基于TRNSYS辅助冷却土壤源热泵系统性能研究

2022-04-01方晨睿袁安冬王海涛安徽建筑大学环境与能源工程学院安徽合肥230601

安徽建筑 2022年3期

方晨睿，袁安冬，王海涛（安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥 230601）

0 前言

近年来，为了逐步实现“碳达峰、碳中和”目标，土壤源热泵就作为一种具有节能潜力的空调技术得到了越来越多的认可与应用。为了克服这一单一冷热源给发展带来的局限性，冷却塔与土壤源热泵耦合的复合式土壤源热泵成为大势所趋，它在一定程度解决了土壤源热泵常年运行导致的土壤的热失衡，且在能源效益、环境效益与经济效益上都有较明显的优势[1]～[3]。

目前国内外对于复合式土壤源热泵都进行过大量的研究，通过对冷却塔进行控制来获得更高的COP，并且很好地实现土壤的热平衡。Zhijian Liu等[4]比较了传统的地源热泵（GSHP）和冷却塔耦合地源热泵系统（HGSHP），HGSHP的性能系数增加了7.12%，在运行的一年中，耗电量减少了6.40%，在运行十年中，埋管的出口温度低于32°C。对冷却塔的控制方式有很多种，可以调节冷却塔的输入容量，Xuemei Gong等[5]利用Trnsys软件建立了一个HGSHP系统，通过模拟和实验发现，当冷却塔输入功率的比例大于50%，并且在不同的运行时间有不同的输入功率时，土壤热累积可以得到有效缓解。其次，可以让冷却塔间歇运行或者昼夜交替运行，陈大建等[6]提出，冷却塔间歇运行的间隔越小，辅助释放的热量越大，运行和停机时间之比为1：1的运行条件比1：2的运行条件更容易提高机组的性能系数。埋管与冷却塔昼夜交替运行，可以有效地帮助地面温度以后的恢复。或者可以将冷却塔与地埋管串联、并联、单独连接和混合连接，李营等[7]提出以上四种连接方式，并得出针对天津办公建筑空调系统利用混合连接的温差与负荷控制，能耗低，土壤温度变化小。

在固定负载比的辅助冷却方法中，地埋管是主要的冷源，而冷却塔则承担了夏季的多余负荷。由于埋管满足冬季的热负荷，那么冷却塔就主要起到削峰作用。就串联而言，FLR为0.5，表明制冷季50%的高峰冷负荷由冷却塔承担。当每小时冷负荷超过峰值冷负荷的50%时，系统将与冷却塔同时运行。本文以FLR作为辅助散热的控制方式，热泵系统运行10年COP、土壤温度、系统能耗作为目标函数，通过trnsys软件对某土壤源热泵-冷却塔复合系统性能进行研究。

1 建筑负荷特性分析

由图1与表1可知，由于该办公建筑较大，人员密度、设备、灯光等内热源所占负荷较大，系统运行10年建筑的耗冷量远大于耗热量。用普通的土壤源热泵系统已经很难实现土壤热平衡，所以采用固定负载比控制冷却塔进行辅助散热。

图1 全年逐时负荷图

某办公建筑冷热负荷表1

2 系统数学模型

2.1 热泵机组type225[8]

Type225采用的是两种半经验模型DOE-2模型和多元多项式回归模型。DOE-2模型中使用的是冷水机组模型，热泵机组也可以使用这个模型。机组全负荷运行，制冷量CAPmax由下式可得

式中：Me蒸发器侧水的流量，kg/h；Mc冷凝器侧水的流量，kg/h；To蒸发器侧的出水温度，℃;Ti冷凝器侧的回水温度，℃。

式中：CAPo额定工况下全负荷运行的制冷量；CAPr实际工况下制冷量的修正系数;rme蒸发器的实际水流量与额定水流量之间的比；rmc冷凝器的实际水流量与额定水流量之间的比;rTo蒸发器实际出水温度与额定出水温度的比值；rTi冷凝器实际回水温度与额定回水温度的比值。当蒸发器侧出口水温To恒定，制冷量由下式确定:

式中：Q建筑需要的制冷量；C流体比热容；∆t蒸发器侧供水和回水的温度差。

热泵机组部分负荷率PLR如式：

热泵机组的输入功率与Me,Mc,To,Ti以及PLR有关：

式中：Po在额定工况下机组输入的功率；Pr1在满负荷运行下机组输入功率的修正系数；Pr2在部分负荷运行下机组输入功率的修正系数。

得到冷凝器侧出水温度Tco:

