地源热泵系统土壤直接供冷模式运行性能预测

李凤勇，王恩宇，左春帅

（1.河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401；2.河北省热科学与能源清洁利用技术重点实验室，天津 300401；3.天津市清洁能源利用与污染物控制重点实验室，天津 300401）

0 引言

当前建筑业是中国国民经济中第二大能源消费部门[1]，建筑能耗在中国的总能耗中约占20.00%[2]。伴随经济的快速发展，建筑能耗必将随着人们日益增长的对舒适居住环境追求的提升而增大，可再生能源利用是解决建筑绿色化的重要途径，增大其在建筑能耗中的应用对于可持续的发展具有重大意义[3-4]。地源热泵是以地球表层的浅层地能为冷热源，实现对建筑物供热、供冷及供生活热水的热泵系统，是一种高效、节能、环保的可再生能源利用方式[5]。通常状况下室外地能换热系统以水为载热介质与浅层地能进行能量交换，热泵机组消耗少量电能将低品位能量转化为高品位能量后供给室内末端系统，从而满足建筑负荷需求。前人在研究土壤热平衡性，优化系统运行上做了很多工作，大量工程证明地源热泵技术是非常高效的供热空调技术[6-10]。但在北方寒冷地区夏季供冷季初期时，由于建筑冷负荷较小且土壤温度偏低，可将室外地能换热系统与室内末端系统直接相连接为建筑物提供冷量（即土壤直接供冷模式），从而减少电能的消耗，进一步优化运行，使得建筑更加节能高效，对寒冷地区地源热泵空调系统在夏季运行有着十分重要的意义。本文以寒冷地区天津市为例，对河北工业大学节能实验中心地源热泵系统夏季供冷前期土壤直接供冷模式运行性能进行模拟分析，为该系统的推广应用提供理论依据。

1 研究系统简介

本文的建筑模型为位于天津市的河北工业大学节能实验中心。该建筑共有4层，高为22.70 m，建筑面积为4 953.40 m2，方向为南偏东21.00°，建筑采用钢筋混凝土框架结构，保温墙体的传热系数为0.40 W/（m2·K），南侧为宽通道双层玻璃幕墙。供冷季按照室内设计温度为26.00℃考虑。末端、地源侧水泵额定功率为7.50 kW，最大扬程32.00 m，最大流量87.00 t/h，两用两备，可变频控制。该建筑供冷方式为地源热泵+风机盘管供冷，供冷系统在供冷前期为建筑供冷时不开启热泵机组，通过转换系统阀门使得室外地能换热系统温度较低的水直接流入室内末端系统，通过空调系统末端换热为建筑提供冷量。地源热泵系统原理如图1所示：夏季供冷前期启动循环水泵P1、P2，打开阀门F1、F5、F6、F7，关闭阀门F2、F3、F4、F8，将地埋管储热器中的冷量直接输送到风机盘管中为房间供冷。本文研究夏季供冷前期地源热泵空调系统运行状况。

图1 地源热泵空调系统原理图Fig.1 Schematic diagram of ground source heat pump air-conditioning system

2 TRNSYS仿真模型建立

2.1 模型搭建及负荷模拟

利用TRNSYS仿真模拟软件建立空调系统模型，其中模块包含type557-地埋管储热器、type3b-变频水泵、type928-风机盘管、type56-建筑模型及气象、控制模块等。将模型中的模块按照实验数据进行设定，对空调系统进行逐时模拟，将模拟数据与实验数据进行对比，从而完成对仿真模型的搭建。TRNSYS仿真系统如图2所示。由于建筑负荷是空调系统仿真优化、能耗模拟的基础数据，其准确性直接影响空调系统的仿真结果，本文使用TRNSYS对建筑进行逐时冷负荷模拟。供冷前期运行时间设定为5月18日—5月31日，即3 288.00～3 624.00 h。图3给出了供冷前期建筑冷负荷的逐时变化。在整个供冷前期，冷负荷最大值为5月30日上午10时的77.71 kW，建筑供冷量需求总和为3 389.11 kW·h。在5月18日—9月30日整个供冷期，冷负荷最大值为7月10日上午11时的300.00 kW，建筑供冷量需求总和为177 955.00 kW·h[11]。

