基于监测数据的土壤源热泵系统设计优化分析

黄新江 刘成刚

(苏州科技大学环境科学与工程学院 江苏苏州 215009)

0 引言

地源热泵作为一项十分具有节能潜力的可再生能源建筑应用技术，受到越来越多的关注，并得到广泛应用。徐伟等[1]指出了目前地源热泵系统的众多技术难点和发展潜力。国内众多研究人员从建筑特性、控制策略、参数设计等角度对地源热泵系统进行了测试和优化。地埋管换热器作为地源热泵系统的核心部件，是影响地源热泵空调系统运行性能和经济性的主要因素[2]。 LI C F等[3]运用数值模型证明了非饱和土壤的不同性质和地下水水位的波动对地源热泵系统的性能均有影响。PU L等[4]提出一种多目标遗传算法优化地埋管换热器的温度等设计参数。然而在现阶段对地埋管换热器设计参数的分析大都采用控制变量法，隔离参数单元，对不同参数的耦合影响分析较少。本文以苏州地区某浅埋式地源热泵系统为研究对象，采用TRNSYS仿真模拟平台，综合考虑地埋管换热器的蓄热体积和埋管深度对管内流速的影响，耦合地源热泵系统的热性能，找出最佳设计流速范围，为实际地源热泵系统工程设计与优化提供参考。

1 工程概况

该空调工程位于江苏省苏州市某办公楼第3～4层，是以土壤为冷热源的地源热泵空调系统。空调面积为959 m2，配备两台水-水模块式热泵机组进行夏季供冷、冬季供热，单台机组名义制冷量为69 kW，名义制热量为58.3 kW。埋管采用双U型垂直埋管，钻孔深度为50 m，共40口井。冷冻水泵和冷却水泵均一用一备，工频运行，并配置了一台冷却塔备用。该工程系统见图1。

图1 地源热泵系统原理

该工程采用Alerton公司的BACtalk管理系统作为空调系统的楼宇监控系统。采用VLC-853和VLC-1600两台现场控制器进行监控。热泵系统的流量测量采用电磁流量计，系统测试采用超声波流量计，电能的测量采用施耐德电表，温湿度的测量主要采用温湿度变送器和HOBO温湿度记录仪(温度范围：-20～70 ℃，±0.21 ℃；湿度范围：15%～95%，±3.5%)。数据采集频率为12次/h，监测时间与热泵运行时间一致。

2 地源热泵系统仿真模型的搭建

将上述浅埋式地源热泵系统作为基础模型，TRNSYS软件为仿真模拟平台，搭建地源热泵仿真模拟系统，如图2所示。

图2 地源热泵系统仿真模拟平台示意

2.1 地埋管换热器模型解析

TRNSYS中地埋管换热模型采用竖直柱热源模型。该蓄热模型内部的温度由总体换热温度、局部换热温度以及稳定流体温度三部分组成。该模型的求解主要是利用显性有限差分法(FDM)，将中心轴线对称的圆柱形蓄热区域模型按径向坐标i和垂直坐标j布置网格，径向又分为多个子区域Vk[5]。总体换热过程中在已知热源值、气温节点和地表温度的情况下，在t+Δt时刻点(i,j)处的温度为

T(i,j)t+Δt=T(i,j)t+[Fr(i,j)-Fr(i+1,j)+Fz(i,j)-Fz(i,j+1)+Ql(i,j)+Qsf(i,j)]·Δt/C(i,j)

(1)

式中，Ql为局部所引起的热源，Qsf为热量再分配引起的热源，Δt为时间步长，C为节点比热容。

最后将求解得出的三部分温度通过叠加原理[5]可以得到土壤中节点(i,j)的温度T，如式(2)。

2.2 初始及边界条件

(1)初始条件。将监测得到的建筑物全年冷热负荷作为仿真模拟平台的输入，热泵参数按照厂家提供的实际样本进行修正，同时根据当地热响应实验测得的土壤换热系数进行地埋管模块的参数设定，土壤初始温度根据文献[6]给出的回归公式计算，具体参数值见表1。模拟时间为87 600 h(10 a)，步长为1 h。起始时间为1月1日，初始工况为冬季制热工况。

