新型混合地源热泵的土壤热平衡性能模拟

刘小银 彭彪

中南大学能源科学与工程学院

新型混合地源热泵的土壤热平衡性能模拟

刘小银 彭彪

中南大学能源科学与工程学院

地源热泵是一种新型节能环保的绿色能源利用技术，在应用过程中，存在的较大问题之一就是对土壤的吸放热不平衡。针对此问题本文提出了一种新的混合地源热泵形式，将热水系统和地源热泵空调系统进行耦合，对长沙某宾馆进行了系统设计并用TRNSYS进行了长达30年的模拟。通过和传统单一的地源热泵空调系统比较，证实了该系统不仅能有效地解决土壤吸放热不平衡问题，而且有效地提高了机组的运行效率。

新型混合地源热泵 TRNSYS模拟 土壤热不平衡 机组效率

传统的地源热泵存在一个非常大的问题，系统在全年的运行过程中对土壤的吸放热达不到平衡，长年的运行往往会造成土壤温度的上升或者下降，从而降低地源热泵的运行效率，甚至导致系统无法运行[1]。为了解决土壤热平衡问题，人们提出了混合地源热泵的概念，即在传统地源热泵的基础上加上一些辅助设备，使得系统对土壤的吸放热量尽量达到平衡，一种形式就是在系统中加入冷却塔，在夏季负荷较大的地区，冷却塔将多余的热量排到空气中。同时，也有在地源热泵机组中加装过热器来将空调制冷时散出的冷凝热加以利用的形式[2]。

1 新型混合热泵系统的构成及优点

1.1 系统构成

本文提出一种新型混合地源热泵系统方案，在空调系统中加装热水系统，与加装过热器方式不同的是，这个方案中空调系统的设备和热水系统的设备是相对独立的，如图1所示。左侧的一套循环热泵系统用作空调，右侧的一套循环热泵系统用作制取热水。整套系统在夏季运行时，从空调机组冷凝器出来的冷却水将有一部分进入到热水机组的蒸发器当中，经过蒸发器的吸热之后再与多余的冷却水混合进入到地埋管中与土壤进行换热，进入到热水机组的冷却水流量根据热水机组的需要来确定，并且通过阀门来控制。当空调系统不运行时，地埋管的出水直接进入热水机组中。系统在冬季运行时，空调机组和热水机组同时需要从土壤中吸收热量，地埋管的出水分流经过空调和热水两个机组的蒸发器后再汇合流入地埋管与土壤换热。空调机组的转换通过自身的四通阀完成。

图1 新型混合地源热泵系统原理图

1.2 系统的优点

新型混合热泵系统在夏季运行时，热水系统能利用空调的冷却水制取热水，避免冷凝热浪费的同时减少了系统向土壤的排热；在冬季运行时，两机组同时从土壤中吸热，在对土壤排热量远大于吸热量的地区增加了从土壤的吸热量，同时还避免了传统热水制取的过程中使用的天然气、电等高品位一次性能源的使用。另一方面，热水不仅在夏季制冷时能够得到供应，在空调制热的冬季也能得到供应，这也是这套系统相比于加装过热器利用冷凝热制热水机组的主要优势所在。此外，和冷却塔混合热泵相比，也省去了额外的能量投入，能源利用效率高。

2 系统模拟

2.1 建筑概况

本文选取了长沙市某宾馆作为模拟的建筑对象，该宾馆共有5层，层高3.5m，总建筑高度17.8m，总建筑面积约6000m2。南北窗墙比约为23.2%，东西窗墙比约为6%，共有房间150个，由混合地源热泵系统供应空调和热水。

2.2 系统建模

混合地源热泵系统由两个主要部分组成，空调系统和热水系统。利用瞬时模拟软件TRNSYS对系统的运行进行模拟，系统的主要组成模块包括水水热泵模块、GHE（地埋管换热模块）、热水水箱模块等。

各部件之间的数据传递作为系统连接的主线，用实线连接，虚线表示控制信号。分别建立建筑物负荷模拟程序和混合热泵系统模拟程序（如图2所示）。

图2 系统模拟原理图

3 建筑瞬时能耗模拟

全年的瞬时负荷模拟也采用TRNSYS的建筑负荷模块，天气数据采用的是长沙典型气象年参数。图3为建筑全年负荷。

图3 建筑全年负荷

4 机组型号

4.1 空调机组的选择

空调机组选取模块化热泵机组，单台制冷量224kW，建筑峰值冷负荷为516.73kW，全年实际运行中可根据的建筑负荷自动选择模块化机组的运行台数（冷负荷峰值时为3台）。

4.2 热水机组的选择

宾馆共300床位，热水用水定额为120L/(d·床位)，热泵设计小时供热量计算公式[3]为：

式中：Qg为设计小时供热量，kJ/h；qr为用水定额，L/(d·床位)；m为用水单位数，个；tr为热水温度，℃；tl为冷水温度，℃；T1为热泵机组设计工作时间，取12h；ρr为水的比热，kJ/(kg·℃)；K1为安全系数，取1.1。

