輔助冷卻的復合式地源熱泵系統(tǒng)性能分析

楊興林，楊歡歡，張禮松，劉明遠

(1.江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

(2.江西中船航海儀器有限公司，江西九江332000)

(3.中國人民解放軍92337部隊，遼寧大連116023)

輔助冷卻的復合式地源熱泵系統(tǒng)性能分析

楊興林1，楊歡歡1，張禮松2，劉明遠3

(1.江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

(2.江西中船航海儀器有限公司，江西九江332000)

(3.中國人民解放軍92337部隊，遼寧大連116023)

文中提出兩種輔助冷卻的復合式地源熱泵系統(tǒng)，以江南鎮(zhèn)江地區(qū)一棟典型辦公大樓為例，利用TRNSYS軟件建立復合式地源熱泵系統(tǒng)仿真模型，并與傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)的運行性能及能耗進行對比分析，結果表明:設有冷水機組的輔助冷卻復合式地源熱泵系統(tǒng)的土壤溫升更小、運行更穩(wěn)定高效、系統(tǒng)能耗更低、具有更好的經(jīng)濟性.

復合式地源熱泵系統(tǒng);性能系數(shù);能耗

地源熱泵系統(tǒng)以其環(huán)保、高效節(jié)能、環(huán)境與經(jīng)濟效益顯著、系統(tǒng)運行穩(wěn)定、能源可再生利用、維護量小等優(yōu)點而得以推廣［1］.隨著地源熱泵技術的應用范圍越來越廣泛，系統(tǒng)問題逐漸顯現(xiàn).在夏季通過地埋管換熱器向地下巖土的放熱量與在冬季通過地埋管換熱器從地下巖土的取熱量相差過大，導致地埋管換熱器在運行數(shù)年后，地下巖土的平均溫度將逐年升高或降低，從而影響地埋管周圍土壤溫度場的恢復，導致地源熱泵空調系統(tǒng)性能不斷下降，甚至不能運行.因此需要在傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)中增加輔助散熱裝置或輔助加熱裝置，平衡地埋管換熱器的換熱負荷，使地下巖土平均溫度維持在有利于地源熱泵系統(tǒng)高效節(jié)能運行的范圍內，即采用復合式地源熱泵空調系統(tǒng)［2-3］.

1 建筑負荷及系統(tǒng)設計

選取江南地區(qū)鎮(zhèn)江的一棟典型辦公大樓為研究對象，共12層，占地面積1 715 m2，建筑總面積10 296 m2.利用TRNSYS［4］軟件計算全年逐時動態(tài)負荷，獲得全年累計冷負荷為2 381 845 kW，全年累計熱負荷814 894 kW，全年累計冷熱負荷比為2.92∶1.針對鎮(zhèn)江地區(qū)的氣候特征與該辦公建筑的負荷特點，設計地源熱泵系統(tǒng)時應高度重視熱平衡問題，因此文中提出了兩種輔助冷卻的復合式地源熱泵系統(tǒng).

第一種是聯(lián)合冷卻塔的復合式地源熱泵系統(tǒng)［5］，該系統(tǒng)是在地源熱泵系統(tǒng)的基礎上添加了輔助散熱設備——冷卻塔，主要由冷卻塔、地埋管、熱泵機組3個部分組成.冷卻塔只用于制冷工況，機組流出的高溫冷卻水先由冷卻塔冷卻，隨后經(jīng)初步冷卻后的冷卻水通過地埋管換熱器進行循環(huán)排熱.冬季工況時，地埋管換熱器直接與機組中循環(huán)的流體介質進行換熱.圖1給出了該復合地源熱泵系統(tǒng)原理.

圖1 地源熱泵與冷卻塔復合式系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of the hybrid system of ground source heat pump and cooling tower

該系統(tǒng)的優(yōu)點是:① 室外濕球溫度較低，冷卻塔可以獨立運行，充分發(fā)揮冷卻塔的優(yōu)勢;②冷卻塔的獨立運行使地埋管周圍能夠及時散熱，土壤溫度不會升高;③地埋管周圍土壤溫度在供冷季后期時會升高，從而降低系統(tǒng)的效率，此時冷卻塔獨立運行可以讓系統(tǒng)整體達到最優(yōu)［6］.

