两种不同形式复合地源热泵系统能耗研究

王 雷 王劲柏



两种不同形式复合地源热泵系统能耗研究

王 雷1王劲柏2

（1.中信建筑设计研究总院有限公司 武汉 430014； 2.华中科技大学环境科学与工程学院 武汉 430074）

提出一种新型的太阳能辅助地源热泵系统，利用Fluent软件对该系统以及冷却塔辅助冷却地源热泵系统进行两年仿真计算。分析各系统夏季、冬季以及全年的能耗特性，发现新型的太阳能辅助系统比辅助冷却系统要节能，特别是冬季的节能优势明显。另一方面，这种新型太阳能辅助系统造成地下土壤温度波动较大。

太阳能辅助；Fluent；地源热泵；冷却塔；能耗

0 引言

目前，在夏热冬冷地区常用的地源热泵系统主要有两种：一种是常规地源热泵系统，这种系统是完全以地下土壤作为冷热源来实现制冷和供热。由于该地区夏季负荷高于冬季负荷，并且夏季土壤还要承担制冷机组以及水泵等设备的散热量[1]，长年运行会使地埋管周围土壤温度越来越高，机组效率会逐渐下降；同时也会增加系统初投资，降低其市场竞争力[2,3]。另一种是带冷却塔辅助冷却的地源热泵系统，利用冷却塔作为夏季的辅助冷源，可以在一定程度上解决冷热不平衡的问题，但是降低了系统冬季的运行效率。尽管如此，在冷负荷占优的地区，辅助冷却系统逐渐成为地源热泵应用的主要形式。

另一方面，地源热泵系统在夏热冬冷地区的节能优势是在冬季，夏季节能是不明显的[1]，冬季节能潜力如何也有待进一步研究。针对这一点，为了强化冬季换热，同时兼顾夏季制冷，本文提出供热节能优先的复合地源热泵系统[4,5]，利用Fluent对这种系统以及冷却塔辅助冷却地源热泵系统进行两年的全年模拟计算，分析各自的能耗特性以及地下土壤温度场的分布情况。

1 系统及其运行模式

1.1 冷却塔辅助冷却地源热泵系统

辅助冷却地源热泵系统是利用冷却塔作为系统的辅助冷源，由热泵机组、冷却塔、地埋管组成。在夏季利用冷却塔与地埋管换热器联合运行，可以减少对地下土壤的影响，实现冷却塔与地埋管都能高效运行。根据冷却塔与地埋管的连接方式，可分为串联运行和并联运行两种。本文采用的并联运行，冷却塔与地埋管间歇运行，互不影响，系统原理图如图1所示。

图1 辅助冷却系统原理图

系统运行模式为：夏季双U地埋管串联后与冷却塔并联运行，实现供冷；冬季地埋管与机组连接进行供暖；秋季及春季机组不运行，地埋管进行自循环，地下土壤温度可以得到有效恢复。

根据所给建筑全年负荷分布特性，对冷却塔采取简单的时间控制的方式。

表1 间歇运行时间

1.2 供热节能优先的复合地源热泵系统

供热节能优先的复合地源热泵系统（以下简称太阳能辅助系统）在辅助冷却系统的基础上增加一套太阳能集热器装置。由于太阳能是不稳定的，因此太阳能用于对地下土壤加热。该系统考虑了地源热泵系统冬季节能的优势，利用地下土壤的蓄能特性，在秋季过渡季将太阳能灌入地下，提前对土壤加热；冬季机组供热的同时，继续对地下土壤加热。为了减少对夏季的影响，春季对地下提前进行预冷。可实现夏季制冷，冬季供热，秋季（春季）过渡季对地下土壤进预热（预冷）。该系统由热泵机组、地埋管换热器、冷却塔以及太阳能集热器组成。系统示意图如图2所示。

图2 太阳能辅助系统原理示意图

系统运行模式为：夏季地埋管与冷却塔并联制冷，其中冷却塔控制方式与辅助冷却系统相同；秋季利用辅助系统（太阳能集热器+地埋管）对地下进行预热；冬季主系统（热泵机组+地埋管）制热，辅助系统同时加热地下土壤；春季利用冷却塔在夜间对地下进行预冷。