从式（1）计算得出小时供热量为197.84kW，故选取单台制热量236kW的地源热泵热水机组满足需求。

4.3 地埋管参数

地埋管的长度计算采用Bernier[4]修正的ASHRAE算法。修正的ASHRAE算法如下：

式中：LBHE为地埋管总长，m；Qa为土壤每年的净吸热量（或净放热量），kW；Qm为最热月（或最冷月）土壤的平均吸热量（或放热量），kW；Qd为土壤逐时吸热量（或放热量）的最大值，kW；Rsa为与Qa相对应的从钻孔至无穷远处土壤传热热阻，m·℃/kW；Rsm为与Qm相对应的从钻孔壁至无穷远处土壤传热热阻，m·℃/kW；Rsd为与Qd相对应的从钻孔壁至无穷远处土壤传热热阻，m·℃/kW；Rd为钻孔热阻，m·℃/kW；Tff为无穷远处土壤温度，℃；Tpen为由于临近钻孔的热干扰而引起的温度补偿，℃；Tin为设计U型管进水温度，℃；Tout为设计U型管出水温度，℃。

地埋管各项参数如表1所示。

5 模拟结果分析

在设定条件下系统运行30年（综合考虑建筑寿命和地源热泵特性，选择两个设备周期作为模拟时间，即30年），通过有无热水系统的地源热泵系统的模拟和对比，分析混合地源热泵在改善土壤吸放热不平衡方面的作用。

图4 土壤平均温度

图5 峰值出水温度

图4可以看出，随着系统运行时间的推移，土壤的温度均有所上升，但混合地源热泵土壤温度的上升幅度较传统地源热泵要小很多，前者在三十年的模拟运行过程中温度仅上升了4℃，而传统地源热泵在运行30年之后土壤温度上升了14℃。图5显示峰值出水温度的逐年变化。土壤峰值出水温度表示了机组在最不利情况下运行时的冷凝器进水温度，在传统的地源热泵中峰值出水温度达到了40℃，而混合地源热泵只有29℃，说明传统的地源热泵系统在长期地运行过程中，机组的运行环境逐年恶化，而混合热泵由于热水系统的加入使得机组运行条件得到了明显的改善，在30年地运行过程中，土壤温度有小幅度上升，峰值出水温度也有小的上升，但是对机组运行而言影响不大。

图6和图7显示了土壤吸放热不平衡造成的土壤温度上升对机组运行效率的影响，这里采用了年均COP的概念：

年均COP能表示出土壤温度的改变对年内长期运行的系统能效的综合影响效应（这里只统计空调机组的能效），COP越高，表示土壤温度的改变越有利于机组的运行，相反，则不利于机组的运行。从图6可以看到传统地源热泵系统，制冷COP降低幅度较大，因为传统地源热泵从土壤中吸收和散给土壤的热量相差较大，常年运行会使土壤的温度升高得比较大，在夏季制冷工况运行时，冷凝温度会升高，从而造成机组制冷效率的大幅下降。也正是因为土壤温度的升高，同时也造成了机组制热工况下，蒸发温度的升高，但是土壤温度的升高引起的制热效率的提升并没有制冷效率的降低幅度大。同时，由于制冷能耗占机组全年运行能耗比例较大，可以预见的是土壤温度的提升所减少的制热耗功量小于所增加的热冷耗功量，总体是增加了全年运行能耗。而且还可以看出，系统制冷效率一直处于一个下降的趋势，30年后仍会继续下降，但是经过前20年制热效率的小幅提升后，后10年的制热效率趋于平缓，基本上没有增加。

图6 传统地源热泵机组能效

图7 混合地源热泵机组能效

混合地源热泵的制冷和制热效率相对而言则会比较平缓一些，而且随着时间的推移，混合地源热泵的节能效果越发明显，运行30年后制冷和制热的年均COP分别为3.97和4.49，制冷COP高于传统地源热泵的2.64，在第30年全年，混合地源热泵相比传统地源热泵，制热和制冷总能耗要低25%，从整个30年的运行来看，混合地源热泵的制冷制热总能耗要比传统低15%，因此，混合地源热泵具有更好的经济效益。

在这里定义一个R值：

式中：Qin表示进入土壤热存储区的总热量；Qout是表示土壤热存储区向外排放的总热量。

比值R表示设定时间内进出土壤热存储区的热量之比，比值越接近1，表示进入和排出的热量越接近，土壤温度的变化越小，越有利于地源热泵的长期稳定运行，相反，比值R与1相差越大，表明土壤的进出热量越不平衡，长期以往便会影响土壤的温度，不利于地源热泵的长期稳定运行。当R＜1时，进入土壤的热量大于排出的热量，土壤温度会升高，当R＞1时，进入土壤热存储区的热量小于排出的热量，土壤的温度会降低。