图2 TRNSYS仿真系统Fig.2 TRNSYS simulation system

2.2 系统模型校验

2.2.1 土壤温度模型校验

为使系统模型及其仿真结果具有可信性及可用系统模型代替实际系统进行决策，现对TRNSYS系统模型进行校验。模型中气象数据取用河北工业大学气象站实测数据，制成tm2格式气象文件导入TRNSYS中。2020年供冷前期空调系统运行时间为5月18日—5月31日，系统运行前58 d处于停滞状态，对比地埋管井群中心的测温井温度及地埋管储热器测温点温度，发现二者温度趋于一致，因此认为地埋管井群整体处于热平衡状态。现选取5月17日监测得到的地埋管储热器测温点温度作为系统排热前的初始土壤温度。将地埋管储热器测温点温度取平均值，得到初始土壤温度为16.00℃，即认为在5月18日0时初始土壤温度为16.00℃。图4为在初始土壤温度为16.00℃条件下，空调系统运行期间实验土壤温度与模拟土壤温度随时间的变化图，其中土壤温度为地下所有地埋管储热器测温点温度的24小时平均值。土壤温度实测值与模拟值变化趋势基本相似，由于空调系统向地下排热，土壤温度呈现上升的趋势，5月23日与5月25日未开启空调系统向地下排热，土壤温度得到恢复，因此出现较大拐点。系统实际运行14 d，土壤温度实验值由16.11℃上升至16.90℃，升温0.79℃；系统模拟运行14 d，土壤温度模拟值由16.16℃上升至16.86℃，升温0.70℃。土壤温度实验值与模拟值相差较小。

图3 供冷前期建筑逐时冷负荷Fig.3 Hourly cooling load of building in early cooling-supply period

2.2.2 变频水泵模型校验

供冷前期建筑直接向地下排热，不需要开启机组，因此通过开启水泵就可以开启空调系统对建筑进行供冷。建筑供冷前期水泵开启时间为每天的9：00—21：00，各日水泵的频率、流量及功率如表1所示。水泵通过改变频率调节系统内水流量大小，水泵流量及功率的取值为系统运行期间的平均值。由于水泵的流量一直在小幅度变化，所以即使在频率设定值相同时，水泵的流量和功率也不完全相等。

图4 土壤温度逐日变化Fig.4 Daily change of soil temperature

表1 水泵频率、流量、功率变化表Tab.1 Change table of frequency,flow and power of water pump

在TRNSYS变频泵模块中，水泵功率由流量决定，为探讨在不同流量下系统运行状况，需对水泵功率进行精确计算。将实验中测得不同水泵流量条件下的水泵功率数值导入Origin中进行曲线拟合如图5所示，得到流量与功率的关系：

式中：Q为水泵流量，m3·h-1；P为水泵功率，kW，拟合结果r2=0.952 53。

将上述拟合公式输入至TRNSYS水泵模块进行模拟计算，水泵功率模拟结果如图6所示。水泵流量为控制空调系统运行的输入参数，因此空调系统水泵流量实验值与模拟值相同，除去5月23日及25日系统停止运行外，水泵流量在35.46～53.36 m3·h-1范围内变化；水泵功率实验值与模拟值差值最大的一天为5月24日相差0.19 kW。系统运行期间，水泵总耗电量实验值为519.03 kW·h，模拟值为525.12 kW·h，在本文地源热泵系统土壤直接供冷模式下，水泵耗电量即为空调系统耗电量。

图5 水泵流量与功率关系Fig.5 Relationship between water pump flow and power

图6 水泵功率逐日变化Fig.6 Daily change of water pump power

2.2.3 系统供冷量及COP运行结果校验

整体上来说，实验值与模拟值存在偏差。原因在于建筑实际运行状态与模型模拟运行状态存在一定的偏差，一些内扰因素如人员、照明及设备等散热散湿状态；建筑自身因素如建筑围护结构传热状态；空调水系统运行时复杂的换热状态等都无法做到与实验情况完全相同。因此要对模型模块进行精确的校验，在完成模块校验的基础上，对空调系统运行结果进行实验值与模拟值的验证以进一步减少偏差。空调系统逐日供冷量实验值与模拟值的比较如图7所示，其中空调系统供冷量为地埋管井群为空调房间每日提供的冷量。除5月23日与5月25日外，空调系统供冷量整体呈上升趋势，由于5月25日前建筑内人员及设备负荷较小，而5月25日后人员及设备冷负荷增加使得空调系统供冷量在5月25日后实验值大于模拟值。在整个空调系统供冷前期时间段内，系统总供冷量实验值为4 640.23 kW·h，模拟值为4 692.37 kW·h，由于5月30日及31日建筑日负荷偏大，空调系统不能满足建筑供冷需求，因此停止土壤直接供冷模式为建筑供冷改为热泵机组供冷。

