地埋管换热器设计参数对系统能效影响及优化分析★

贺士晶 马珂妍 王松庆

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

·绿色环保·建筑节能·

地埋管换热器设计参数对系统能效影响及优化分析★

贺士晶 马珂妍 王松庆

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

以典型办公建筑全年动态负荷为依据，对严寒地区土壤源热泵系统地埋管换热器设计参数对系统能效的影响进行研究。研究结果表明，增大地埋管换热器间距有利于提高系统运行可靠性，在换热能力不变的前提下增大地埋管换热器埋深，有利于土壤温度稳定，降低对土壤的热干扰。

严寒地区，地埋管换热器，系统能效

地埋管换热器是土壤源热泵系统重要组成部分之一，是热泵机组与土壤进行热交换的纽带，其换热性能直接影响土壤源热泵系统能效。Lim[1]和Lee[2]等通过现场热响应测试分别对地埋管换热器的换热性能进行研究，测试中考虑了回填材料类型，地埋管类型等因素对地埋管换热器换热性能的影响；Gao等[3]对桩基式地埋管换热器的换热性能进行了研究；Zheng等[4]对垂直布置的U型地埋管换热器的换热性能进行研究，建立了钻孔内外的热传递数学模型，通过数学仿真研究得到影响热传递特性的影响因素;Sanaye等[5]以土壤源热泵系统年运行费用为优化目标，对土壤源热泵机组参数和地埋管换热器设计参数的最优值进行预测，同时对影响年运行费用的参数进行了敏感性分析；Chen等[6]基于热阻最小化原则，对地埋管换热器最佳换热能力进行分析；Kjellsson等[7]分别以减少电耗和减少地下取热量作为优化目标，对太阳能—土壤源热泵组成的混合系统进行了容量匹配优化研究；Khalajzadeh等[8]运用响应面模型(RSM)，在制冷季以单个地埋管换热器换热性能作为优化目标，对地埋管换热器进口处水温、管径尺寸等参数进行优化分析，寻找最佳设计参数。在我国北方地区尤其是严寒地区的建筑采用土壤源热泵系统时，由于冬季采暖期较长，夏季空调期较短，冬季热负荷远远大于夏季冷负荷，对土壤的取热量和蓄热量严重不平衡，冬季取热量远大于夏季蓄热量，长期运行土壤温度逐年降低，严重影响土壤源热泵系统运行效率，使得土壤源热泵技术在北方地区的应用受到了限制。实际上，地源热泵技术的可靠性不仅仅与地域因素有关，还与地埋管换热器的相关设计参数等因素有关。本文从土壤源热泵系统地埋管换热器设计参数对系统能效的影响着手，分析地埋管换热器设计参数对严寒地区土壤源热泵系统能效的影响，并对地埋管换热器关键设计参数进行优化研究，有利于土壤源热泵技术在严寒地区的应用和推广。

1 仿真模型

1.1地埋管换热器模型

本文仿真计算选用国际通用软件TRNSYS进行仿真计算，地埋管换热器模型选用Type557，具体计算理论可参考TRNSYS MANUSL，本文不再赘述。

1.2热泵机组模型

本文选取TRNSYS中Type668模型，同时选取某典型热泵机组样本。额定制冷工况(冷却水进水温度15 ℃，冷冻水出口温度7 ℃，额定制冷量587 kW)；额定制热工况(冷水进水温度15 ℃，热水出口温度45 ℃，额定制热量702 kW)以蒸发器和冷凝器的进口温度为自变量，根据样本曲线拟合该容量工况下热泵机组的性能方程。

对于制冷工况，如式(1),式(2)所示：

Qc=16.80Tei-3.71Tci+441.7

(1)

Pc=0.91Tei+1.39Tci+58.17

(2)

对于制热工况，如式(3),式(4)所示：

Qh=17.29Tei-1.40Tci+506.10

(3)

Ph=1.82Tei+1.75Tci+76.30

(4)

其中，Q为热泵机组的制冷(热)量，kW,下标c为制冷工况，下标h为制热工况；P为热泵机组的制冷(热)耗电量，kW，下标c为制冷，下标h为制热；Tei为蒸发器入口水温，℃；Tci为冷凝器入口水温，℃。

1.3建筑物负荷模型

建筑物负荷模型主要通过TRNSYS中数据输入部件type9和负荷末端部件type682来实现，将建筑物逐时负荷结果以外部文件的形式导入，从而确定整个热泵系统逐时出力情况。

2 案例研究

本文研究选用齐齐哈尔市某一典型办公建筑土壤源热泵系统作为研究对象，分析地埋管换热器设计参数对土壤源热泵系统能效的影响。

2.1建筑动态负荷特性分析

本文选取的典型办公建筑参照相关规范，选取和设置建筑物室外环境参数、室内计算温度、围护结构热工性能参数等，相关参数如表1所示。对该典型办公建筑进行全年动态负荷计算。逐时动态负荷结果如图1所示。

表1 典型办公建筑相关参数

2.2基本参数设置

本文仿真计算中关于土壤源热泵系统主要参数设置如表2所示。

表2 土壤源热泵系统基本参数设置

2.3埋管间距对系统能效的影响

地埋管换热器间距是地埋管换热器设计的重要参数之一，地埋管换热器间距过小会引起各地埋管换热器之间的热干扰从而影响地埋管换热器的换热性能；而地埋管换热器间距过大，则必然需要占用更大的管区面积，浪费地面资源，不利于节约土地资源和降低成本。因此对于严寒地区的地源热泵应用，需探寻较为合理的地埋管间距。本研究考虑到可利用的土壤面积，地埋管换热器布置时埋管间距一般不宜小于4 m。本研究选取4 m,5 m和6 m三个典型的间距值，在控制其他参数不变的条件下，对土壤源热泵系统能效变化特性进行分析，优化严寒地区地埋管换热器的合理间距值。研究以10年为周期，不同管间距下的典型区域制热COP和制冷COP变化如图2和图3所示。