图8显示，传统的地源热泵R值总是在混合地源热泵之上，表明传统地源热泵在系统运行的过程中，会持续不断地对土壤造成热量的累加，从而提升了土壤温度。在混合地源热泵的运行状况下，R值在传统地源热泵之下，说明混合地源热泵有效地减少了对土壤的热量累加效应，土壤温度增加的幅度小，对机组的运行影响相对较小。

图8 两种热泵系统R值的比较

同时，还可以看出两种地源热泵系统对土壤的吸放热量都随着时间的推移呈现出慢慢接近的趋势，即R越来越接近1，即两种地源热泵系统在运行多年以后都呈现出对土壤吸放热均衡的趋势，但从上面的分析可以看出，两个系统达到平衡的原理不尽相同。以第30年为例，传统地源热泵对土壤达到吸放热平衡是由于土壤温度的升高增加了土壤对周围散热量的增加，从前面的分析可以看到，在第30年的时候，传统地源热泵系统下土壤温度达到了34℃，最高出水温度达到了39.86℃，虽然土壤吸放热趋近于1，但是此时由于土壤环境的恶化，机组的运行效率已经受影响，机组制冷效率只有2.64，所以这种以提升土壤温度为代价的土壤吸放热平衡没有意义，背离了提高机组运行效率的初衷。反观混合地源热泵，一方面从一开始到最后，土壤的吸放热不平衡率都小于传统地源热泵，在第30年的时候土壤的平均温度还只有23.92℃，年最高出水温度28.79℃，机组仍然处在一个比较高效的运行状况内。它的土壤热平衡是由于热水系统的参与，一方面减少夏季制冷空调冷凝热向土壤的散发，另一方面是由于全年的热水系统运行增加了土壤的吸热量，两方面的原因才使得土壤达到一个基本的热平衡，机组始终能在比较稳定高效的情况下运行。所以混合地源热泵很好地改善了传统地源热泵系统所存在的土壤吸放热不平衡的现象。

6 结论

为了解决传统地源热泵土壤热不平衡的问题，本文提出了一种新型的混合地源热泵系统，即在传统单纯的地源热泵系统中加入热水系统，利用热水系统的吸热和回收冷凝热来平衡系统对土壤放热过大的问题，针对长沙市某宾馆，设计了混合地源热泵系统。利用TRNSYS瞬时模拟系统对建筑的全年运行进行了模拟，系统模拟持续了30年的时间，对模拟结果分析得出如下结论：

1）混合地源热泵有效地降低了土壤平均温度和峰值出水温度。混合地源热泵运行30年之后的土壤平均温度比传统地源热泵低10℃，峰值出水温度低11℃。

2）混合地源热泵在很大程度上限制了因为土壤温度上升而造成的机组运行效率的下降，提高了系统运行的高效性和稳定性。运行时间越长混合地源热泵节能效果越明显，第30年中，混合地源热泵空调机组比传统地源热泵机组节能25%。

3）混合地源热泵是将多余冷凝热用于制热水，并且提高从土壤的吸热量来达到平衡，解决了土壤吸放热不平衡的问题。混合地源热泵和传统地源热泵在运行多年后都会达到对土壤吸放热的基本平衡，但传统地源热泵是由于土壤温度的升高增强了土壤散热而达到的平衡，降低了机组的运行效率，没有现实意义。

[1]杨卫波,施明恒.混合地源热泵系统（HGSHPS）的研究[J].建筑热能通风空调,2006,25(3):20-26

[2]Ping Cui,Hongxing Yang.Simulation of hybrid ground-coupled heat pump with domestic hot water heating systems using HVAC -SIM+[J].Energy and Buildings,2008,40(9):1731-1736

[3]上海市建设和管理委员会.建筑给水排水设计规范(GB50015-2003)[S].北京:中国计划出版社,2003

[4]M A Bernier.Uncertainty in the design length calculation for vert -ical ground heat exchangers[J].ASHRAE Transactions,2002, 108(1):939-944

Soil The rm a l Ba la nc e Pe rform a nc e Sim ula tion of the Ne w Hybrid Ground Sourc e He a t Pum p

LIU Xiao-yin,PENG Biao
School of Energy Science and Engineering,Central South University

Ground source heat pump is a new kind of green energy technologies which is advantage in energy conservation and environmental protection.One of the severe problems in the process of application is the thermal imbalance of the heat absorption and release to the ground.To solve this problem,this paper presents a new type of hybrid ground source heat pump in which hot water system is combined with air conditioning system of ground source heat pump.As an example,make a simulation of a newly designed air conditioning system of a hotel in Changsha.By comparison of the conventional single ground source heat pump,this new hybrid ground source heat pump has been confirmed to solve the imbalance of the heat absorption and release to the ground,effectively improved the operation efficiency of air conditioning unit meanwhile.

new hybrid ground source heat pump,simulation of TRNSYS,ground thermal imbalance,air conditioning unit efficiency

1003-0344（2015）03-040-5

2014-1-28

刘小银（1990～），男，硕士研究生；长沙市岳麓区中南大学能源科学与工程学院（410083）；E-mail:changfeng1990s@126.com