本文使用能效比（COP）对空调系统运行能效进行比较，系统COPs及系统平均COPa参考公式如式（2）、式（3）所示：

图7 空调系统供冷量逐日变化Fig.7 Daily change of cooling capacity of air-conditioning system

式中：Q0为系统每天的供冷量，kW·h；P0为系统每天的耗电量，kW·h。

式中：Q1为供冷前期系统总供冷量，kW·h；P1为供冷前期系统总耗电量，kW·h。

空调系统COPs在供冷前期变化如图8所示，系统COPs实验值及模拟值变化趋势相似。系统实验运行期间，系统COPs最小值为4.61，最大值为21.55，整个运行期间系统平均COPa为8.58，远大于在供冷期开启地源热泵机组时测得系统平均COPa4.25[11]，具有较大节能优势。

本文使用相对误差对实验结果与模拟结果进行比较，相对误差参考公式如式（4）所示：

图8 空调系统COPs逐日变化Fig.8 Daily change of COPs of air-conditioning system

式中：δ为相对误差；μ为实验值；x为模拟值。

表2整个供冷前期各项数据的相对误差。表中，耗电量和供冷量为供冷前期变量总量的相对误差，COP为供冷前期系统平均COPa的相对误差，土壤温度为供冷前期土壤温度的最大相对误差。从结果上来看，供冷前期各项数据的相对误差远小于《实用建筑能耗模拟手册》中规定的误差范围，且实验结果与模拟结果的偏差均在1.47%以下，因此认为研究所采用的仿真模型是可靠的。

表2 供冷前期各项数据的相对误差Tab.2 Relative error of each data in early cooling-supply period

3 模拟结果分析

3.1 变流量空调系统运行分析

在地源热泵作为空调系统冷源为建筑供冷时，水泵流量对建筑供冷量及系统平均COPa都有较大的影响，现分析水泵流量为30.00 m3·h-1、35.00 m3·h-1、40.00 m3·h-1、45.00 m3·h-1、50.00 m3·h-1、55.00 m3·h-1条件下，土壤温度、空调系统供冷量和系统平均COPa的变化规律，得出空调系统供冷前期最佳运行参数。

图9为不同水泵流量条件下土壤温度变化图，随着空调系统不断向地下排热，在不同水泵流量运行条件下土壤温度都呈上升趋势。随着水泵流量的增大，地埋管储热器换热前后温差即土壤温度5月18日与5月31日的温度差值也在增大，在水泵流量为30.00 m3·h-1时，温差为0.67℃，流量为55.00 m3·h-1时，温差为0.74℃，但不同水泵流量条件下地埋管储热器换热前后土壤温差并不大，水泵流量为30.00 m3·h-1与55.00 m3·h-1温差的差值仅为0.07℃，原因在于建筑处于供冷前期空调系统供冷量较少，地埋管井群土壤蓄冷能力及土壤恢复能力较强，因此出现换热前后土壤温度变化较小的状况。从流量相差较大但土壤温差的差值较小的情况，可以推断出空调系统供冷前期不同的水泵流量对地下土壤温度影响相差不大的结论。总体来看，在不同水泵流量条件下，空调系统供冷前期土壤温度升温较小，对供冷中后期空调系统正常运行影响不大。

图10为不同水泵流量条件下系统供冷量及建筑负荷随时间变化图，图中每日的数值柱从左到右分别为30.00 m3·h-1至55.00 m3·h-1水泵流量逐渐增加的各工况的空调系统供冷量数值，图中曲线表示建筑日负荷值（各日的累积需冷量值，以下简称建筑负荷）。在不同水泵流量条件下，5月18日至5月31日系统供冷量呈上升趋势，且变化趋势与建筑负荷变化趋势相似，5月18日至5月28日系统供冷量要远大于建筑负荷，5月29日系统供冷量与建筑负荷相差不大而5月30日、31日建筑负荷大于系统供冷量。建筑负荷由于受到外界空气温度及太阳辐照的影响逐日变化量较大，但空调系统与换热条件稳定的地下土壤直接换热使得空调系统逐日供冷量变化相对平缓。由于系统中水温度较高且地埋管储热器换热温差小，导致换热效果较差，出现不能满足建筑负荷的情况。在某一日期内，随着水泵流量的增大，空调日供冷量也在增大，但不同水泵流量下空调日供冷量差值很小，在供冷前期选取水泵允许范围内的流量值对建筑供冷效果差别不大。在整个供冷前期水泵流量为30.00 m3·h-1，空调系统供冷负荷（空调系统日供冷量的最大值与供冷时间的比值）为48.87 kW，建筑设计冷负荷为300.00 kW，供冷前期空调系统供冷负荷与建筑设计冷负荷的比值约为1/6，即当供冷前期空调系统供冷负荷与建筑设计冷负荷的比值小于1/6时，可采用土壤直接供冷模式为建筑供冷。