第二種是聯(lián)合冷水機組的復合式地源熱泵系統(tǒng)［7］，該系統(tǒng)是在地源熱泵的基礎上增加了輔助冷源——冷水機組和輔助散熱設備——冷卻塔，其主要由地埋管、熱泵機組、冷水機組、冷卻塔等組成.冷水機組聯(lián)合地源熱泵的復合式系統(tǒng)中，地源熱泵供冷供熱系統(tǒng)與常規(guī)冷水機組供冷系統(tǒng)在室內側連接在一起，但兩者獨立運行，在夏季，可同時運行兩系統(tǒng)為室內供冷;在冬季，僅采用地源熱泵系統(tǒng)為室內供熱.由于管網(wǎng)阻抗穩(wěn)定，因此室外側系統(tǒng)運行也較為穩(wěn)定.系統(tǒng)中地埋管換熱器和冷卻塔均能單獨運行，所以即使地埋管換熱器間歇運行仍可實現(xiàn)空調系統(tǒng)的連續(xù)運行，從而使土壤溫度得到恢復，更有利于系統(tǒng)的節(jié)能.其系統(tǒng)原理如圖2.

圖2 地源熱泵與冷水機組復合式系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of the hybrid ground source heat pump system and water chiller

該系統(tǒng)的優(yōu)點是:① 輔助冷卻塔與地埋管系統(tǒng)的并聯(lián)連接方式較優(yōu);② 將地埋管和常規(guī)冷卻塔空調系統(tǒng)獨立設置，可以減小熱泵機組冷凝器設計溫度與冷卻塔進出水溫度之間的差異;③ 系統(tǒng)中不再需要使用板式換熱器，從而減少了熱量損失和初投資［8］.

2 機組選型及控制策略

根據(jù)計算的建筑負荷，對系統(tǒng)設備和組件進行設計計算選型［9］.地埋管總數(shù)為535個，總長度為51 517.2 m，每米管長換熱量為61.9 W/m.熱泵機組采用環(huán)保制冷劑為HFC134a的半封閉式雙螺桿熱泵機組，制冷量為2 756 kW，輸入功率為557 kW，蒸發(fā)器流量520 m3/h，冷凝器流量580 m3/h，制熱量為2 732 kW，輸入功率為550 kW，蒸發(fā)器流量580 m3/h，冷凝器流量520 m3/h，通過與壓縮機的減載系數(shù)相匹配，可實現(xiàn)10%～100%內能量的無級調節(jié).選用型號為ZXZ-N300T的冷卻塔，冷卻能力為 1.5×106kcal/h.選用型號為 LSBLX1600T的冷水機組，制冷量為1 600 kW，功率為199 kW.

本工程是冷負荷遠大于熱負荷的辦公大樓，主要特點是白天使用率比較高，針對這一特點采取不同的控制策略.對于熱泵機組，按照機組進水溫度控制，在夏季制冷季節(jié)，機組進水溫度低于7℃時，關閉熱泵機組，機組進水溫度高于12℃，開啟熱泵機組;在冬季制熱季節(jié)，機組進水溫度低于40℃時，關閉熱泵機組，機組進水溫度高于45℃，開啟熱泵機組.對于冷卻塔，文中則采取時間上的控制方法，夏季下班時間18:00至第二天上班時間8:00開啟冷卻塔，開始向土壤進行蓄冷.對于冷水機組，根據(jù)建筑冷熱負荷比2.92∶1，按照負荷率50%分別分配給冷水機組和地源熱泵機組.

