带气冷器的二氧化碳地源热泵系统的性能分析

叶菁菁，胡海涛，丁国良，EIKEVIK Trygve Magne

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

带气冷器的二氧化碳地源热泵系统的性能分析

叶菁菁1,2，胡海涛*1，丁国良1，EIKEVIK Trygve Magne2

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

地源热泵在夏季冷负荷高于冬季热负荷地区运行会造成土壤热不平衡，常年运行导致土壤温度升高，影响地源热泵性能。为了解决这个问题，本文提出一种带有气冷器的二氧化碳地源热泵系统，建立了该系统的性能预测模型，并将该系统与传统的地源热泵系统进行了对比和经济性分析。结果表明，通过将一部分排热量利用二氧化碳气冷器排放到空气中，并根据温度条件和负荷改变热泵运行的时间表，土壤热不平衡的问题得到了显著的改善，在适当的运行方式下，土壤热不平衡可以完全消除。对比发现，耦合工作的气冷器-二氧化碳地源热泵年运行费用比普通的R134a地源热泵低23%，初始投资低20%。

二氧化碳；地源热泵；气冷器；不平衡率

0　引言

在能源问题愈发严峻的现在，如何减少能量消耗引发了更多的关注。每年全球的能量消耗中有40%来自建筑耗能，而这40%中的一半以上是来自于建筑中空调系统的耗能，对于高温地区，这个比例还更高。提高空调系统的能源效率能够有效降低全球的能量消耗［1］。

与能源问题同样严峻的是环境破坏问题。作为一种高效、节能并且环保的技术，地源热泵技术在全球范围得到蓬勃的发展［2］，成为了目前清洁能源研究中的一个热点。全球使用的地源热泵系统数量近年出现急速增加，在欧洲表现尤为明显。

在夏季冷负荷和冬季热负荷比较平衡的地区，地源热泵能够表现出的能源效率，因为地下埋管换热器能保持长期高效的瞬时热传递。在气候温和，冷热负荷基本平衡的地区，地源热泵系统的 COP可以保持在 3～4，比传统的空气源热泵系统高20%～30%。然而，大多数位于温暖气候或寒冷气候地区的建筑并不具有平衡的冷热负荷，温暖地区冷负荷占主导，寒冷地区热负荷占主导。在温暖气候地区，地源热泵在一年的运行周期中向土壤排放的热量多于从土壤中提取的热量。这样的热量累积势必会造成土壤温度的升高，长此以往会造成地源热泵系统性能的恶化［3］。在这种情况下，地源热泵系统的地下换热器的埋管面积，受到施工现场本身条件或初投资所限制。

关于地源热泵在冷热气候地区面对的热不平衡的问题的研究主要建立在对整个系统的设计上，根据所处地区的气候条件不同，又包含了两个方面。一是在寒冷气候地区，利用太阳能或其他能源补充供热［4-5］；二是在温暖气候地区在建筑中使用冷却塔［6］。ZHAI等［7］在最近的一篇论文中提出了一种有效方法，既能够减少土壤中的不平衡度，还能够通过回热技术和优化室内温度设置来提高能源利用效率。利用回热技术，土壤的不平衡率能够从44.4%降低到16.3%，然而，上述所有研究使用的循环工质均为传统工质。

CO2是一种无毒、不可燃的自然工质，GWP仅为1，且对臭氧层完全无危害。CO2的跨临界循环中，放热过程发生在超临界压力和温度中。不同于普通的CO2循环，跨临界循环不会在高温放热时经受容量和效率损失［8］。现代 CO2的跨临界循环是LORENTZEN［9］在1990年首次提出的。LORENTZEN和PETTERSEN［10］研究了CO2跨临界循环在汽车空调中的应用，ORITZ等［11］对CO2在汽车和住宅空调系统中的应用进行了理论研究。CO2跨临界循环同样适用于制热设备。RITCHER等［12］的研究表明在较低的环境温度下，使用 CO2的热泵热水器比使用410-A的模拟系统具有更高的制热量。

直接膨胀式二氧化碳地源热泵中制冷剂在水平的地下埋管换热器中流动，在特大城市中，由于建筑需求能量高于直接膨胀式热泵所能提供的能量，CAPPOZZA等［13］发现垂直的地下埋管换热器更有利于减小所需的土地面积。然而，目前尚无附带气冷器的地源热泵系统的研究。