由图2可知，对于制热工况，地埋管换热器间距6 m工况时，制热能效优于管间距4 m工况的制热能效。第一年运行时，间距6 m工况比间距4 m工况制热能效高0.72%。运行10年后，间距6 m工况比间距4 m工况能效高1.75%。对于本研究中的典型建筑而言，管间距对系统制热能效的影响不明显，但实际工程中要综合考虑建筑物规模，注意地埋管换热器管间距对系统制热能效的影响。

由图3可知，对于制冷工况，间距4 m工况制冷能效优于间距6 m工况的制冷能效。第一年运行时，间距4 m工况时比间距6 m工况的制冷能效高3.7%，运行10年后，间距4 m工况比间距6 m工况的能效高5.6%，由上述分析可知，管间距对系统制冷能效的影响高于对制热工况的影响，产生上述情况的主要原因是由严寒地区的气候条件导致的，与夏季相比，建筑物冬季采暖需要的热量远大于地源热泵系统夏季存储在地下的热量，使得土壤温度逐年降低进而降低了冷凝温度。由于间距4 m工况土壤温度衰减幅度大于间距6 m工况，使得间距4 m工况运行时对应的冷凝温度低于间距6 m工况，进而得出上述结论。

2.4地埋管埋深对系统能效的影响

地埋管换热器设计的另一重要影响因素是其施工深度(即埋深)。假如地埋管换热器组群的换热能力不变，如果改变钻孔深度，就需要调整钻孔数量。由于在实际工程中，钻井的深度一般为30 m～180 m。本研究采用几组典型设置相互对比，工况设置如表3所示。

表3 埋深与钻孔数量的工况设置

采用这五组典型设置，在控制其他参数不变的条件下，对土壤源热泵系统能效变化特性进行分析，优化严寒地区地埋管换热器的合理埋深值。

研究以10年为周期，不同管间距下的典型区域制热COP和制冷COP变化如图4所示。

从图4中可以看出在10年的运行中，系统制冷制热COP整体均为下降趋势，而制冷COP均为上升趋势。随着埋管深度的增加，制热COP的上升值和制冷COP的下降值有小幅波动，整体略有减小。制热COP的下降值变化了0.015，而制冷COP的上升值变化了0.042，变化幅度很小。由此可见，改变地埋管的埋深与孔数对系统效能的影响较小，且由于钻孔的加深和难度增大，系统的初投资也会提高。确定地埋管埋深时需综合考虑土壤温度的稳定性和经济性指标。

3 结语

1)地埋管换热器间距的设置应综合考虑埋管间的热干扰和管区使用的土地面积，增大管间距有利于系统运行，在严寒地区进行地源热泵系统设计时，应以冬季制热工况为主，以提高地源热泵系统的可靠性；

2)在换热能力不变的前提下(即埋管总长度不变)，尽量增大地埋管换热器埋深，而不是增加地埋管数量，有利于土壤温度的稳定，降低对土壤的热干扰。

[1] K.Lim,S.Lee,C.H.Lee.An experimental study on the thermal performance of ground heat exchanger[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2007,31(8):1564-1571.

[2] C.Lee,M.Park,T.B.Nguyen,et al.Performance evaluation of closed-loop vertical ground heat exchangers by conducting in-situ thermal response tests[J].Renewable Energy,2012(42):77-83.

[3] J.Gao,X.Zhang,J.Liu,et al.Thermal performance and ground temperature of vertical pile-foundation heat exchangers:A case study[J].Applied Thermal Engineering,2008,28(17-18):2295-2304.

[4] Z.H.Zheng,W.X.Wang,C.Ji.A study on the thermal performance of vertical U-tube ground heat exchangers[J].Energy Procedia,2011(12):906-914.

[5] S.Sanaye,B.Niroomand.Thermal-economic modeling and optimization of vertical ground-coupled heat pump[J].Energy Conversion and Management,2009,50(4):1136-1147.

[6] L.Chen,Q.Chen,Z.Li,et al.Optimization for a heat exchanger couple based on the minimum thermal resistance principle[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2009,52(21-22):4778-4784.

[7] E.Kjellsson,G.Hellstrom,B.Perers.Optimization of systems with the combination of ground-source heat pump and solar collectors in dwellings[J].Energy,2010,35(6):2667-2673.

[8] V.Khalajzadeh,G.Heudarinejad,J.Srebric.Parameters optimization of a vertical ground heat exchanger based on response surface methodology[J].Energy and Buildings,2011,43(6):1288-1294.

Optimizationanalysisonsystemenergyefficiencywithdesignparametersforgroundheatexchanger★

HeShijingMaKeyanWangSongqing

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Based on the annual dynamic load of typical office building, the optimizationg analysis on system energy efficiency with design parameters for ground heat exchanger was carried out by a case study in severe cold region. The present study indicates that the reliability of ground source pump system could be improved by better spacing of ground heat exchangers. The more depth of ground heat exchanger, which is kept the same heat transfer capacity, is beneficial to improve the stability of soil temperature and reduce the thermal interference of soil.

severe cold region, ground heat exchanger, system energy efficiency

1009-6825(2017)29-0175-03

2017-08-09 ★：中央高校基本科研业务费专项资金项目(DL11BB30)

贺士晶(1983- )，女，博士,讲师

TK529

A