劉廣平，駱超，龔宇烈，邱澤晶，鄭鑫

（1中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640；2中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；3廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；4中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5南瑞集團(tuán)公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇 南京211000；6南瑞（武漢）電氣設(shè)備與工程能效測(cè)評(píng)中心，湖北 武漢 430074）

江陰市某建筑地源熱泵系統(tǒng)性能的數(shù)值模擬

劉廣平1，2，3，4，駱超1，2，3，龔宇烈1，2，3，邱澤晶5，6，鄭鑫5，6

（1中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640；2中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；3廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；4中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5南瑞集團(tuán)公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇 南京211000；6南瑞（武漢）電氣設(shè)備與工程能效測(cè)評(píng)中心，湖北 武漢 430074）

針對(duì)江陰市某建筑的地源熱泵系統(tǒng)，利用TRNSYS軟件，分別模擬不同埋管深度和不同冷熱負(fù)荷比情況下，運(yùn)行30年土壤平均溫度的變化情況，分析了冬夏季供暖空調(diào)期內(nèi)系統(tǒng)性能系數(shù)COP及熱泵機(jī)組部分負(fù)荷率的變化情況，模擬結(jié)果表明，100m埋管深度比60m和80m埋管深度溫度波動(dòng)較小且溫降較小，穩(wěn)定性較好；在分別只滿(mǎn)足熱負(fù)荷和冷負(fù)荷需求的情況下，土壤平均溫度分別下降了2.67℃和上升了2.15℃，而在滿(mǎn)足冷熱負(fù)荷需求時(shí)溫度只下降了0.66℃，此時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性最好；熱泵機(jī)組供暖空調(diào)期內(nèi)系統(tǒng)的供暖平均COP為2.75，制冷平均COP為3.28，熱泵機(jī)組部分負(fù)荷率處于較低水平，這也導(dǎo)致了系統(tǒng)全年的COP偏低的現(xiàn)象。該別墅的地源熱泵系統(tǒng)的數(shù)值模擬結(jié)果為長(zhǎng)江三角區(qū)地源熱泵系統(tǒng)工程提供了技術(shù)支撐。

再生能源；地源熱泵；數(shù)值模擬；地埋管換熱器；性能系數(shù)；穩(wěn)定性

地埋管地源熱泵因其節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)，目前在我國(guó)已得到廣泛應(yīng)用。1912年，瑞士ZOELLY首次提出利用淺層地?zé)崮茏鳛闊岜孟到y(tǒng)低溫?zé)嵩吹母拍?，并申?qǐng)了專(zhuān)利，這標(biāo)志著地源熱泵系統(tǒng)的問(wèn)世。至1948年，ZOELLY的專(zhuān)利技術(shù)才真正引起人們普遍的關(guān)注，尤其在美國(guó)和歐洲各國(guó)，開(kāi)始重視此項(xiàng)技術(shù)的理論研究。在政策推動(dòng)下，我國(guó)地源熱泵市場(chǎng)發(fā)展迅速?？傮w上來(lái)說(shuō)，地源熱泵應(yīng)用面積從2005年3000萬(wàn)平米，增長(zhǎng)到2014年3.6億平米，呈爆發(fā)式發(fā)展?fàn)顟B(tài)；從地區(qū)發(fā)展水平來(lái)說(shuō)，目前我國(guó)的地源熱泵市場(chǎng)主要集中在山東、北京、遼寧、河北等地，而在東南部地區(qū)，地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用較少[1]。

地源熱泵系統(tǒng)的研究主要集中在對(duì)地下埋管換熱器傳熱傳質(zhì)的研究[2-3]和對(duì)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行性能的研究[4]。汪洪軍等[5]和魏唐棣等[6]研究了地源熱泵機(jī)組冬季運(yùn)行性能，但缺乏對(duì)夏季空調(diào)時(shí)的機(jī)組性能研究以及這兩種運(yùn)行模式下的對(duì)比研究。曹馨雅[3]研究了地源熱泵系統(tǒng)冷熱負(fù)荷的不平衡率對(duì)土壤平均溫度的影響，提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)前應(yīng)先考慮系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行所能承受的冷熱負(fù)荷不平衡率控制策略。

本文基于江陰市一棟別墅的地源熱泵系統(tǒng)工程，通過(guò)建立熱泵系統(tǒng)模型，采用TRNSYS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析地埋管換熱器的埋管深度，對(duì)比設(shè)計(jì)工況下的機(jī)組性能，對(duì)冬夏兩季的地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行特性和地埋管換熱器運(yùn)行30年的換熱效果進(jìn)行研究。