本文就研究了带有二氧化碳气冷器的二氧化碳地源热泵系统，应用数学模型对二氧化碳气冷器，二氧化碳地源热泵和目标建筑进行了建模，并模拟计算了该系统在温暖气候地区的运行结果，对比了系统在两种运行方法下的性能，并与传统的地源热泵对比，进行了经济性分析。

1　系统模型

1.1系统工作原理

本文研究中所使用的建筑与 YANG［14］论文中提到的上海闵行档案馆结构相似，负荷也类似。建筑采用欧式结构，建筑面积为8,000 m2。

图 1是气冷器-二氧化碳地源热泵系统的示意图，整个系统中主要包含四个主要的部件，包括地下埋管换热器，二氧化碳气冷器和室内空气处理机组。系统中使用制冷量为594 kW的二氧化碳地源热泵为系统提供能量。通过控制管路上阀门的开闭，系统能在不同的季节转换到不同的工作模式。

图1　气冷器-二氧化碳地源热泵系统示意图

1）在制冷模式下，阀5、6、17和18关闭，阀7、8、15和16打开。热泵中的蒸发器与室内空气处理机组的冷却盘管为建筑提供制冷量，冷凝器则与地下埋管换热器和气冷器相连。从压缩机出口流出的超临界制冷剂有两条通路，一是进入气冷器，将热量排放到空气中，二是进入地下埋管换热器被冷却。如此一来，空调系统排放的热量被空气和地下换热器的循环水分担。

2）在制热模式下，阀7、8、15和16关闭，阀5、6、17和18打开，同时，阀11和12也关闭。蒸发器与地下埋管换热器相连，冷凝器与室内空气处理机组的制热盘管为建筑提供热量。

系统的负荷设计是根据不同地区的气候决定的，例如，上海和广州每月的负荷如表1所示，由于气候不同，两个地区的供冷时间和供热时间不同，两个城市 1年后土壤的不平衡率分别为 29.5%和90.2%。上海和广州的冷负荷都远大于热负荷，造成的不平衡率较大，对土壤温度的影响较为明显。通过分析气冷器和地源热泵的性能和负荷可以优化；两个部件的工作方式和时间，以达到消除不平衡率的目的。

表1　每月建筑负荷

1.2热泵系统数学模型

压缩机的总效率，体积效率和机械效率都是根据ORITZ等［11］针对CO2系统的推导式计算的。如下面的计算式所示，效率是和压缩比有关的函数：

式（4）表明压缩机功率是由CO2的质量流量，压缩机总效率和CO2在等熵过程中焓值的变化决定的：

式中：

η——效率；

tot——总（脚标）；

vol——体积（脚标）；meth——机械（脚标）；

P——压力；

W——功率；

hisen——等熵焓；

Vs——压缩机容积；

N——压缩机转速；

ρ1——吸入密度。

1.3气冷器数学模型

在制冷模式下，空气和来自地下埋管换热器的冷水同时分担空调系统排放的热量。对与气冷器而言，在制冷模式下，热泵系统中的气冷器由来自地下埋管换热器换热的冷水进行冷却，而系统外带的空气侧气冷器则由外界空气进行冷却。空气冷却气冷器而言的性能是由WANG等［14-15］得到的热传递递和摩擦的关联式预测的。

1.4地下埋管换热器数学模型

在地下埋管周围的土壤温度分布可以由下式计算：

式中：

Tg——土壤温度；

αg——土壤的热扩散；

τ——时间；

x——计算处到打孔中心的距离。

图2是地下埋管换热器的示意图，如图中所示，U形管中的温度分布和进水口及出水口的温度分别计算如下［16-17］：

图2　地下埋管换热器示意图

1.5主要系统指标

系统对建筑的制冷量和制热量分别由下面两式计算：

由空气侧提供的制冷量比例定义为空气侧气冷器制冷量与整个系统的制冷量之比：

土地在运行一年以后的热不平衡率被定义为：

2　模型验证

本文使用的二氧化碳压缩机和地下埋管换热器模型已经得到验证［7,18-21］。因此，本系统模型的验证关键在于验证所使用的空气侧气冷器模型。本文中，空气侧气冷器的模型由实验数据验证，包含温度条件范围为25 ℃～45 ℃，进口压力为75 Bar～120 Bar，实验数据与理论计算得到的误差在10%以内，证明模型有效可用。表2是某模型气冷器的实验数据。

