基于TRNSYS的土壤-海水双源热泵系统运行特性分析

2021-12-28王敬博于慧俐刘明辉胡松涛高磊

可再生能源 2021年12期

王敬博,于慧俐,刘明辉,胡松涛,高磊

（青岛理工大学环境与市政工程学院，山东青岛 266033）

0 引言

海洋中储存着大量由太阳辐射能转变的低品位热能，海水温度一般为2～25℃，非常适合作为建筑空调和海水养殖等的冷热源。我国海岸线绵长，管辖海域面积约为3.0×106km2，海洋资源十分丰富，海洋能源的开发技术也日益成熟[1]～[3]。因此，作为目前有效利用海洋热能的主要方式，海水源热泵系统的进一步推广对缓解沿海地区能源紧张，促进新旧动能转换具有重要意义。

海水源热泵系统通常分为开式和闭式两种。开式系统存在管路易被腐蚀、易被海洋生物附着和取水工程成本高等缺点，在工程应用中，逐渐被闭式系统所取代[4]，[5]。毛细管换热器具有传热性能好，价格低的特点，因此，常被应用于辐射供冷系统中。谢东通过CFD数值模拟计算得知，毛细管的传热系数可达到115～120 W/（m2·K）[6]。将闭式系统与毛细管换热器优化组合构成了毛细管网箱换热器。周彭和张威通过实验测试发现，毛细管网箱换热器的能效高于95%[7]，[8]。将毛细管网箱换热器作为海水源热泵系统的前端换热器，埋置于近岸海床中，可构成新型闭式土壤-海水双源热泵系统。李振通过对新型闭式土壤-海水双源热泵系统实验测试发现，海水源热泵机组能效比EER可达到4.0[9]。张洪涛通过CFD数值模拟发现，毛细管换热器的单位片面积换热量最高可达到481.9 W/m2[10]。

目前，研究主要针对毛细管网箱换热器的理论模拟和实验研究，而对以毛细管网箱换热器为前端换热器的海水源热泵系统运行特性的关注很少。因此，本文基于TRNSYS软件，建立了土壤-海水双源热泵系统仿真模型，并利用实验测试数据对模型进行验证。基于此模型，重点分析探讨了毛细管内流速、浅滩海床中海水渗流速度和变流量调节方式对毛细管网箱换热器换热特性和热泵系统运行特性影响的规律，本文研究为该系统的工程实践提供了理论指导。

毛细管网箱换热器布置图如图1所示。

图1 毛细管网箱换热器布置图Fig.1 Capillary box heat exchanger diagram

1 土壤-海水双源热泵系统仿真模型的建立

为了对土壤-海水双源热泵系统进行运行测试，本文在青岛沙子口海域搭建了现场实验台，利用土壤-海水双源热泵系统为一建筑面积约为500 m2的酒店提供冷热源。酒店的冷、热负荷分别为53 kW和48 kW。热泵系统主要分为3部分，分别为埋设于近岸海床中的前端毛细管网箱换热器、热泵机组和末端风机盘管。实验通过超声波流量仪、压力表等仪器对热泵机组及管路中的温度、压力、流量和热量等数据进行采集并记录。土壤-海水双源热泵系统的实验系统如图2所示。

实验用测试仪器及参数如表1所示。

基于图2的现场实验台系统，利用TRNSYS软件建立了土壤-海水双源热泵系统仿真模型对系统的运行特性进行模拟研究。仿真模型见图3。

图3 土壤-海水双源热泵系统仿真模型Fig.3 Seawater-soil dual source heat pump system simulation model

模型中所使用的部件主要有毛细管自建模块Type815、水泵模块Type114、水-水热泵模块Type682和温控模块Type2b。

1.1 毛细管网箱换热器传热模型建立

毛细管网箱换热器中的毛细管传热过程主要包括毛细管内流体与管壁的对流换热，管壁与周围海床砂土的导热和海水与毛细管的对流换热。为简化毛细管网箱换热器模型，本文提出如下假设：①海床砂土为均匀介质，热物性参数为常数；②海水为单相且热物性为常数；③毛细管内热媒乙二醇水溶液热物性参数为常数；④忽略毛细管管壁与海床砂土之间的接触热阻。

海床砂土中毛细管网箱换热器的简化传热过程如图4所示。

图4 毛细管网箱换热器简化传热过程Fig.4 Simplified heat transfer process of the capillary box heat exchanger

1.1.1 毛细管内对流换热热阻

由于工质在毛细管内流动状态为层流，流体工质雷诺数Ref一般为50～350，层流换热努塞尔Nu准则关联式为[11]