1 地源熱泵系統(tǒng)與數(shù)學(xué)模型

1.1 地源熱泵系統(tǒng)

江陰市某地源熱泵運(yùn)行系統(tǒng)流程如圖1所示。該別墅型建筑作為休閑會(huì)所，建筑面積為300m2。冬季制熱工況時(shí)，地埋管換熱器與蒸發(fā)器相連，通過(guò)地源側(cè)的水路循環(huán)，從地下土壤取出熱量為室內(nèi)供暖；夏季制冷工況時(shí)，制冷循環(huán)閥門(mén)換向，改變制冷劑的流向，與地源側(cè)水進(jìn)行換熱，不斷將熱量釋放到地下土壤中。

1.2 熱泵機(jī)組數(shù)學(xué)模型

圖1 地源熱泵系統(tǒng)流程圖

在利用TRNSYS進(jìn)行仿真模擬時(shí)，發(fā)現(xiàn)負(fù)荷模塊和水-水熱泵模塊在聯(lián)合使用時(shí)，實(shí)際制冷量或制熱量與建筑負(fù)荷不一致，在仿真過(guò)程中引起負(fù)荷側(cè)水系統(tǒng)出現(xiàn)熱堆積或者冷堆積現(xiàn)象[7]，從而導(dǎo)致熱水溫度過(guò)高或冷凍水溫度過(guò)低。因此，基于TRNSYS仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)出適用于負(fù)荷需求實(shí)時(shí)性更強(qiáng)的水-水熱泵機(jī)組模塊。

本文所使用的熱泵機(jī)組DOE-2模型為美國(guó)建筑能耗模擬程序DOE-2中所使用的冷水機(jī)組模型[8]，建模過(guò)程基本一致。以熱泵機(jī)組制冷工況為例進(jìn)行建模。以蒸發(fā)器出口溫度Teo為設(shè)計(jì)值計(jì)算熱泵機(jī)組為滿(mǎn)足冷負(fù)荷需求，需要達(dá)到的制冷量，如式(1)所示。

式中，Qc為機(jī)組需達(dá)到的制冷量，kJ/h；cp為蒸發(fā)器側(cè)流體的比熱容，kJ/(kg·℃)；Me為蒸發(fā)器側(cè)水流量，kg/h；Δt為冷凝器側(cè)供回水溫差，℃。

熱泵機(jī)組所需要的輸入功率W與部分負(fù)荷率有關(guān)，部分負(fù)荷率和熱泵機(jī)組所需輸入功率的計(jì)算式如(2)所示。

式中，PLR為熱泵機(jī)組部分負(fù)荷率；CAPc,max為熱泵機(jī)組額定制冷量，kW。當(dāng)Qc≤CAPc,max時(shí)，保持蒸發(fā)器側(cè)的出口水溫不變；當(dāng)Qc＞CAPc,max，提高蒸發(fā)器側(cè)的出口水溫，增大蒸發(fā)器側(cè)進(jìn)出口水溫溫差，使熱泵機(jī)組的制冷量滿(mǎn)足負(fù)荷需求。

冷凝器側(cè)出口水溫計(jì)算如式(3)。

式中，W為熱泵機(jī)組實(shí)際輸入功率，kW；Tlo為冷凝器側(cè)出口水溫，℃；Tli為冷凝器側(cè)進(jìn)口水溫，℃；Ml為冷凝器側(cè)水流量，kg/h。

計(jì)算熱泵系統(tǒng)夏季工況下的COPc和冬季工況下的COPh的計(jì)算如式(4)所示。

式中，COPc，COPh分別為熱泵系統(tǒng)夏季工況下和冬季工況下的性能系數(shù)；Wpump為水泵的實(shí)際功率，kW；Qh為機(jī)組需達(dá)到的制熱量，kW。

1.3 地埋管換熱器數(shù)學(xué)模型

根據(jù)確定的建筑設(shè)計(jì)逐時(shí)冷、熱負(fù)荷以及熱泵機(jī)組性能系數(shù)計(jì)算地源熱泵系統(tǒng)地源側(cè)的最大釋熱量與最大吸熱量[9]。熱泵系統(tǒng)最大釋熱量和最大吸熱量由式(5)計(jì)算。

