方晨睿，袁安冬，王海濤 （安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 前言

近年來(lái)，為了逐步實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，土壤源熱泵就作為一種具有節(jié)能潛力的空調(diào)技術(shù)得到了越來(lái)越多的認(rèn)可與應(yīng)用。為了克服這一單一冷熱源給發(fā)展帶來(lái)的局限性，冷卻塔與土壤源熱泵耦合的復(fù)合式土壤源熱泵成為大勢(shì)所趨，它在一定程度解決了土壤源熱泵常年運(yùn)行導(dǎo)致的土壤的熱失衡，且在能源效益、環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益上都有較明顯的優(yōu)勢(shì)[1]～[3]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于復(fù)合式土壤源熱泵都進(jìn)行過(guò)大量的研究，通過(guò)對(duì)冷卻塔進(jìn)行控制來(lái)獲得更高的COP，并且很好地實(shí)現(xiàn)土壤的熱平衡。Zhijian Liu等[4]比較了傳統(tǒng)的地源熱泵（GSHP）和冷卻塔耦合地源熱泵系統(tǒng)（HGSHP），HGSHP的性能系數(shù)增加了7.12%，在運(yùn)行的一年中，耗電量減少了6.40%，在運(yùn)行十年中，埋管的出口溫度低于32°C。對(duì)冷卻塔的控制方式有很多種，可以調(diào)節(jié)冷卻塔的輸入容量，Xuemei Gong等[5]利用Trnsys軟件建立了一個(gè)HGSHP系統(tǒng)，通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷卻塔輸入功率的比例大于50%，并且在不同的運(yùn)行時(shí)間有不同的輸入功率時(shí)，土壤熱累積可以得到有效緩解。其次，可以讓冷卻塔間歇運(yùn)行或者晝夜交替運(yùn)行，陳大建等[6]提出，冷卻塔間歇運(yùn)行的間隔越小，輔助釋放的熱量越大，運(yùn)行和停機(jī)時(shí)間之比為1：1的運(yùn)行條件比1：2的運(yùn)行條件更容易提高機(jī)組的性能系數(shù)。埋管與冷卻塔晝夜交替運(yùn)行，可以有效地幫助地面溫度以后的恢復(fù)?；蛘呖梢詫⒗鋮s塔與地埋管串聯(lián)、并聯(lián)、單獨(dú)連接和混合連接，李營(yíng)等[7]提出以上四種連接方式，并得出針對(duì)天津辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)利用混合連接的溫差與負(fù)荷控制，能耗低，土壤溫度變化小。

在固定負(fù)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(dān)了夏季的多余負(fù)荷。由于埋管滿足冬季的熱負(fù)荷，那么冷卻塔就主要起到削峰作用。就串聯(lián)而言，F(xiàn)LR為0.5，表明制冷季50%的高峰冷負(fù)荷由冷卻塔承擔(dān)。當(dāng)每小時(shí)冷負(fù)荷超過(guò)峰值冷負(fù)荷的50%時(shí)，系統(tǒng)將與冷卻塔同時(shí)運(yùn)行。本文以FLR作為輔助散熱的控制方式，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行10年COP、土壤溫度、系統(tǒng)能耗作為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)trnsys軟件對(duì)某土壤源熱泵-冷卻塔復(fù)合系統(tǒng)性能進(jìn)行研究。

1 建筑負(fù)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(shè)備、燈光等內(nèi)熱源所占負(fù)荷較大，系統(tǒng)運(yùn)行10年建筑的耗冷量遠(yuǎn)大于耗熱量。用普通的土壤源熱泵系統(tǒng)已經(jīng)很難實(shí)現(xiàn)土壤熱平衡，所以采用固定負(fù)載比控制冷卻塔進(jìn)行輔助散熱。

圖1 全年逐時(shí)負(fù)荷圖

某辦公建筑冷熱負(fù)荷 表1

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 熱泵機(jī)組type225[8]

Type225采用的是兩種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ虳OE-2模型和多元多項(xiàng)式回歸模型。DOE-2模型中使用的是冷水機(jī)組模型，熱泵機(jī)組也可以使用這個(gè)模型。機(jī)組全負(fù)荷運(yùn)行，制冷量CAPmax由下式可得

式中：Me蒸發(fā)器側(cè)水的流量，kg/h；Mc冷凝器側(cè)水的流量，kg/h；To蒸發(fā)器側(cè)的出水溫度，℃;Ti冷凝器側(cè)的回水溫度，℃。

式中：CAPo額定工況下全負(fù)荷運(yùn)行的制冷量；CAPr實(shí)際工況下制冷量的修正系數(shù);rme蒸發(fā)器的實(shí)際水流量與額定水流量之間的比；rmc冷凝器的實(shí)際水流量與額定水流量之間的比;rTo蒸發(fā)器實(shí)際出水溫度與額定出水溫度的比值；rTi冷凝器實(shí)際回水溫度與額定回水溫度的比值。當(dāng)蒸發(fā)器側(cè)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(fā)器側(cè)供水和回水的溫度差。

熱泵機(jī)組部分負(fù)荷率PLR如式：

熱泵機(jī)組的輸入功率與Me,Mc,To,Ti以及PLR有關(guān)：

式中：Po在額定工況下機(jī)組輸入的功率；Pr1在滿負(fù)荷運(yùn)行下機(jī)組輸入功率的修正系數(shù)；Pr2在部分負(fù)荷運(yùn)行下機(jī)組輸入功率的修正系數(shù)。

得到冷凝器側(cè)出水溫度Tco:

土壤源熱泵機(jī)組COP：

參考DOE-2，由經(jīng)驗(yàn)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(gè)計(jì)算區(qū)分為兩個(gè)區(qū)域：巖土區(qū)和蓄熱區(qū)，只考慮鉆孔間距的作用，在該模型中假設(shè)相鄰兩個(gè)鉆孔之間的距離相同，鉆孔呈中心對(duì)稱分布。由于每個(gè)鉆孔都有自己相應(yīng)的熱響應(yīng)區(qū)，已知熱響應(yīng)區(qū)的面積呈現(xiàn)為一個(gè)正六邊形。因此，如果每個(gè)鉆孔的熱響應(yīng)區(qū)面積為Ap，則由圖中幾何關(guān)系可得：，利用圓形來(lái)無(wú)限逼近正六邊形，且設(shè)圓半徑為ri，則有關(guān)系式所以ri=0.525B，熱儲(chǔ)存區(qū)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(fā)造成的質(zhì)量損失所散失的熱量。

3 固定負(fù)載比控制冷卻塔散熱方式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)配備了兩臺(tái)冷卻塔輔助土壤源熱泵機(jī)組進(jìn)行散熱，設(shè)計(jì)讓第一臺(tái)冷卻塔承擔(dān)不同百分比的冷負(fù)荷，改變固定負(fù)載比，第二臺(tái)冷卻塔隨著機(jī)組同步啟停。系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖2。

圖2 固定負(fù)載比控制土壤源熱泵-冷卻塔散熱系統(tǒng)

4 模擬結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行10年土壤溫度變化

冷卻塔負(fù)責(zé)削峰運(yùn)行，讓第一臺(tái)冷卻塔分別承擔(dān)50%、55%、60%的冷負(fù)荷（即當(dāng)負(fù)荷大于725kW、650kW、580kW時(shí)開(kāi)啟冷卻塔），固定負(fù)載比（FLR）分別為0.5、0.55、0.6。第二臺(tái)冷卻塔隨著機(jī)組同步啟停。

本設(shè)計(jì)初始土壤溫度為21.3℃，由圖3可知，土壤溫度在三種不同負(fù)載比下10年內(nèi)變化都不是很大，但相較來(lái)說(shuō)，負(fù)載比為0.55時(shí)土壤溫度的變化幅度最小，十年后土壤的溫度只達(dá)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(lián)情況下散熱最優(yōu)的固定負(fù)載比。

圖3 固定負(fù)載比控制10年土壤溫度

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行10年COP變化

從圖4-圖7和表2可以得出，固定負(fù)載比控制方式下，F(xiàn)LR0.5與FLR0.6時(shí)，COP大小較FLR0.55時(shí)最高可高出12.3%和7.6%。且FLR為0.5時(shí)，冷卻塔與地埋管散熱比為0.99:1，冷卻塔承擔(dān)了全部負(fù)荷的49.7%，隨著時(shí)間推移，COP在不斷下降；FLR為0.6時(shí)，冷卻塔承擔(dān)了全部負(fù)荷的69.6%，隨著時(shí)間推移，COP反而在升高，而FLR為0.55時(shí)，冷卻塔承擔(dān)了全部負(fù)荷的60.5%時(shí)，COP基本保持不變。

圖4 固定負(fù)載比控制10年系統(tǒng)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F(xiàn)LR時(shí)系統(tǒng)綜合參數(shù)對(duì)比 表2

這表明了，冷卻塔承擔(dān)的負(fù)荷超過(guò)60.5%時(shí)，機(jī)組的COP會(huì)隨著冷卻塔承擔(dān)的負(fù)荷比增加而增加，此時(shí)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(yīng)也會(huì)減少，并且土壤源熱泵系統(tǒng)前期的運(yùn)行效率是比冷卻塔的運(yùn)行效率要高的，也就意味著，土壤溫度的下降是由于此時(shí)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(dǎo)致制熱量主要來(lái)源于地埋管從土壤取熱，土壤取熱量隨著時(shí)間推移不斷上升，土壤溫度就會(huì)逐年下降，會(huì)造成土壤溫度無(wú)法恢復(fù)。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(dǎo)致了總能耗的增加和地埋管出口溫度的升高，降低了整個(gè)系統(tǒng)的性能，不利于長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

冷卻塔承擔(dān)負(fù)荷低于60.5%時(shí)，系統(tǒng)主要是土壤源熱泵承擔(dān)換熱量，冷卻塔功耗減小，從第一年的起點(diǎn)來(lái)看，土壤源熱泵前期的運(yùn)行效率是較高的，但隨著時(shí)間延長(zhǎng)在不斷下降，土壤溫度十年上升了2.9℃，說(shuō)明了此時(shí)土壤熱堆積較為嚴(yán)重，冷卻塔沒(méi)有完全發(fā)揮輔助散熱的作用，運(yùn)行效率是很低的，這直接導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的效率都不會(huì)升高，對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行并不有利。

FLR為0.55時(shí)，COP無(wú)明顯上升或下降的趨勢(shì)，運(yùn)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(huì)造成土壤熱不平衡現(xiàn)象發(fā)生，即制冷效率與制熱效率都不會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)而發(fā)生明顯的上升或下降。綜上所述，系統(tǒng)的運(yùn)行在冷卻塔輔助散熱占比為60.5%，即FLR為0.55時(shí)，運(yùn)行效率更加穩(wěn)定，有利于長(zhǎng)期運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文利用trnsys模擬軟件建立了復(fù)合土壤源熱泵系統(tǒng)，分析了固定負(fù)載比控制冷卻塔的輔助散熱方式時(shí)系統(tǒng)的性能，得到如下結(jié)論：

①利用固定負(fù)載比控制冷卻塔啟停可以很好地控制冷卻塔進(jìn)行削峰運(yùn)行，但能耗相對(duì)較高；

②FLR=0.55時(shí)，系統(tǒng)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(zhǎng)期運(yùn)行有利于維持熱泵系統(tǒng)的性能。