式中：Prf为毛细管内流体普朗特数；d为毛细管内径，m；l为毛细管管长，m；μw为毛细管管壁温度为tw时的动力粘度，Pa·s；μf为流体温度为tf时的动力粘度，Pa·s。

毛细管内对流换热热阻的计算式为

式中：R1为毛细管内对流换热热阻；h1为毛细管内对流换热系数，W/（m2·℃）；r0为毛细管的外半径，m；r为毛细管内半径；kw为毛细管导热系数，W/（m·℃）。

1.1.2 毛细管壁导热热阻

毛细管管壁导热热阻R2的计算式为

1.1.3 毛细管外对流换热热阻

由于毛细管网箱换热器敷设在海床的饱和含水层中，毛细管外壁可看作被一层水膜所包裹，并通过水膜与毛细管管壁进行对流换热。

毛细管外海水膜努塞尔数Nus的计算式为

式中：Ras为毛细管外瑞利数；Prs为海水的普朗特数。

毛细管外部的对流换热热阻R3的计算式为

式中：h2为毛细管外对流换热系数，W/（m2·℃）；ks为海水的导热系数，W/（m·℃）。

毛细管网箱换热器总传热系数k的计算式为

式中：Rf为毛细管内污垢的热阻，考虑到毛细管为塑料材质，无腐蚀和生物附着问题，故可取0。

毛细管网箱换热器单位片面积换热量的计算式为

式中：QA为毛细管网箱换热器单位片面积换热量，W/m2；Q为毛细管网箱换热器总换热量，W/m2；A为毛细管网箱换热器总换热面积，m2；Δt为毛细管网箱换热器进出口温差，℃；n为毛细管片数，片；w为每片毛细管的宽度，m。

1.2 模型参数

依据现场实验情况，模型设置单根毛细管管长为2 m，毛细管内径为2.6 mm，毛细管管壁厚度为0.85 mm，毛细管管材为PPR管。每个毛细管网箱换热器由50片2 m×1 m的毛细管网组成，每片毛细管网共有48根毛细管，毛细管网总面积为1 000 m2，埋深为0.5 m。毛细管内介质是浓度为30%的乙二醇水溶液。海床中含水层的渗流速度为20.74 m/d。

本文模型中各材料物性参数如表2所示。

表2 材料物性参数Table 2 Physical properties of materials

2 模型实验验证

为了验证模型的准确性，将实验中测得的毛细管网箱换热器工质入口处的温度作为模型中毛细管网箱换热器模块的输入值，计算得到毛细管出口处温度。毛细管出口处温度的实验值与模拟值对比图如图5所示。

图5 毛细管出口处温度的实验值与模拟值对比Fig.5 Comparison of experimental and simulated capillary outlet temperature

由图5可知，毛细管出口处温度的模拟值略大于实验值，模拟值与实验值间的最大相对误差为9.66%，相对误差均值为6.35%，这说明模拟结果与实验结果的吻合性较好，验证了该模型的准确性。

3 模拟结果分析

3.1 毛细管内流速的影响

本文分别选取0.03，0.06，0.08，0.1，0.15 m/s和0.2 m/s 6个不同毛细管内流速，分析了毛细管内流速对毛细管网箱换热器单位片面积换热量的影响，具体结果如图6所示。由图可知，在冬季和夏季，毛细管网箱换热器的单位片面积换热量均随毛细管内流速的增加而增加。当毛细管内流速由0.03 m/s增加到0.2 m/s时，冬季，毛细管网箱换热器的单位片面积换热量由40.1 W/m2增大到44.1 W/m2，增幅为9%；夏季，毛细管网箱换热器的单位片面积换热量由65.8 W/m2增大到70.8 W/m2，增幅为7%。

图6 毛细管内流速对单位片面积换热量的影响Fig.6 Variation trend of heat transfer per unit area under different flow velocity in the capillary

毛细管内流速对热泵机组和系统性能系数的影响如图7所示。

图7 毛细管内流速对热泵机组和系统性能系数的影响Fig.7 Variation trend of heat pump unit and system performance coefficient under different flow velocity in the capillary

由图7可知，热泵机组的COP/EER随着毛细管内流速的增大呈上升趋势。其中，毛细管内流速为0.03～0.06 m/s时的增幅较大；毛细管内流速为0.06～0.2 m/s时的增幅小于5%。整体来看，冬季热泵机组COP上升约8%；夏季热泵机组EER上升约5%。系统COP/EER随着毛细管内流速的增大呈下降趋势，冬季系统COP下降约4%，夏季系统EER下降约3%。这是因为随着毛细管内流速的增大，毛细管内流动热阻减小，导致毛细管网箱换热器换热量增加，毛细管网箱换热器换热量的增加提高了热泵机组能效比。同时，毛细管内流速的增加增大了系统的能耗，导致系统性能系数下降。由图7还可以看出，当毛细管内流速为0.06～0.10 m/s时，热泵机组和系统的能效比较高。因此，工程应用中推荐毛细管内流速为0.06～0.10 m/s。