式中，Q1′，Q2′分別為地源熱泵系統(tǒng)的最大釋熱量和最大吸熱量，kW；Q1，Q2分別為建筑設(shè)計(jì)冷負(fù)荷和熱負(fù)荷，kW。

根據(jù)熱響應(yīng)測(cè)試得到的冬夏季單位管長(zhǎng)換熱量估算地埋管換熱器埋管長(zhǎng)度。計(jì)算公式如式(6)所示。

式中，L1、L2分別為夏、冬季工況下地埋管總長(zhǎng)度，m；q1、q1分別為夏、冬季地埋管單位管長(zhǎng)換熱量，W/m。比較L1、L2取較大值為地埋管換熱器的總長(zhǎng)度。

2 別墅負(fù)荷模擬

為保證別墅的空調(diào)系統(tǒng)良好設(shè)計(jì)，本文采用TRNSYS瞬時(shí)模擬軟件對(duì)該建筑采暖期和制冷期的熱、冷負(fù)荷進(jìn)行逐時(shí)計(jì)算，模擬程序如圖2所示。計(jì)算相關(guān)參數(shù)參照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[10-11]；氣象參數(shù)的邊界條件可從TRNSYS的氣象數(shù)據(jù)文件導(dǎo)出。根據(jù)如表1所示的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算得到如圖3所示的別墅供暖空調(diào)期熱負(fù)荷和冷負(fù)荷的模擬結(jié)果。

由圖3可見(jiàn)，該地區(qū)采暖期為11月1日至次年1月31日，最大熱負(fù)荷為24kW，累計(jì)熱負(fù)荷為46.4GJ；制冷期為6月1日至9月1日，夏季最大冷負(fù)荷為17kW，累計(jì)冷負(fù)荷為36.5GJ，冬季最大熱負(fù)荷比夏季最大冷負(fù)荷大7kW。根據(jù)負(fù)荷的計(jì)算結(jié)果，確定選擇TRANE生產(chǎn)的水-水熱泵機(jī)組額定制冷量為21.5kW，額定制熱量25kW。

圖2 建筑夏冬季動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬程序

表1 模擬建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù) 單位：W/(m2·K)

圖3 建筑逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷分布圖

3 地源熱泵系統(tǒng)性能比較

地源熱泵系統(tǒng)模擬程序如圖4所示。將建筑負(fù)荷文件導(dǎo)入到負(fù)荷模塊中，設(shè)置各模塊的Parameter和input等參數(shù)，各模型的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。熱泵機(jī)組通過(guò)水泵與負(fù)荷模塊相連，根據(jù)制冷制熱需求，通過(guò)控制模塊控制熱泵機(jī)組的啟閉和制冷模式和供暖模式以及水泵的啟閉，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化控制。

3.1 不同埋管深度對(duì)地埋管換熱器換熱性能的影響

圖5所示為該市典型年數(shù)值模擬得出的3種不同埋管深度下地埋管換熱器周?chē)寥罍囟热甑淖兓闆r。由圖5可看出，隨著時(shí)間的推移，地埋管出口溫度出現(xiàn)變化：隨著冬季供暖期的推移，從土壤中吸收的熱量也越多，因此地埋管周?chē)耐寥榔骄鶞囟戎饾u下降；在過(guò)渡期時(shí)，由于地埋管換熱器周?chē)寥赖臒釘U(kuò)散，使土壤溫度有所回升；制冷期時(shí)，地埋管換熱器向周?chē)寥郎?，土壤溫度逐漸升高。而在經(jīng)過(guò)1年模擬運(yùn)行，相對(duì)于土壤初始溫度，4種埋管深度的土壤平均溫度出現(xiàn)了不同程度的下降，其中60m埋管深度的溫度波動(dòng)幅度最大，溫度下降也最大，其次為80m埋管深度，100m的埋管深度波動(dòng)幅度和溫降最小。

圖4 地源熱泵系統(tǒng)仿真模擬程序

表2 模型主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖5 1年內(nèi)埋管深度對(duì)土壤年平均溫度的影響變化曲線(xiàn)圖