土壤源热泵机组COP：

参考DOE-2，由经验公式可给出CAPr、Pr1、Pr2：

2.2 地埋管换热器模型type557[10]

地埋管模块在软件中为Type557，该模块采用DST（Duct Ground Heat Storage）模型，它将整个计算区分为两个区域：岩土区和蓄热区，只考虑钻孔间距的作用，在该模型中假设相邻两个钻孔之间的距离相同，钻孔呈中心对称分布。由于每个钻孔都有自己相应的热响应区，已知热响应区的面积呈现为一个正六边形。因此，如果每个钻孔的热响应区面积为Ap，则由图中几何关系可得：，利用圆形来无限逼近正六边形，且设圆半径为ri，则有关系式所以ri=0.525B，热储存区的体积为Vi=πNbH(0.525B)2。

2.3 冷却塔模型[9]

已知冷却塔中的散热量由两部分组成：①冷却水和空气之间的温差引起的显热交换；②由水的蒸发造成的质量损失所散失的热量。

3 固定负载比控制冷却塔散热方式系统设计

本系统配备了两台冷却塔辅助土壤源热泵机组进行散热，设计让第一台冷却塔承担不同百分比的冷负荷，改变固定负载比，第二台冷却塔随着机组同步启停。系统设计图如图2。

图2 固定负载比控制土壤源热泵-冷却塔散热系统

4 模拟结果分析

4.1 系统运行10年土壤温度变化

冷却塔负责削峰运行，让第一台冷却塔分别承担50%、55%、60%的冷负荷（即当负荷大于725kW、650kW、580kW时开启冷却塔），固定负载比（FLR）分别为0.5、0.55、0.6。第二台冷却塔随着机组同步启停。

本设计初始土壤温度为21.3℃，由图3可知，土壤温度在三种不同负载比下10年内变化都不是很大，但相较来说，负载比为0.55时土壤温度的变化幅度最小，十年后土壤的温度只达到21.75℃，只增加了0.45℃，冷却塔与地埋管散热比为1.53:1，是串联情况下散热最优的固定负载比。

图3 固定负载比控制10年土壤温度

4.2 系统运行10年COP变化

从图4-图7和表2可以得出，固定负载比控制方式下，FLR0.5与FLR0.6时，COP大小较FLR0.55时最高可高出12.3%和7.6%。且FLR为0.5时，冷却塔与地埋管散热比为0.99:1，冷却塔承担了全部负荷的49.7%，随着时间推移，COP在不断下降；FLR为0.6时，冷却塔承担了全部负荷的69.6%，随着时间推移，COP反而在升高，而FLR为0.55时，冷却塔承担了全部负荷的60.5%时，COP基本保持不变。

图4 固定负载比控制10年系统COP

图5 FLR0.5第1年和第10年COP

图6 FLR0.55第1年和第10年COP

图7 FLR0.6第1年和第10年COP

不同FLR时系统综合参数对比表2

这表明了，冷却塔承担的负荷超过60.5%时，机组的COP会随着冷却塔承担的负荷比增加而增加，此时主要依靠冷却塔散热，地埋管与土壤之间换热量减少，那么土壤的热量堆积效应也会减少，并且土壤源热泵系统前期的运行效率是比冷却塔的运行效率要高的，也就意味着，土壤温度的下降是由于此时的制冷效率提升，地埋管向土壤放热量减少，相比冬天取热量主要依靠地埋管导致制热量主要来源于地埋管从土壤取热，土壤取热量随着时间推移不断上升，土壤温度就会逐年下降，会造成土壤温度无法恢复。虽然地埋管与地面的热交换减少了，但冷却塔的功耗却增加了，这也导致了总能耗的增加和地埋管出口温度的升高，降低了整个系统的性能，不利于长期稳定运行。

冷却塔承担负荷低于60.5%时，系统主要是土壤源热泵承担换热量，冷却塔功耗减小，从第一年的起点来看，土壤源热泵前期的运行效率是较高的，但随着时间延长在不断下降，土壤温度十年上升了2.9℃，说明了此时土壤热堆积较为严重，冷却塔没有完全发挥辅助散热的作用，运行效率是很低的，这直接导致整个系统的效率都不会升高，对长期运行并不有利。

FLR为0.55时，COP无明显上升或下降的趋势，运行十年的COP均保持在5.8左右，土壤温度十年只升高0.4℃，那么它就不会造成土壤热不平衡现象发生，即制冷效率与制热效率都不会随着时间延长而发生明显的上升或下降。综上所述，系统的运行在冷却塔辅助散热占比为60.5%，即FLR为0.55时，运行效率更加稳定，有利于长期运行。