3.2 渗流速度影响

换热器埋置区域海床含水层渗流流速的变化会影响毛细管网管外对流换热热阻，毛细管网箱换热器埋置海床回填材料的物性参数决定了含水层渗流速度的大小，本文选取了粉砂、细砂、粗砂和砾石4种工程用砂土，上述砂土的物性参数如表3所示。

表3 不同砂子的物性参数Table 3 Physical parameters of different sands

图8为毛细管的单位片面积换热量随渗流速度的变化情况。

图8 毛细管的单位片面积换热量随渗流速度的变化情况Fig.8 Variation trend of heat transfer per unit area under different flow rates

由图8可知，毛细管的单位片面积换热量与渗流速度呈正相关。冬季，渗流速度为0时，毛细管的单位片面积换热量最小，为26.6 W/m2；渗流速度为120.96 m/d时，毛细管的单位片面积换热量最大，为51.8 W/m2，增幅为114%。夏季，毛细管的单位片面积换热量最小值为35.5 W/m2，最大值为78.3 W/m2，增幅为121%。

图9为渗流速度对热泵机组及系统性能系数的影响。

图9 渗流速度对热泵机组及系统性能系数的影响Fig.9 Variation trend of heat pump unit and system performance coefficient under different seepage velocity

由图9可知，热泵机组和系统性能与渗流速度呈正相关。冬季，热泵机组COP的最小值为2.83，最大值为4.35，增幅为34.5%；系统COP的最小值为2.13，最大值为3.65，增幅为41.6%。夏季，热泵机组EER的最小值为3.31，最大值为4.96，增幅为33.4%；系统EER的最小值为2.58，最大值为4.24，增幅为39.1%。

增大换热器周围的渗流速度，有利于土壤-海水双源热泵系统的换热量和热泵性能系数的提升。但由于砾石具有棱角尖锐的特性，长期受海浪切应力的影响造成毛细管管材磨损，且当砾石的渗流速度为120 m/d，粗砂为20.75 m/d时，换热量提升幅度分别为121%和91%，与渗流速度相比，换热量的提升幅度较小，因此，选择粗砂作为回填材料更具有实际应用价值。在工程实际应用中，建议回填材料应结合材料特性选择渗流系数较大、导热系数较高的材料。

3.3 变流量控制方式影响

建筑负荷受室外气象参数影响，因此，系统实际所需流量往往小于最大设计值。为了便于调节，工程上通常将网箱分成若干组，负荷不同时开启的组数不同。系统运行时，由于各网箱支路的阻抗恒定不变，因此，毛细管网的特性曲线不会随流量发生变化，这更利于使用变流量调节的方法调节毛细管网箱换热器流量。本实验台的毛细管网箱换热器共配置10个毛细管网箱，每2个毛细管网箱并联在一组。毛细管网箱换热器的供回水集管与机房的分集水器相连，在模拟时设置了全定速泵控制和全变速泵控制两种控制形式。其中，全变速泵控制是通过加装变频器来实现。

图10为模拟过程中源侧水泵连接形式。

图10 源侧水泵连接形式Fig.10 Connection form of the water pumps

图11为供暖季，不同流变量调节形式下，系统和热泵机组COP随负荷率的变化情况。

图11 不同流变量调节形式下系统和热泵机组COP随负荷率的变化情况Fig.11 Variation trend of COP with load rate under different flow variable adjustment forms

由图11可知，随着负荷率的下降，热泵机组和系统COP均呈降低趋势。同一负荷率下，定速泵机组COP高于变速泵机组，变速泵控制下的系统（简称为变速泵系统）COP整体高于定速泵控制下的系统（简称为定速泵系统），变速泵系统COP比定速泵系统平均高2.1%。这是由于毛细管的单位片面积换热量与毛细管内流速为非线性相关，流量的减少对换热量的影响很小，虽然热泵机组的能耗稍有增加，但却可以有效降低水泵的功耗。基于供暖季的负荷时间频率，通过计算得到，与定速泵系统相比，变速泵系统中水泵能耗减少了798 kW·h，水泵节能率为33%，总能耗降低了598 kW·h，总节电率为2%。由于P∝Q3，在接入部分负荷时，通过调节换热器开启组可以提高热泵机组效率，通过变频调节可以使水泵在高效区稳定运行，有效降低水泵能耗，提升系统COP。