摘　要：采用動(dòng)態(tài)仿真軟件TRANSYS建立土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)模型。針對(duì)供熱工況，模擬地埋管換熱器連續(xù)運(yùn)行模式、不同間歇運(yùn)行模式(日運(yùn)行時(shí)間不同)下，土壤源熱泵蒸發(fā)器出水溫度、土壤溫度隨時(shí)間的變化以及供暖期能效比。地埋管換熱器日運(yùn)行時(shí)間越短，越有利于土壤源熱泵的高效運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：土壤源熱泵  地埋管換熱器  連續(xù)運(yùn)行  間歇運(yùn)行  性能

Simulation of Performance of Soil Source Heat Pump Operated in Intermittent Mode and Soil Temperature

Abstract：A model for soil source heat pump air conditioning system is established by TRANSYS which is kind of dynamic simulation software．For working condition of heatin9，the outlet temperature of soil water source heat pump evaporator，the variation of soil temperature with time and the energy efficiency ratio during heating period are simulated under continuous operation mode and different intermittent operation modes(different daily operation times)of buried tube heat exchanger．The shorter the daily operation time of the buried tube heat exchanger is，the higher the operation efficiency of the soil source heat pump is．

Keywords：soil source heat pump；buried tube heat exchanger；continuous operation；intermittent operation；performance

1　概述

研究表明，土壤源熱泵采取間歇運(yùn)行模式有助于土壤溫度的恢復(fù)，從而提高熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率^[1]。王澤生等人^[2]運(yùn)用二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型對(duì)地源熱泵夏季間歇運(yùn)行模式地埋管換熱器的換熱特征進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了間歇運(yùn)行模式對(duì)地埋管換熱器性能的影響。王明國等人^[3]進(jìn)行了類似試驗(yàn)，得到間歇運(yùn)行模式下的熱泵機(jī)組能效比優(yōu)于連續(xù)運(yùn)行模式。陳穎等人^[4]對(duì)間歇運(yùn)行模式下，地埋管管壁處的土壤溫度變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了管壁處土壤溫度的變化規(guī)律。劉文學(xué)等人^[5]采用試驗(yàn)方法，分析連續(xù)與間歇運(yùn)行模式對(duì)地埋管換熱器進(jìn)出水溫度的影響，認(rèn)為間歇運(yùn)行模式可以減緩供熱工況下地埋管換熱器周圍土壤溫度的降低，提高地埋管換熱器出水溫度，優(yōu)化熱泵機(jī)組性能。

由以上分析可知，目前對(duì)土壤源熱泵間歇運(yùn)行的相關(guān)研究以試驗(yàn)為主，但受條件的限制，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間往往較短，難以得到熱泵在整個(gè)供暖期或供冷期的綜合運(yùn)行特性以及對(duì)土壤溫度的影響。本文借助動(dòng)態(tài)仿真軟件TRANSYS建立某土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)模型，針對(duì)供熱工況，模擬地埋管換熱器連續(xù)與間歇運(yùn)行模式下熱泵機(jī)組的性能及土壤溫度變化。

2　模型建立及精度驗(yàn)證

選取文獻(xiàn)[6]中的土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，總空調(diào)面積約6600m²，共l20眼鉆孔，孔深70m，采用雙U形豎直地埋管。選用2臺(tái)熱泵機(jī)組，單臺(tái)額定制熱能力為286.7kW，單臺(tái)額定電功率為65.4kW。采用定流量運(yùn)行，供暖熱水(冷凝器循環(huán)水)設(shè)計(jì)質(zhì)量流量為60t／h，地埋管換熱器循環(huán)水(蒸發(fā)器循環(huán)水)設(shè)計(jì)質(zhì)量流量為56t／h。

在TRANSYS軟件中建立該熱泵空調(diào)系統(tǒng)模型，根據(jù)廠家提供的熱泵機(jī)組性能手冊，在熱泵機(jī)組模塊中輸入不同冷凝器進(jìn)水溫度、蒸發(fā)器進(jìn)水溫度下的熱泵機(jī)組制熱量和功耗數(shù)據(jù)。采用插值計(jì)算器，模擬熱泵機(jī)組在動(dòng)態(tài)負(fù)荷下的性能?？照{(diào)房間采用集總熱容式模塊，房間與室外換熱量由建筑物外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)決定，并忽略漏風(fēng)、人員及設(shè)備的熱影響。氣象數(shù)據(jù)采用重慶地區(qū)典型年逐時(shí)數(shù)據(jù)，選取當(dāng)年11月1日—次年l月31日為供暖期，共計(jì)2208h。

TRANSYS軟件中的土壤蓄熱模塊采用無限長柱熱源模型。設(shè)定土壤蓄熱體內(nèi)地埋管均勻布置，地埋管內(nèi)為對(duì)流換熱，外部為導(dǎo)熱，模擬得到的土壤溫度為土壤蓄熱體平均溫度。土壤蓄熱體體積取2×10³m³，土壤初始溫度設(shè)為20℃。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]給出的熱泵機(jī)組在動(dòng)態(tài)負(fù)荷條件下的功耗實(shí)測數(shù)據(jù)，調(diào)整TRANSYS軟件中各模塊的控制參數(shù)，并將供暖期某日熱泵機(jī)組冷凝器出水溫度、制熱量的模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證。冷凝器出水溫度模擬結(jié)果與實(shí)測值之間的平均絕對(duì)誤差為0.52℃，制熱量的平均相對(duì)誤差為4.33％，證明模型的精度可以接受。

3　運(yùn)行模式設(shè)置及比較參數(shù)