3 仿真模擬

利用TRNSYS軟件對復合式地源熱泵系統(tǒng)的設計和模擬過程中，主要有以下幾個關鍵模塊:數(shù)據(jù)導入部件、水-水熱泵機組、地埋管換熱器、冷卻塔、冷水機組、水泵、控制系統(tǒng)、圖形顯示部件和結果輸出部件等模塊.圖3～5分別給出了常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)仿真模型、地源熱泵與冷卻塔復合式系統(tǒng)仿真模型、地源熱泵與冷水機組復合式系統(tǒng)仿真模型.由于該辦公大樓為大型建筑，分區(qū)多，末端連接復雜，控制較多，系統(tǒng)較難收斂，因此文中主要研究該建筑對應熱泵系統(tǒng)的長期運行參數(shù)，故將動態(tài)負荷輸入至負荷處理模塊Type682中處理.

圖3 常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Model of the conventional ground source heat pump system

圖4 地源熱泵與冷卻塔復合式系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Model of the hybrid system of ground source heat pump and cooling tower

圖5 地源熱泵與冷水機組復合式系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Model of the hybrid ground source heat pump system and water chiller

4 結果對比分析

分別對常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)(Only-GSHP系統(tǒng))、冷卻塔與地源熱泵的復合式系統(tǒng)(CT-GSHP系統(tǒng))以及冷水機組和地源熱泵的復合式系統(tǒng)(WCHP-GSHP系統(tǒng))進行為期10 a的模擬，對其運行性能及能耗進行分析.

4.1 土壤熱平衡分析

表1給出了3種系統(tǒng)的土壤溫升情況，土壤平均溫升由大到小依次為Only-GSHP系統(tǒng)、CT-GSHP系統(tǒng)、WCHP-GSHP系統(tǒng)，這是由于一方面冷卻塔輔助散熱;另一方面冷水機組承擔了部分負荷，地埋管換熱器承擔的熱量越少，導致土壤的溫升越小.地源熱泵系統(tǒng)運行10 a后，3個系統(tǒng)的土壤溫升分別為27.21℃，4.17℃及2.24℃，結果說明3種系統(tǒng)都存在一定程度的溫升，但地源熱泵加冷卻塔加冷水機組系統(tǒng)的溫度上升值是可以接受的.地下土壤有吸熱和散熱的能力，若在熱泵的一個運行年內，從土壤中吸收的熱量與排至土壤的熱量的差值不超過土壤的自動恢復能力，土壤溫度將不會大范圍的偏離設置地源熱泵系統(tǒng)前的土壤初始溫度，造成土壤熱堆積或冷坑現(xiàn)象.

表1 3種系統(tǒng)的土壤溫升表Table 1 Soil temperaturesrises with three kinds of systems

4.2 系統(tǒng)運行性能分析

從圖6中可以看出，3種系統(tǒng)的制熱工況下平均性能系數(shù)COP增加，但是制冷工況下平均性能系數(shù)COP降低.對于CT-GSHP系統(tǒng)，單純考慮系統(tǒng)運行COP時，其制熱效率COP最低，這是由于隨著冷卻塔等設備的增加以及土壤熱量平衡問題導致其能耗增加.WCHP-GSHP系統(tǒng)平均性能COP能保持較高的數(shù)值，這是由于利用冷水分擔一部分負荷，且使得土壤處于一定的熱平衡環(huán)境下，促使熱泵機組處于高效的運行環(huán)境;隨著系統(tǒng)的持續(xù)運行，系統(tǒng)的平均COP降低.Only-GSHP系統(tǒng)的COP從第1年的2.93運行10 a后降至2.53，這是土壤熱不平衡越來越嚴峻，土壤熱堆積問題嚴重從而大幅度降低制冷工況下系統(tǒng)的運行性能，而CT-GSHP系統(tǒng)維持在2.94左右，WCHP-GSHP系統(tǒng)維持在3.34左右，因此可以看出WCHP-GSHP系統(tǒng)具有較高的COP以及穩(wěn)定性.

圖63種系統(tǒng)的地源熱泵系統(tǒng)COPFig.6 COP of three kinds of ground heat pump systems

4.3 系統(tǒng)能耗分析

文中的系統(tǒng)能耗包括熱泵機組的能耗、冷卻塔的能耗、冷水機組的能耗，冷凍水泵的能耗、冷卻水泵的能耗以及冷卻塔泵的能耗，因為同一個建筑物內的風機能耗基本上是相等的，所以在進行能耗對比分析時刻不必考慮風機能耗.

