷，分別是R134a地源熱泵系統(tǒng)，采用間歇工作模式的氣冷器-二氧化碳地源熱泵系統(tǒng)和采用耦合工作模式的氣冷器-二氧化碳地源熱泵系統(tǒng)。從圖 3中可以看出：1）對于R134a地源熱泵，夏季室內(nèi)所有排放的熱量均由地源換熱器承擔(dān)，運(yùn)行1年后土壤不平衡率為 26%；2）采用間歇工作模式的氣冷器-二氧化碳地源熱泵系統(tǒng)，在天氣最炎熱的 8月和9月由換熱器承擔(dān)所有排放的熱量，而在5月、6月、7月和10月則由換熱器和空氣側(cè)氣冷器共同分擔(dān)空調(diào)系統(tǒng)排放的熱量，通過調(diào)整空氣側(cè)氣冷器分擔(dān)的排熱量大小，可以將土壤熱不平衡消除；3）采用耦合工作模式的氣冷器-二氧化碳地源熱泵系統(tǒng)在整個夏季都由由換熱器和空氣側(cè)氣冷器共同分擔(dān)空調(diào)系統(tǒng)排放的熱量，同樣可以將不平衡率降低到0。

圖3　不同地源熱泵系統(tǒng)的冷熱負(fù)荷對比

空氣源氣冷器在兩種運(yùn)行模式下的工作時間列在表3中。在最炎熱的天氣不使用氣冷器的原因是在炎熱的條件下，空氣源氣冷器的效率低，為了保證較大的熱交換量，需要大面積的空氣源氣冷器，也就意味著增大了成本投資的金額。

表3　氣冷器的運(yùn)行時間（上海）

圖4中展示了耦合運(yùn)行模式下空氣側(cè)氣冷器承擔(dān)制冷量的變化對土壤不平衡率、系統(tǒng)初投資和系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的影響。夏季設(shè)置室內(nèi)溫度為20 ℃時，在中國上海，使得土壤熱量平衡的空氣側(cè)承擔(dān)冷量比例為29.5%。而對于廣州地區(qū)，同樣條件，空氣側(cè)承擔(dān)的冷量比例為90%。

圖4　不同地區(qū)空氣源氣冷器承擔(dān)冷負(fù)荷的比例對結(jié)果的影響

在上海，當(dāng)土壤達(dá)到熱平衡，初期投資也接近最低值，運(yùn)行費(fèi)用同樣得到大幅降低；而在廣州，土壤達(dá)到熱平衡時運(yùn)行費(fèi)用雖然也大大降低，然而因為需要空氣源氣冷器負(fù)擔(dān)的比例比較大，初期投資不在最低值，但依然低于傳統(tǒng)地源熱泵的初投資，說明通過調(diào)整空氣源氣冷器承擔(dān)冷量的比例，不僅可以使得土壤達(dá)到熱平衡，還可以大大降低運(yùn)行費(fèi)用，并在一定程度上降低初期投資費(fèi)用。

當(dāng)設(shè)計的兩種運(yùn)行模式均調(diào)節(jié)空氣源承擔(dān)的冷負(fù)荷的比例，使系統(tǒng)運(yùn)行一年后土壤仍然保持不平衡度為0的時候，對系統(tǒng)的兩種運(yùn)行模式下的運(yùn)行費(fèi)用和初期投資費(fèi)用進(jìn)行對比，結(jié)果如表4和表5所示。從表4可以看出，兩種工作模式的帶有氣冷器的二氧化碳地源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用都比普通R134a地源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用低，采用耦合工作模式的系統(tǒng)空氣源氣冷器負(fù)擔(dān)了更多的排熱量，運(yùn)行費(fèi)用比R134a地源熱泵的運(yùn)行費(fèi)用低23%。從表5可以看出，耦合工作模式的帶有氣冷器的二氧化碳地源熱泵的投資費(fèi)用都比普通R134a地源熱泵的投資費(fèi)用低，采用間歇工作模式的帶有氣冷器的二氧化碳地源熱泵的投資費(fèi)用則比普通R134a地源熱泵投資費(fèi)用在耦合工作模式下可以降低夏季地源需要承擔(dān)的最大換熱量，有效減小投資，其初始投資費(fèi)用比R134a地源熱泵的初始投資費(fèi)用低20%。

表4　不同地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用比較

表5　不同地源熱泵系統(tǒng)的投資費(fèi)用對比（單位：萬元）

4　結(jié)論

本文通過對二氧化碳熱泵，地下埋管換熱器和空氣源氣冷器等子模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，得到了帶有氣冷器的二氧化碳地源熱泵運(yùn)行性能的預(yù)測模型。通過對模型的計算，得出了以下結(jié)論：

1）對于不同溫暖氣候的地區(qū)，總可以通過調(diào)節(jié)空氣源氣冷器負(fù)擔(dān)的排熱量的比例來將系統(tǒng)運(yùn)行 1年以后土壤的不平衡率降低為 0，對于上海，這個比例為29.5%，對于廣州，這個比例為90%；

2）耦合和間歇兩種運(yùn)行模式相比，采用耦合工作模式的帶氣冷器二氧化碳地源熱泵擁有更低的運(yùn)行費(fèi)用，并且由于耦合工作模式有助于減小地下埋管換熱器的初期投資，耦合模式工作的系統(tǒng)也擁有更低的初期投資；

3）在不同地區(qū)，在降低土壤不平衡率的同時，系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用均能得到大幅度降低，采用耦合工作模式的帶氣冷器二氧化碳地源熱泵就比采用R134a的普通地源熱泵運(yùn)行費(fèi)用低23%。

在不同地區(qū)，在降低土壤不平衡率的同時，系統(tǒng)的初期投資也能得到一定程度的降低，采用耦合工作模式的帶氣冷器二氧化碳地源熱泵就比采用R134a的普通地源熱泵初期投資費(fèi)用低20%。

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Performance Analysis on CO2Ground Source Heat Pump with Gas Cooler

YE Jing-jing*1,2, HU Hai-tao1, Ding Guo-liang1, EIKEVIK Trygve Magne2
（1-Shanghai Jiaotong University, Dongchuan Road 800, Shanghai 200240, China；2-Norwegian University of Science and Technology, Kolbj?rnHejesvei 1B, Trondheim 7491, Norway）

Running ground source heat pump in area with more cooling load than heating load in the long run would result in thermal unbalance in soil. Soil temperature goes up and it interferes with the function of ground source heat pump（GSHP）. To solve this problem, a ground source heat pump using carbon dioxide as refrigerant is proposed, and the prediction model for the system performance was developed； the model was compared with the traditional GSHP and economic analysis was done. By using gas cooler to release heat to air and changing the operation schedule, the model can immensely improve the situation of thermal unbalance in soil. With a certain schedule it can eliminate the thermal unbalance in soil completely. Compared with the regular R134a ground source heat pump, the coupled gas cooler-ground source heat pump has lower annual operation cost by 23% and lower investment cost by 20%.

Carbon dioxide； Ground source heat pump； Gas cooler； Unbalance rate

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.103

*胡海濤（1978-），男，博士，副教授。研究方向：制冷系統(tǒng)及換熱器優(yōu)化設(shè)計。聯(lián)系地址：上海市東川路800號，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34206295。E-mail：huhaitao2001@sjtu.edu.cn。