温湿独立控制地源热泵的热堆积缓解及能耗分析

李心仪 李丽伟 田会珍

上海电力大学能源与机械工程学院

0 引言

地源热泵作为可再生能源技术，具有绿色环保、系统性能及可靠性较高，且可灵活联合多种辅助装置等特点，在建筑供暖与制冷空调中的应用日益增多[1，2],复合的功能也不断增加。近年来出现的温湿独立控制热泵空调系统适用于夏季炎热、漫长且潮湿的南方地区办公楼建筑，它是在传统地源热泵空调基础上附加了一套溶液除湿装置，其空调末端和除湿装置分别调节建筑室内的温度及湿度，可有效净化室内空气、提高体感舒适性[3]。

同时，存在两大突出问题制约着系统的运行性能及成本。一方面，非寒冷地区特别是夏季炎热的南方等地，由于夏季冷负荷大于冬季热负荷，导致冬夏两季对地下土壤的送热量和取热量不平衡，长期运行会产生土壤热堆积，影响系统的运行效率及能耗。另一方面，系统由于溶液除湿装置的初安装，以及后续除湿剂再生需要一定热量供给，将导致系统运行成本的增加[4]。考虑前者，钻孔间距和土壤吸放热差等是影响土壤热堆积的重要因素，钻孔间距增大，传热效果得到改善，热累积量得以减小，但随之占地面积也将增大，这与当前日益紧张的建筑用地形成了矛盾，此外土壤吸放热差是很难直接调控的客观因素[5]。对于后者若能将热泵机组余热用于除湿剂的再生，则既能降低能耗及成本，又可间接减小土壤吸放热差。

综上所述，缓解地源热泵土壤热堆积，需要兼顾占地、能耗及成本等多方面、多环节，以期更好地满足实用要求。本文结合地埋管间距及逆工况运行探讨温湿独立控制热泵空调系统土壤热堆积缓解及节能降耗方案的可行性。

1 土壤热堆积缓解方案

考虑到办公楼内空调工作时间的特殊性，即大部分为白天工作，夜晚停机。为缓解土壤热堆积，方案着重结合了温湿独立控制地源热泵空调系统自身特点及运行工况。在湿热的南方地区办公楼，采用该系统的优势在于可实现室内温度及湿度的单独调节，空调末端控制温度、除湿装置调节湿度。但采用溶液除湿法，运行一定时间后，除湿剂会由浓变稀，若不加处理将影响后续循环的除湿效果。通过加热稀溶液使其恢复浓度可实现除湿剂的再生，而浓溶液再生所需热量若能由热泵机组余热提供，同时还可以间接缓解冷热负荷的不平衡、降低能耗与成本。考虑到热泵机组的余热可基于系统运行逆工况获得，方案拟结合地埋管间距调整及逆工况运行缓解土壤热堆积、降低系统能耗。如图1所示，以夏季运行为例，热泵机组白天运行工况，向空调末端和除湿装置提供冷负荷用于制冷和除湿，此过程中溶液变稀。夜晚在低电价时段运行冬季工况(即逆工况)，机组通过埋管换热器吸收土壤中多余的热量，产生高温热源用于除湿剂稀溶液再生为浓溶液，以备后续循环使用。为有效缓解土壤中累积的热量，基于此方案，兼顾占地面积及能耗，寻求优于传统地源热泵空调系统能效、温湿独立控制热泵空调系统的逆工况运行时段及相对较小钻孔间距值，以此缓解土壤热堆积、提高热泵机组的性能参数、降低能耗。