圖6給出了系統(tǒng)運(yùn)行地埋管換熱器運(yùn)行30年隨著地埋管深度的不同，土壤平均溫度的變化情況。從圖6可以看出，30年后地埋管深度為100m時(shí)周?chē)寥榔骄鶞囟认陆盗?.66℃，為最低，地埋管深度為80m和60m時(shí)周?chē)寥榔骄鶞囟确謩e下降了0.8℃和1.7℃，地埋管總長(zhǎng)度不變，埋管深度（相應(yīng)的減少埋管數(shù)）越深對(duì)土壤平均溫度變化的影響越小。埋管深度為100m時(shí)溫度波動(dòng)最小，這是因?yàn)樵谙嗤瑩Q熱量的情況下，埋管深度越大其溫度越穩(wěn)定，不容易受季節(jié)性環(huán)境溫度變化的影響。

3.2 冷、熱負(fù)荷比對(duì)地埋管換熱器性能的影響

圖7給出了不同負(fù)荷情況下地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行30年土壤平均溫度的變化情況?？梢钥闯觯和寥榔骄鶞囟入S運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)逐年波動(dòng)，當(dāng)滿(mǎn)足建筑全年冷、熱負(fù)荷需求時(shí)，在運(yùn)行30年后，其土壤平均溫度只下降了0.66℃；而當(dāng)只滿(mǎn)足建筑夏季制冷期的冷負(fù)荷要求時(shí)，由于熱堆積現(xiàn)象，土壤平均溫度逐年升高，到第30年底時(shí)土壤平均溫度上升了2.15℃；當(dāng)僅滿(mǎn)足建筑的冬季供暖期熱負(fù)荷要求時(shí)，由于冷堆積，溫度逐年下降，到第30年底時(shí)土壤平均溫度下降了2.67℃。說(shuō)明長(zhǎng)年運(yùn)行在不同的冷、熱負(fù)荷比的情況下，會(huì)對(duì)地埋管換熱器的換熱能力有影響，冷、熱負(fù)荷比越大，對(duì)地埋管換熱器的換熱效果影響越大。

圖6 30年埋管深度對(duì)土壤平均溫度的影響變化曲線(xiàn)圖

圖7 30年冷、熱負(fù)荷對(duì)土壤平均溫度的影響變化曲線(xiàn)圖

需要說(shuō)明的是，由于該地源熱泵系統(tǒng)用于建筑面積較小的會(huì)所建筑，相對(duì)于大中型建筑來(lái)說(shuō)，其負(fù)荷相對(duì)較小，故在3種不同負(fù)荷情況下運(yùn)行30年其土壤平均溫度的變化并不大，對(duì)熱泵系統(tǒng)的性能影響有限。

3.3 部分負(fù)荷率對(duì)熱泵機(jī)組運(yùn)行性能比較

對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行全年的模擬計(jì)算，圖8所示為地源熱泵系統(tǒng)的全年COP變化情況。由圖8可看出，在制冷期熱泵機(jī)組的COPc最高達(dá)到5.7，但是由于逐時(shí)負(fù)荷隨著時(shí)間的不斷變化，其平均COPc只有3.28。供暖期熱泵系統(tǒng)的COPh較為穩(wěn)定，最高達(dá)到3.2，平均值為2.75。

熱泵機(jī)組的部分負(fù)荷率和熱泵機(jī)組實(shí)際功率如圖9、圖10所示。對(duì)兩圖的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可看出部分負(fù)荷率與實(shí)際運(yùn)行功率具有相關(guān)性：熱泵機(jī)組實(shí)際所需的輸入功率除了與Ml、Me、Teo、Tli有關(guān)外，還與機(jī)組的部分負(fù)荷率有關(guān)。

分析圖9的模擬結(jié)果，計(jì)算得到供暖期內(nèi)，熱泵機(jī)組的平均部分負(fù)荷率為0.31，而夏季制冷期內(nèi)的熱泵機(jī)組平均部分負(fù)荷率只有0.22。供暖期的熱負(fù)荷明顯大于制冷期的冷負(fù)荷，由于熱泵機(jī)組選型時(shí)是根據(jù)建筑的最大冷、熱負(fù)荷來(lái)確定的，而在最大冷、熱負(fù)荷模式下熱泵機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間比較短，絕大部分時(shí)間都處于部分負(fù)荷率的運(yùn)行狀態(tài)，該結(jié)果導(dǎo)致了熱泵機(jī)組全年的平均部分負(fù)荷率較低。圖10為熱泵機(jī)組的實(shí)際功率變化情況，可以看出：與供暖期相比，制冷期熱泵機(jī)組的運(yùn)行功率較低，這是由于夏季熱泵機(jī)組的部分負(fù)荷率較低造成的，這也導(dǎo)致了熱泵系統(tǒng)的COP普遍較低的現(xiàn)象。