①運(yùn)行模式

對(duì)于地埋管換熱器間歇運(yùn)行模式，將每日的運(yùn)行時(shí)間與非運(yùn)行時(shí)間之比定義為日開停比。為了比較連續(xù)運(yùn)行與間歇運(yùn)行模式以及不同日開停比的間歇運(yùn)行模式下熱泵機(jī)組的性能，選取連續(xù)運(yùn)行模式和3種間歇運(yùn)行模式進(jìn)行對(duì)比分析，各運(yùn)行模式見圖1。間歇運(yùn)行模式1的日開停比為l8：6，間歇運(yùn)行模式2為13：11，間歇運(yùn)行模式3為9-15。模型不考慮地埋管換熱器間歇運(yùn)行對(duì)空調(diào)房間供暖的影響，認(rèn)為地埋管換熱器停用時(shí)段由太陽能熱水系統(tǒng)或其他低溫?zé)嵩刺娲寥涝础?span lang="EN-US">

②比較參數(shù)

選取蒸發(fā)器出水溫度、土壤溫度、熱泵機(jī)組供暖期能效比作為比較參數(shù)。熱泵性能手冊采用蒸發(fā)器出水溫度考量熱泵機(jī)組在供熱工況下的運(yùn)行工況優(yōu)劣，蒸發(fā)器出水溫度越高，表明地埋管換熱器出水溫度越高，熱泵機(jī)組的運(yùn)行工況越好。熱泵性能手冊給出制熱工況下蒸發(fā)器出水溫度推薦范圍為5～15℃。土壤作為熱泵機(jī)組的低溫?zé)嵩?，其溫度與熱泵機(jī)組的運(yùn)行狀況密切相關(guān)，由土壤蓄熱模塊直接給出。熱泵機(jī)組供暖期能效比IHSPF的計(jì)算式為：

式中IHSPF——熱泵機(jī)組供暖期能效比

Q——熱泵機(jī)組供暖期總供熱量，kW·h

W——熱泵機(jī)組供暖期總耗電量，kW·h

4　結(jié)果分析與討論

①蒸發(fā)器出水溫度

連續(xù)運(yùn)行模式下蒸發(fā)器出水溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化見圖2。由圖2可知，在整個(gè)供暖期內(nèi)，蒸發(fā)器出水溫度持續(xù)下降。熱泵機(jī)組的制熱量根據(jù)末端負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，蒸發(fā)器出水溫度相應(yīng)出現(xiàn)波動(dòng)。連續(xù)運(yùn)行模式下，蒸發(fā)器出水溫度低于5℃的時(shí)間約720h，約占整個(gè)供暖期的32.6％，最低為1.54℃。因此，當(dāng)采用連續(xù)運(yùn)行模式時(shí)，易觸發(fā)熱泵機(jī)組的保護(hù)性停機(jī)，導(dǎo)致熱泵空調(diào)系統(tǒng)無法運(yùn)行。

3種間歇運(yùn)行模式下蒸發(fā)器出水溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化見圖3。由圖3可知，3種間歇運(yùn)行模式下蒸發(fā)器出水溫度的下降幅度均小于連續(xù)運(yùn)行模式。對(duì)于間歇運(yùn)行模式l，蒸發(fā)器最低出水溫度為3.49℃，高于連續(xù)運(yùn)行模式，但仍然低于蒸發(fā)器出口溫度推薦范圍的下限，整個(gè)供暖期蒸發(fā)器出水溫度低于5℃的時(shí)間約260h。對(duì)于間歇運(yùn)行模式2，蒸發(fā)器最低出水溫度為4.95℃，高于間歇運(yùn)行模式l，而間歇運(yùn)行模式3的蒸發(fā)器最低出水溫度為5.86℃。因此，日開停比越小，熱泵機(jī)組的運(yùn)行工況越好。

②土壤溫度

不同運(yùn)行模式下土壤溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化見圖4。由圖4可知，熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)土壤溫度逐漸下降，下降幅度與地埋管換熱器的運(yùn)行模式有關(guān)。連續(xù)運(yùn)行模式下，到供暖末期，土壤溫度由初期的20℃降為14.72℃，降幅達(dá)5.28℃。間歇運(yùn)行模式1下，到供暖末期，土壤溫度為16.01℃，降幅為3.99℃。間歇運(yùn)行模式2下，到供暖末期，土壤溫度為l7.08℃，降幅為2.92℃。間歇運(yùn)行模式3下，到供暖末期，土壤溫度為17.91℃，降幅為2.09℃。由以上分析可知，當(dāng)日開停比減小時(shí)，地埋管換熱器運(yùn)行時(shí)間減少，從土壤提取的熱量減少，土壤溫度下降幅度減小。但由于每天的恢復(fù)時(shí)間較短，不足以使土壤溫度有明顯的改變。

③供暖期能效比

不同運(yùn)行模式下的Q、W、IHSPF見表l。由表1可知，間歇運(yùn)行模式下的IHSPF高于連續(xù)運(yùn)行模式，間歇運(yùn)行模式1～3的IHSPF接近。

5　結(jié)論

與連續(xù)運(yùn)行模式相比，間歇運(yùn)行模式有助于改善土壤源熱泵的運(yùn)行工況，減小土壤溫度的降幅。長期運(yùn)行時(shí)，地埋管換熱器間歇運(yùn)行模式下的供暖期能效比高于連續(xù)運(yùn)行模式。日開停比越小，越有利于土壤源熱泵機(jī)組的高效運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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本文作者：劉祥揚(yáng)　崔文智

作者單位：重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室