2 模型的建立

2.1 地埋管换热器模型

利用Fluent前处理器Gambit建立双U型地埋管换热器模型，并进行网格划分，模型如图3所示。本文建立模型的几何参数为：U型管尺寸DN32，竖直部分深60m，U型管两管中心距180mm；回填井深61m，直径300mm；土壤半径3m。

建立几何模型时要注意的是网格的划分问题。考虑到温度场沿竖直方向变化不大，所以在竖直方向网格划分较疏；在水平径向，靠近U型管管壁以及回填部分的网格较密，远离壁面的则较疏。对于U型管弯管部分，这部分换热比较复杂，采取的是加密网格的方法。

图3 地埋管几何模型

将几何模型导入Fluent后，边界条件和初始条件的设置是很关键的。U型管进口inlet定义为velocity-inlet，即给定进口介质温度和速度条件。地埋管开启时管内流体设为0.5m/s，停止时为0.00001m/s；管内流体初始温度为288K，地埋管运行时入口温度为机组出口温度，停止时直接将地埋管出口温度赋给入口。地埋管启停的控制以及温度的设置都是通过编写的UDF实现的。由于U型地埋管换热器较长且埋管深度较大，因此可以消除部分外部扰动对进口边界的影响，进口温度主要受机组换热功率的影响。参考文献[6]，U型管进口边界条件：

in()=out()±[()/] （1）

制冷时取正号，供暖时取负号。

式中，im()为U型管某一时刻进口温度，℃；out()为U型管某一时刻出口温度，℃；Q为下换热器某一时刻换热功率，kW；为U型管中介质比热，kJ/(kg·℃)；为U型管中介质质量，kg。

出口ouelet定义为outflow充分发展流动。土壤远边界为绝热边界，U型管内的介质、U型管壁、回填材料以及土壤这些几何体的交界面为耦合传热边界。

2.2 其他部件模型

冷却塔模型采用Merkel焓差算法，主要涉及两个无因次特性参数()和冷却数()，通过建立两者的平衡关系，输出冷却塔出口温度。

太阳能集热器模型在这里作了简化，通过统计冬季供热季（12月14日至2月28日）中所有日照的天数，将这些天各个小时的太阳辐射量取平均值，可以得到冬季某天太阳辐射小时平均值。根据瞬时效率方程可得到集热器出口流体温度。

本文采用Gordan[7]的冷冻机组功耗模型，课题组金香菊同学对该模型作了较为详细的描述[8]，并根据厂家提供的冷冻机组样本数据，拟合出了机组的功耗模型，本文直接应用此模型。

2.3 系统模型的耦合

建立各个部件模型之后，在Fluent求解器中，可以通过编写UDF用户自定义函数将不同的部件模型组合在一起，建立所需要的系统模型，具体的耦合形式如图4所示。

图4 地源热泵系统各模型耦合示意图

3 仿真结果

3.1 第一年机组功耗

第一年夏季辅助冷却系统与太阳能系统是一致的，如图5所示。夏季机组总功耗为183739.4kWh。

图5 第一年夏季机组功耗

图6 第一年冬季机组功耗

图6是冬季的情况，太阳能辅助系统要低于辅助冷却系统，太阳能辅助系统机组总功耗为59811kWh，辅助冷却系统为68839.6kWh，比太阳能辅助系统高15.1%。

太阳能辅助系统第一年机组总功耗为243550.4kWh，辅助冷却系统为252578.9kWh，比太阳能系统高3.7%。

3.2 第二年机组功耗

图7，图8分别给出了第二年夏季和冬季两个系统的机组功耗情况。可以看到，第二年夏季机组功耗是太阳能辅助系统要高，冬季与第一年趋势相似，只是太阳能辅助系统相比辅助冷却系统，功耗降低的幅度加大了。其中，辅助冷却系统夏季机组总功耗为181212.2kWh，冬季为69945.1kWh；太阳能辅助系统夏季为194401.8kWh，比前者系统高出7.2%，冬季为54384.2kWh，节省了28.6%。