图1 土壤热堆积缓解方案

2 系统建模与验证

2.1 地埋管传热模型

本文以单U型地埋管换热器作为研究对象，基于准三维模型，假设各个钻孔的传热条件、埋管特性相同；忽略各部分接触热阻；忽略地下水及地表温度的影响[6]。

1)单钻孔与周围土壤的传热控制方程：

式中：r—钻孔半径，m；

ρ—土壤密度，kg/m3；

C—土壤热容，J/(m3·℃) ；

Tl—瞬态温度，℃；

ql—瞬态热流；

λ—土壤导热系数。

2)埋管外壁与钻孔壁的导热方程为：

式中：ρb—回填材料密度，kg/m3；

Cb—回填材料比热容，W/m3；

λb—回填材料导热系数，W/( )m·K ；

rb—钻孔内部轴心沿轴向的距离，m。

3)两个钻孔间埋管内流体与周围土壤之间的换热方程：

式中：q—单位体积换热量，W/m3；

Cf—流体体积比热容，J/(m3·℃) ；

qf—流体流速，m3/s；

Tb—钻孔壁温，℃；

d—钻孔间距，m；

H—钻孔深度，m；

αP为流体与钻孔壁之间的对流换热系数，W/(m ·℃) ；

Tfin，Tfout—地埋管进、出水温度，℃。其中Tfout= β·Tfin+(1 -β)Tb；

2.2 热泵系统Trnsys模型

以上海某地区办公楼为应用对象[7]，建立温湿独立控制的地源热泵空调系统Trnsys模型，如图2所示。模型中主要包括埋管换热器、热泵机组、空调末端、溶液系统、控制器和计算器模块。根据实际建筑物的冷热负荷、干湿温度、埋管选型、以及选型热泵机组的制热、制冷量等性能指标选择Type-557a埋管换热器、Type-668水-水式热泵机组、marco溶液除湿组合模块等部件，通过输入埋管换热器的形状参数、导热系数，钻孔间距、深度、数量，建筑物逐时湿负荷，热泵的额定制热、制冷量以及热泵的数量等参数，依据热量的流动关系、质量的流动关系或时间启停装置等进行连接。

图2 温湿独立控制地源热泵系统Trnsys模型

热泵机组的COP可通过拟合的方式来获得[8]：先通过计算得到选型热泵机组在不同埋管出水温度下的COP，然后进行模拟埋管出水温度与COP的差分，最后利用Matlab编程计算得到热泵进水温度与COP的二次关系式：

式中：Qheating，Qcooling—模型的制热、制冷能力，KJ/hr；

Pheating，Pcooling—制热、制冷模型中热泵的功率，KJ/hr；

Tfin，Tfin'—热泵蒸发器、冷凝器进水温度，℃。

热泵机组性能评判指标之一为机组耗电量，根据上述热泵性能模型可以得出热泵机组耗电量为：

式中：w—热泵运行期间耗电量，kWh；

Qi—i时刻的制冷量或制热量，W；

COPi—热泵在i时刻的能效比；

t—设定的时间步长，s。

2.3 数值参数及模型验证

2.3.1 U型管

以垂直单U型地埋管换热器为研究对象，管群设计为5×9形式，根据地源热泵设计规范[9]，选择HDPE 管，传热系数为 0．512W/m．k，管外径32mm,管内径26mm，长度为120m，管内循环液为水，管内设计流速为1m/s。

2.3.2 土壤热物性

设置初始土壤温度为18．5℃，土壤热物性及其他参数设置见表1。

表1 土壤热物性参数

2.3.3 模型验证

根据文献[7]中的实验数据进行系统模拟，基本参数：孔深60m，钻孔直径110mm，单U型埋管，管外径32mm,管内径26mm，管间距为4．5m，回填材料导热系数为 2．66W/( )m·K ，土壤导热系数为2．4W/( )m·K ，通过仿真获得地埋管出水温度并与其实测值进行对比，如图3所示。由结果可知：两者最大温差为0．7℃，造成误差的原因可能是模拟过程忽略了水泵在实际运行过程中也会产生热量，从而影响了埋管内流体温度，使模拟值比实测值低。二者的温度变化趋势基本一致。

图3 埋管出水温度模拟值与文献实测值

3 运行结果及分析

3.1 系统逆工况运行最佳时段确定

3.1.1 逆工况最短时长

由于除湿液再生所需的总热量相同，所以逆工况每天从土壤中提取的热量总量相同，为120kWh，设定逆工况运行于低电价的夜间，开启时间22:00～6:00，分别取1至8h的时长(均从22：00开始选取)。大量研究表明，各类地源热泵能有效缓解热堆积的钻孔间距范围为3m～6m[10]。为此，对应于该范围内以1m为间隔的每一钻孔间距，模拟温湿独立控制地源热泵空调系统运行10年后在不同逆工况时长下的土壤平均温度、COP以及制冷季热泵机组能耗，见图4。

由图4可见，随着逆工况运行时长的增加，不同钻孔间距的埋管换热器周围土壤的平均温度都随之降低，在1h-2h下降速度较快，在3h趋于平缓，这是由于在埋管换热器吸热量一定的情况下，随着逆工况运行时长的增加，单位孔深换热量会随之降低，从而促进了土壤温度的恢复。系统COP呈现先增长后趋于平缓的趋势，在时长为1h和2h时相对较低。机组的能耗逐渐增加，因长时间运行逆工况，机组的性能系数相对较高，白天机组的耗功更低，但大大增加了机组在夜晚逆工况运行时的耗功，以致机组能耗大幅度上升。综合考虑这三种因素，选择3h为机组逆工况运行时长。