图9 不同流量条件下土壤温度逐日变化Fig.9 Daily change of soil temperature under different flow conditions

图10 不同流量条件下空调系统供冷量及建筑负荷Fig.10 Cooling capacity of air-conditioning system and building load under different flow conditions

图11不同流量条件下空调系统总供冷量、总耗电量及COPaFig.11 Total cooling capacity,total power consumption and COPa of airconditioning system under different flow conditions

图11 给出了空调系统总供冷量、总耗电量及系统平均COPa随水泵流量的变化。随着水泵流量的增大空调总供冷量也在增大，但增加的趋势逐渐变缓。原因在于随着水泵流量的增加，空调系统中末端风机盘管及地埋管储热器换热能力增强，因此总供冷量增大，但由于地源热泵机组未启动，空调系统中原本较高的水温随着换热的增强温度再次升高，降低空调系统换热能力，因此供冷量增加趋势变缓。在30.00 m3·h-1与55.00 m3·h-1流量下的供冷量差值为88.73 kW·h，与整个空调系统供冷前期供冷量相比较变化较小。经计算在流量为30.00 m3·h-1与55.00 m3·h-1的条件下，空调系统的雷若数分别为2 812.27和5 155.35，2种工况下流体流动状态已处于湍流状态，此时，土壤温差及空调系统的供冷量相差不大，但空调系统耗电量相差较大。因此可以认为管道内流体的流动状态处于湍流流动区间时，流量越小系统运行能效比越高。随着水泵流量的增加空调系统总耗电量也在增加且增加趋势逐渐变陡，因此空调系统平均COPa随着水泵流量的增大其值在不断变小，在水泵流量为30.00 m3·h-1时系统平均COPa达到24.35，而水泵流量为55.00 m3·h-1时系统平均COPa仅有5.32。在满足建筑负荷的情况下，减小水泵流量运行非常有利于建筑节能。

供冷前期水泵流量为30.00 m3·h-1时，系统总供冷量为5 723.48 kW·h，总耗电量为233.41 kW·h，系统平均COPa为24.52，远高于在供冷期开启地源热泵机组时测得系统平均COPa为4.25。若在供冷前期开启地源热泵机组，空调系统供冷为5 723.48 kW·h，需耗电1 334.14 kW·h，比不开启机组多耗电1 100.73 kW·h，因此在空调系统供冷前期即建筑冷负荷需求较小的情况下，宜采用水泵流量为30.00 m3·h-1对建筑进行供冷，直到空调系统不能满足建筑负荷为止。

3.2 变初始土壤温度空调系统运行分析

河北工业大学节能楼地源热泵空调系统2012年供冷前地下土壤温度约为13.00℃，经过8 a运行后，2020年供冷前地下土壤温度为16.00℃，土壤温度呈现逐年上升的趋势。由于初始土壤温度对空调系统运行效果有着较大的影响，因此研究水泵流量为30.00 m3·h-1，初始土壤温度分别为13.00℃、14.00℃、15.00℃、16.00℃、17.00℃、18.00℃、19.00℃、20.00℃、21.00℃、22.00℃条件下，土壤温度、空调系统供冷量和系统平均COPa的变化规律，分析空调系统在不同初始土壤温度条件下运行效果，探究获得怎样的初始土壤温度，可以采用土壤直接供冷运行模式。

图12为不同初始土壤温度条件下土壤温度随空调系统运行变化图。随着空调系统的运行，土壤温度整体呈上升趋势。在初始土壤温度较低时地埋管储热器换热前后土壤换热温差大于初始土壤温度较高时的温差。原因在于随着初始土壤温度升高，空调系统内循环水温度升高，空调末端与建筑室内温差变小导致供冷量减小，空调系统向地下排热量减小，结果导致地埋管储热器换热效果变差，换热前后温差变小。不过，在不同初始土壤温度条件下，土壤换热前后温差差值并不大。在初始土壤温度为13.00℃与22.00℃时，土壤换热前后温差分别为0.74℃和0.58℃。总体来看，在供冷前期空调系统运行过程中，不同初始土壤温度条件下土壤温度升温趋势平缓，土壤换热前后温差较小。

图12 不同初始土壤温度条件下土壤温度逐日变化Fig.12 Daily change of soil temperature under different initial soil temperature conditions

图13不同初始土壤温度条件下空调系统供冷量及建筑负荷Fig.13 Cooling capacity of air-conditioning system and building load under different initial soil temperature conditions