表2　气冷器实验数据

3　结果与分析

图3对比了3种地源热泵系统在上海的能量负荷，分别是R134a地源热泵系统，采用间歇工作模式的气冷器-二氧化碳地源热泵系统和采用耦合工作模式的气冷器-二氧化碳地源热泵系统。从图 3中可以看出：1）对于R134a地源热泵，夏季室内所有排放的热量均由地源换热器承担，运行1年后土壤不平衡率为 26%；2）采用间歇工作模式的气冷器-二氧化碳地源热泵系统，在天气最炎热的 8月和9月由换热器承担所有排放的热量，而在5月、6月、7月和10月则由换热器和空气侧气冷器共同分担空调系统排放的热量，通过调整空气侧气冷器分担的排热量大小，可以将土壤热不平衡消除；3）采用耦合工作模式的气冷器-二氧化碳地源热泵系统在整个夏季都由由换热器和空气侧气冷器共同分担空调系统排放的热量，同样可以将不平衡率降低到0。

图3　不同地源热泵系统的冷热负荷对比

空气源气冷器在两种运行模式下的工作时间列在表3中。在最炎热的天气不使用气冷器的原因是在炎热的条件下，空气源气冷器的效率低，为了保证较大的热交换量，需要大面积的空气源气冷器，也就意味着增大了成本投资的金额。

表3　气冷器的运行时间（上海）

图4中展示了耦合运行模式下空气侧气冷器承担制冷量的变化对土壤不平衡率、系统初投资和系统运行费用的影响。夏季设置室内温度为20 ℃时，在中国上海，使得土壤热量平衡的空气侧承担冷量比例为29.5%。而对于广州地区，同样条件，空气侧承担的冷量比例为90%。

图4　不同地区空气源气冷器承担冷负荷的比例对结果的影响

在上海，当土壤达到热平衡，初期投资也接近最低值，运行费用同样得到大幅降低；而在广州，土壤达到热平衡时运行费用虽然也大大降低，然而因为需要空气源气冷器负担的比例比较大，初期投资不在最低值，但依然低于传统地源热泵的初投资，说明通过调整空气源气冷器承担冷量的比例，不仅可以使得土壤达到热平衡，还可以大大降低运行费用，并在一定程度上降低初期投资费用。

当设计的两种运行模式均调节空气源承担的冷负荷的比例，使系统运行一年后土壤仍然保持不平衡度为0的时候，对系统的两种运行模式下的运行费用和初期投资费用进行对比，结果如表4和表5所示。从表4可以看出，两种工作模式的带有气冷器的二氧化碳地源热泵的运行费用都比普通R134a地源热泵的运行费用低，采用耦合工作模式的系统空气源气冷器负担了更多的排热量，运行费用比R134a地源热泵的运行费用低23%。从表5可以看出，耦合工作模式的带有气冷器的二氧化碳地源热泵的投资费用都比普通R134a地源热泵的投资费用低，采用间歇工作模式的带有气冷器的二氧化碳地源热泵的投资费用则比普通R134a地源热泵投资费用在耦合工作模式下可以降低夏季地源需要承担的最大换热量，有效减小投资，其初始投资费用比R134a地源热泵的初始投资费用低20%。

表4　不同地源热泵系统的运行费用比较

表5　不同地源热泵系统的投资费用对比（单位：万元）

4　结论

本文通过对二氧化碳热泵，地下埋管换热器和空气源气冷器等子模型进行数学建模，得到了带有气冷器的二氧化碳地源热泵运行性能的预测模型。通过对模型的计算，得出了以下结论：

1）对于不同温暖气候的地区，总可以通过调节空气源气冷器负担的排热量的比例来将系统运行 1年以后土壤的不平衡率降低为 0，对于上海，这个比例为29.5%，对于广州，这个比例为90%；

2）耦合和间歇两种运行模式相比，采用耦合工作模式的带气冷器二氧化碳地源热泵拥有更低的运行费用，并且由于耦合工作模式有助于减小地下埋管换热器的初期投资，耦合模式工作的系统也拥有更低的初期投资；

3）在不同地区，在降低土壤不平衡率的同时，系统的运行费用均能得到大幅度降低，采用耦合工作模式的带气冷器二氧化碳地源热泵就比采用R134a的普通地源热泵运行费用低23%。

在不同地区，在降低土壤不平衡率的同时，系统的初期投资也能得到一定程度的降低，采用耦合工作模式的带气冷器二氧化碳地源热泵就比采用R134a的普通地源热泵初期投资费用低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, KolbjørnHejesvei 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

*胡海涛（1978-），男，博士，副教授。研究方向：制冷系统及换热器优化设计。联系地址：上海市东川路800号，邮编：200240。联系电话：021-34206295。E-mail：huhaitao2001@sjtu.edu.cn。