第二年全年机组功耗：辅助冷却系统为251157.5kWh，太阳能辅助系统为248786kWh，比辅助冷却系统少1%。

图7 第二年夏季机组功耗

图8 第二年冬季机组功耗

3.3 地下温度分布情况

图9给出的是两个系统在各个季节运行结束后地下土壤的平均温度。

冷却塔辅助冷却地源热泵系统第一年从地下取热量为5027.5kW，第二年取热4982.2kW，两年共取热100009.7kW，运行结束后土壤平均温度为286.8K，比初始温度降低1.2℃。

太阳能辅助系统第一年向地下灌热量为18425.8kW，运行结束后地下土壤平均温度为291.2K，比初始温度升高了3.2℃；第二年向地下灌热量为15324.1kW，结束后土壤温度为293.9℃，温度升高了2.7℃。两年总灌热量为33749.9kW，两年运行结束温度升高了5.9℃。

图9 各个季节结束时地下土壤平均温度

4 结论

（1）对比两种复合地源热泵系统不同季节以及全年的机组功耗，太阳能系统冬季效率要高于辅助冷却系统，特别是第二年；夏季则是相反的。由于武汉地区夏季制冷季很长，全年机组功耗中夏季占的比例较大，导致太阳能辅助系统全年节能优势相比冬季降低很多。并且，太阳能辅助系统全年机组功耗有逐年上升的趋势，而辅助冷却系统则有降低趋势。

（2）辅助冷却系统解决了夏季灌热量大于冬季取热量的问题，全年土壤平均温度有所降低。太阳能辅助系统不但没有解决热堆积问题，反而加剧了热积累，地下土壤温度有较大幅度升高。

（3）在模拟时，对辅助冷热源的控制都是采用的时间控制，如果根据气候条件、热泵机组以及地埋管的效率特性对控制条件进行合理优化，太阳能辅助系统的全年节能优势会更明显。

[1] 马宏权,龙惟定.地埋管地源热泵系统的热平衡[J].暖通空调,2009,39(1):102-106.

[2] 迟玉霞,王景刚,鲍玲玲.复合地源热泵间歇运行时地温恢复特性的研究[J].建筑热能通风空调,2007,26(5): 52-54.

[3] 王侃宏,董呈娟,李保玉.太阳能辅助地源热泵供热的可行性研究[J].节能,2006,(3):33-35,58.

[4] 代洪浪.基于FLUENT地源热泵系统仿真[D].武汉:华中科技大学,2008.

[5] 杨文广.武汉地区不同形式地源热泵系统能耗研究[D].武汉:华中科技大学,2008.

[6] 黄俊惠,时晓燕,唐志伟.地源热泵U型管地下换热器的准三维模型[J].中国农业大学学报,2004,9(5):51

[7] Gordon J M, Kim Choon Ng, Hui Tong Chua. Centrifugal chillers: hermo dynamic modeling and a diagnostic case study[J]. International Journal of Refrigeration, 1995.

[8] 金香菊,王劲柏,别毅.利用低品位余热的冷冻站节能技术[C].中国制冷学会2007学术年会论文集,2007:370-374.

A Study on Energy Efficiency Performance of two Different Hybrid Ground Source Heat Pump Systems

Wang Lei1Wang Jinbo2

( 1.CITIC General Institute of Architectural Design and Research Co., Ltd, Wuhan, 430014; 2.Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074 )

This paper proposes a new kind of solar-assisted ground-source heat pump system(SA-GSHPS), using Fluent to simulate this system and the cooling tower cooling-assisted ground-source heat pump system(CA-GSHPS), which the period is two years. Analyzed the energy consumption performance in summer, winter and the all year, the result showed that the SA-GSHP had more energy-saving advantages than the CA-GSHPS, especially in the winter. On the other hand, the temperature of underground soil had great changes after run the new SA-GSHPS.

solar-assisted; Fluent; Ground Source Heat Pump; cooling tower; energy consumption

1671-6612（2018）06-631-05

TK529

A

王 雷（1985.11-），女，硕士，中级工程师，E-mail：273047387@qq.com

2018-02-26