(2)边界条件。模型计算自动进行网格划分，且假定换热器在土壤中是均匀分布的，rl处视为绝热边界，模拟区域外边界视为定温度边界，模型设定供回水温差和流量。

2.3 仿真模型的验证

表1 地埋管模块参数设置

图3 仿真模型的验证

3 模拟结果分析

图4给出了浅埋式地源热泵机组连续工作10 a后的地埋管进出水温度和土壤温度变化曲线，结果显示地埋管进出水温度整体呈上升趋势，地埋管进水最高温度达45.5 ℃。土壤温度上升到25.7 ℃，较土壤初始温度升高了5.9 ℃，预计连续运行20 a土壤温升将超过10 ℃，需要开启冷却塔辅助制冷。

图4 地埋管进出水温度和土壤温度变化曲线

3.1 埋管深度对地源热泵系统的影响

保持地埋管换热器蓄热体积不变，且管内流速不变的情况下，改变埋管深度和钻井数，对比分析不同埋管深度下土壤温度变化和系统耗电量变化，具体结果见表2。数据表明，地埋管深度每增加10 m，模拟第10年土壤平均温度仅降低约0.2 ℃，由30 m变化到100 m，土壤平均温度降低1.4 ℃，机组夏季制冷COP值升高0.9，冬季制热COP值降低0.7。模拟实际工况系统10 a耗电量共计828 580 kW·h，30 m埋管深度工况下耗电量增加1.14%，100 m埋管深度工况下耗电量减少1.53%，平均每增加10 m耗电量减少0.6%。由此可见，相同蓄热体积条件下，埋管深度对土壤平均温度变化以及系统耗电量影响较小。

表2 不同埋管深度模拟数据对比

3.2 不同流速对地源热泵系统性能的影响

以实际系统埋管深度50 m为例，分别设定地埋管冷却水流速为0.5，1.0，1.5，2 m/s，保持其他参数不变，4种流速分别对应工况1～4，其中，工况3为实际工况。

图5和图6分别对应4种不同工况下地埋管换热器运行10 a的每延米换热量变化曲线和土壤平均温度逐年变化曲线。图5数据表明随着冷却水流速不断增大，地埋管每延米换热量逐渐降低，但同种工况下逐年换热量几乎不变。工况1下最大换热量为52.8 W/m，最小换热量出现在工况4，为42.9 W/m。从图6可以看出，相同时间点冷却水流速越大，土壤平均温度越低，表明地埋管内冷却水流速增大，埋管进出口水温差减小，换热量减小。流速为0.5 m/s工况下，土壤平均温度10 a温升达到8.7 ℃，相当于实际工况运行20 a温度变化，导致严重的土壤热不平衡问题，而后3种工况土壤温升均不足6 ℃。图7总结了不同流速下系统能耗和机组COP值变化。埋管内流速越大，系统能耗越高，但机组COP值降低。数据显示，随着流速的增大，机组能耗降低，但土壤侧水泵能耗增大，因此系统总能耗增大。流速为2.5 m/s下，系统全年耗电量最高，为85 816 kW·h。

可见在设计阶段应适度减小流量，降低能耗，增强地埋管换热量，但同时也要避免土壤严重热不平衡情况的出现。对于该系统，综合考虑系统性能以及土壤温升，埋管内最佳流速范围为1.0～2.0 m/s。

图5 地埋管换热量逐年变化曲线

图 6 土壤平均温度逐年变化曲线

图7 不同流速下系统能耗与机组COP值变化

其余埋管深度下最佳流速范围内的模拟值由表3给出。结果表明，埋管深度越大，最佳流速越小。埋管深度为30 m时，该模型最佳流速范围为2.0～2.5 m/s；当埋管深度增加到100 m时，最佳流速范围减小到0.5～1.5 m/s。

4 结论

通过TRNSYS软件建立地源热泵仿真模型，研究表明，相同蓄热体积和流速条件下，埋管深度每增加10 m，运行第10年土壤平均温度降低0.2 ℃，系统总耗电量减少0.6%。降低埋管冷却水流速可以增大地埋管换热器换热量，提高机组性能系数，但会加速土壤温升。综合考虑土壤热不平衡问题以及系统耗电量存在最佳流速，该浅埋式地源热泵系统冷却水流速1～2 m/s均在合理范围内，且埋管深度越大，最佳流速越小，100 m埋管深度下最佳流速范围为0.5～1.5 m/s。