图13 为不同初始土壤温度条件下空调系统供冷量、建筑负荷随空调系统运行变化图。在不同初始土壤温度条件下，空调系统供冷量的变化趋势相同，与建筑负荷变化趋势相似，整体上呈现上升的趋势。在同一日期内，空调系统供冷量随初始土壤温度的升高而减少，原因在于土壤温度升高导致地埋管储热器换热温差减小，在水泵流量确定的条件下，出现空调系统供冷量减少的情况。在不同初始土壤温度条件下适用于直接供冷模式的持续时间不同，在为期14 d的供冷期内，初始土壤温度13.00～16.00℃时可满足12 d供冷需求，17.00～21.00℃可满足11 d，22.00℃可满足10 d。初始土壤温度从13.00℃增加到20.00℃的过程中空调系统日均供冷量要大于建筑日均冷负荷，但初始土壤温度为21.00℃与22.00℃时，空调系统日均供冷量分别为239.71 kW·h和221.12 kW·h，小于建筑日均冷负荷242.08 kW·h。由图13可知，空调系统供冷量逐日变化稳定，增加趋势平缓，建筑负荷由于受到外扰因素的影响图像变换波动较大，因此若初始土壤温度为21.00℃或22.00℃时，在供冷前期靠后的阶段会出现空调系统供冷量不能满足建筑负荷的情况。综合直接供冷模式持续时间和建筑负荷的满足性可知，初始土壤温度对空调系统供冷量有着较大的影响，在供冷前期房间设点温度为26.00℃的条件下，不同初始土壤温度为13.00～22.00℃的模拟研究中最少可满足10 d的建筑供冷需求。但在实际情况下，若初始土壤温度达到21.00℃或22.00℃时，即空调系统日均供冷量小于建筑日均冷负荷，则要根据当日的供冷需求选择采用直接供冷模式或开启热泵机组模式为建筑供冷。

图14为不同初始土壤温度条件下空调系统总供冷量及系统平均COPa的变化图。随着初始土壤温度的升高空调系统总供冷量呈现下降趋势，当初始土壤温度达到21.00℃时，空调系统总供冷量小于建筑总供冷需求。对比图11发现，水泵流量为30.00 m3·h-1与55.00 m3·h-1时空调总供冷量差值为88.73 kW·h，初始土壤温度为13.00℃与22.00℃时空调系统总供冷量差值3 952.16 kW·h，显然初始土壤温度比水泵流量对空调系统供冷量影响更大。对不同初始土壤温度空调系统模拟计算时，设置水泵运行流量为30.00 m3·h-1，运行时间为12.00 h，空调系统运行总耗电量为233.41 kW·h。空调系统平均COPa随着初始土壤温度值的增大而单调降低，初始土壤温度为13.00℃时，COPa为30.19，初始土壤温度为22.00℃时COPa为13.38，但总体来说在初始土壤温度逐渐升高的过程中，空调系统平均COPa均远高于供冷期开启地源热泵机组测得的系统平均COPa（4.25）。因此，在供冷前期采用土壤直接供冷模式运行地源热泵空调系统有着良好的节能效果。

图14 不同初始土壤温度条件下空调系统总供冷量和COPaFig.14 Total cooling capacity and COPa of air-conditioning system under different initial soil temperature conditions

4 结论

1）土壤直接供冷模式下管道内流体的流动状态处于湍流流动区间时，系统供冷量几乎不受水泵流量的影响，流量越小系统运行能效比越高。本文研究范围内，水泵流量为30.00 m3/h时系统运行效果最好。

2）土壤直接供冷模式下系统的总供冷量为5 723.48 kW·h，总耗电量为233.41 kW·h，系统平均COPa为24.52，供冷14 d土壤直接供冷比地源热泵机组供冷节约电量1 100.73 kW·h。在土壤初始温度为16.99℃的条件下，水泵流量为30.00 m3·h-1时，供冷前期空调系统供冷负荷为建筑设计冷负荷的1/6时，可采用土壤直接供冷模式为建筑供冷。

3）初始土壤温度越高，采用土壤直接供冷模式可满足建筑供冷需求的天数越少，当初始土壤温度为22.00℃时，土壤直接供冷模式仅可运行10 d。初始土壤温度如果从13.00℃增大到22.00℃，空调系统平均COPa将从30.19降至13.38，但依然远大于供冷期开启地源热泵系统时的系统平均COPa（4.25）。

4）初始土壤温度为16.00℃的条件下，水泵流量为30.00 m3·h-1与55.00 m3·h-1时空调总供冷量差值为88.73 kW·h；水泵流量为30.00 m3·h-1的条件下，初始土壤温度为13.00℃与22.00℃时空调系统总供冷量差值为3 952.16 kW·h，显然初始土壤温度比水泵流量对空调系统供冷量影响更大。