图4 各钻孔间距不同的逆工况时长下土壤平均温度、COP及机组能耗

3.1.2 逆工况最佳时间段

基于所确定逆工况最短时长，分析在相同时长下，不同逆工况时段对缓解土壤热堆积的影响。将22:00-6:00分为三个不同时段：22:00-1:00，24:00-3:00，3:00-6:00。图5为温湿独立控制地源热泵空调系统运行10年后在逆工况不同时段下的土壤平均温度、COP以及制冷季热泵机组能耗图。从图5可以看出：土壤平均温度最低点时段在3:00-6:00，为 18．727℃ ，最 高 点 时 段 在 22:00-1:00，为22．588℃；制热、制冷COP最高值都出现在3:00-6:00时段分别为4．815和2．82，最低值都出现时段在 22:00-1:00 为 4．482 和 2．39；能耗最大值时段在22:00-1:00，为571 058kWh，最低值时段在 3:00-6:00，为409 206kWh。

综上，在机组运行10年后，对应于时段3:00-6:00的土壤平均温度更低，土壤中的热量堆积更少，系统COP相较于其他两个时段更高，机组的运转效率更高、能耗低，有利于降低运行成本。因此，本系统选定时段3:00-6:00为最佳的逆工况运行时段。

图5 各钻孔间距在不同逆工况时段下的土壤平均温度、COP及能耗

3.2 不同钻孔间距下两种热泵系统对比

考虑不同钻孔间距下，对比分析基于逆工况最佳时段运行的温湿独立控制地源热泵及普通地源热泵的系统参数。图6为不同钻孔间距下两系统运行10年埋管周围土壤的温升。从图6可以看出：系统运行10年后，随着钻孔间距的增大，两系统周围的土壤平均温度都有明显的降低，且在钻孔间距为3m～6m的范围内，温湿独立控制地源热泵系统周热泵系统的445 896kWh，降低了25 226kWh，这是由于温湿度独立控制的地源热泵系统的性能系数更高，热泵机组的运行效率得到提高，能耗也就随之降低。

综上所述,在钻孔间距为4m～5m的小间距温湿独立控制地源热泵系统中，可以达到钻孔间距为6m的大间距普通地源热泵系统对土壤热堆积的缓解能力，且周围土壤平均温度和能耗较低，性能系数更高。

图6 不同钻孔间距下两种系统的土壤温升

围土壤温升都比钻孔间距为6m的普通地源热泵系统更低，这是由于夜晚温湿独立控制地源热泵系统通过运行逆工况，吸收白天释放的多余热量，相较于普通地源热泵系统的自然散热，可以有效地缓解土壤中的热堆积。

表2为温湿独立控制地源热泵系统与普通地源热泵系统运行10年后各个参数的对比，从表中可以看出：在3m～6m的钻孔间距范围内，虽然温湿独立控制的地源热泵系统在钻孔间距为3m时土壤平均温度最高，为21．785℃，但也明显低于普通地源热泵系统的最低土壤平均温度—钻孔间距为6m时的22．613℃。由于温湿独立控制的地源热泵系统只需排除建筑物内的显热负荷，可以利用高温冷源代替普通地源热泵系统所需的低温冷源，所以温湿独立控制的地源热泵的性能系数更高，最高COP为4．765。钻孔间距为4m～5m的温湿独立控制地源热泵系统相对于钻孔间距为6m的普通地源热泵系统能耗更低，最低为420 670kWh，相对于普通地源

表2 两种热泵系统参数对比

4 结论

1)综合考虑土壤平均温度、COP及热泵机组能耗三个因素，逆工况时长为3h时更好，且在3点到6点的时段下，相对于其他两个时段土壤平均温度和能耗更低，分别为18．727℃和409 206kWh；

2)在3m～6m的钻孔间距范围内，温湿独立控制的地源热泵系统和普通地源热泵系统埋管周围的土壤温升、能耗都随着钻孔间距的增大而逐渐降低，且减小的幅度也在趋于平缓。

3)在钻孔间距为4m～5m的温湿独立控制地源热泵系统中土壤温升都比钻孔间距为6m的普通地源热泵系统低，对土壤的热堆积缓解能力更好，最大温升仅为1．648℃，且热泵机组的COP相对更高，能耗更低，最高可降低25 226kWh。