圖8 1年內(nèi)供暖空調(diào)期熱泵系統(tǒng)COP變化曲線(xiàn)圖

圖9 1年內(nèi)供暖空調(diào)期熱泵機(jī)組部分負(fù)荷率變化曲線(xiàn)圖

圖10 1年內(nèi)供暖空調(diào)期熱泵機(jī)組實(shí)際功率變化曲線(xiàn)圖

4 結(jié)論

以江陰市的某棟別墅建筑為研究對(duì)象，通過(guò)采用TRNSYS軟件建立地源熱泵系統(tǒng)仿真模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬研究，得到以下結(jié)論。

（1）對(duì)比3種埋管深度的地埋管地源熱泵系統(tǒng)下土壤的平均溫度，發(fā)現(xiàn)增大地埋管換熱器的埋管深度有利于該地區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)的性能提升，提高了土壤平均溫度的穩(wěn)定性，減小了其溫度波動(dòng)幅度。

（2）冷熱負(fù)荷的不平衡會(huì)導(dǎo)致土壤平均溫度的失衡，長(zhǎng)期運(yùn)行的情況下導(dǎo)致冷、熱堆積，使系統(tǒng)的性能下降。因此為了保證地埋管地源熱泵系統(tǒng)在該地區(qū)長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，應(yīng)滿(mǎn)足冷熱負(fù)荷比相當(dāng)?shù)囊?，以保證土壤的得熱量和放熱量達(dá)到平衡，以延長(zhǎng)熱泵系統(tǒng)的使用壽命。

（3）根據(jù)日最大冷熱負(fù)荷情況進(jìn)行系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)時(shí)導(dǎo)致熱泵機(jī)組的年平均部分負(fù)荷率較低，當(dāng)?shù)芈窆艿卦礋岜瞄L(zhǎng)期處在部分負(fù)荷率較低的情況下運(yùn)行根本不具備節(jié)能性。因此在機(jī)組選型時(shí)要考慮采取一種更具節(jié)能性的選型策略以達(dá)到節(jié)能效果。

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The ground source heat pump numerical simulation of a building in Jiangyin

LIU Guangping1，2，3，4，LUO Chao1，2，3，GONG Yulie1，2，3，QIU Zejing5，6，ZHENG Xin5，6
（1Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2Key Laboratory of Renewable Energy，Chinese Academy of Science，Guangzhou 510640，Guangdong，China；3Guangdong Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development，Guangzhou 510640，Guangdong，China；4University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；5Nari Group Corporation(State Grid Electric Power Research Institute)，Nanjing 211000，Jiangsu，China；6Nari(Wuhan) Electrical Equipment ＆Engineering Efficiency Evaluation Center，Wuhan 430074，Hubei，China;

This paper introduces the ground-source heat pump for a construction in Jiangyin. Using the software of TRNSYS，the underground soil average temperature in 30 years was simulated under the different depths and ratios of cooling and heating loads. The annual trend ofCOPof the system and part load ratio of heat pump unit in heating and cooling period werer analyzed. The result showed that the performance of buried pipe at 100m depth had a smaller temperature drop and fluctuation than that at 80m and 60m depths. So the deeper the buried pipes were，the more stable of soil average temperatures were. To meet the demand of heating load only，the soil average temperature fell by 2.67℃，while the soil average temperature increased by 2.15℃ to meet the demand of cooling load nly. If to meet the demand of both heating and cooling loads，the soil average temperature fell by just 0.66℃. The averagedCOPof the heat pump system was 3.28 in the summer and 2.75 in the winter；and the part load ratio of heat pump unit was low，which resulted in the lowerCOPof the system. The simulation results provided the basic data for the heat pump project in Yangtze River area.

renewable energy；ground-source heat pump；numerical simulation；ground heat exchanger；coefficient of performance（COP）；stability

TK529

A

1000–6613（2017）11–4037–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0120

2017-01-19；修改稿日期2017-07-03。

國(guó)家電網(wǎng)公司科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（SGTYHT/15-JS-191）。

劉廣平（1991—），男，碩士研究生。聯(lián)系人龔宇烈，博士，研究員，研究方向?yàn)榈責(zé)崮艿哪芰哭D(zhuǎn)換技術(shù)。E-mail：gongyl@ms.giec.ac.cn.。