從圖7a)和b)中可以看出地源熱泵系統(tǒng)冬夏季的逐年運行能耗分別與熱泵機組冬夏季逐年運行能耗變化規(guī)律相似，但是變化幅度不同，全年的系統(tǒng)能耗與全年的機組能耗變化規(guī)律相似，從圖7c)中可看出，3種系統(tǒng)平均全年累計運行能耗(E)分別為5.5×106kW·h，4.6×106kW·h和2.8×106kW·h.

圖7 3種地源熱泵系統(tǒng)能耗Fig.7 Energy consumption of three kinds of ground source heat pump systems

4.4 經(jīng)濟性分析

系統(tǒng)的初投資主要包括地埋管和機組的費用.地埋管的費用主要包括鉆孔費用和管材費，平均為100元/m.機組主要是熱泵機組、冷卻塔、冷水機組，其他零部件忽略不計.由于文中3個系統(tǒng)的地埋管數(shù)量一樣，所以在初投資方面，聯(lián)合冷水機組運行的復合式地源熱泵系統(tǒng)比只聯(lián)合冷卻塔運行的復合式熱泵系統(tǒng)多出冷水機組的價格.

系統(tǒng)的運行費用主要是機組和系統(tǒng)的能耗(表2)，只聯(lián)合冷卻塔的復合式地源熱泵系統(tǒng)運行費用比傳統(tǒng)的節(jié)省16.27%，聯(lián)合冷水機組的復合式地源熱泵系統(tǒng)運行費用比傳統(tǒng)的節(jié)省49.05%的費用.

表2 3種系統(tǒng)運行費用Table 2 Operational costs of three kinds of systems

初投資和運行費用是兩個不同性質的經(jīng)濟指標，不能全面反映各方案經(jīng)濟性，要全面比較、評價各方案的經(jīng)濟性就需要一個綜合的經(jīng)濟指標.文中通過計算各方案初投資及壽命周期內各年的運行費用，運用動態(tài)費用年值AC法對各方案的經(jīng)濟性進行比較和分析:

式中:i為銀行利率，取10%;n為使用壽命，各個方案中地源熱泵系統(tǒng)皆取50 a，鍋爐系統(tǒng)取10 a;C0為初投資，元;C為年運行費用，元.

表3為3種系統(tǒng)的經(jīng)濟評價.從表中可看出，聯(lián)合冷水機組的復合式地源熱泵系統(tǒng)的動態(tài)費用年值最少，比傳統(tǒng)的減少41.52%，最具經(jīng)濟性.

表3 3種系統(tǒng)經(jīng)濟評價Table 3 Economic analysis for three kinds of systems

5 結論

文中提出了聯(lián)合冷卻塔運行的復合式地源熱泵系統(tǒng)和聯(lián)合冷水機組運行的復合式地源熱泵系統(tǒng)，以江南鎮(zhèn)江地區(qū)一棟典型辦公大樓為例，利用TRNSYS軟件建立復合式地源熱泵系統(tǒng)仿真模型，并與傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)的運行性能及能耗進行對比分析，結論如下:

1)系統(tǒng)運行10 a后，3種系統(tǒng)的土壤溫升依次為27.21℃，4.17℃及2.24℃，都存在一定的土壤熱失衡現(xiàn)象，尤其是傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)土壤熱失衡現(xiàn)象尤為嚴重，不能保證機組的正常運行條件，說明在冷負荷占主導的建筑需要輔助冷卻散熱裝置.

2)長期運行后，傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)COP由2.78降至2.56，聯(lián)合冷卻塔運行的復合式地源熱泵系統(tǒng)維持在2.94左右，聯(lián)合冷水機組運行的復合式地源熱泵系統(tǒng)維持在3.34左右;可以看出聯(lián)合冷水機組運行的復合式地源熱泵系統(tǒng)具有較高的COP以及穩(wěn)定性.

3)3種系統(tǒng)平均全年累計運行能耗分別為5.5×106kW·h，4.6×106kW·h和2.8×106kW·h.由于聯(lián)合冷水機組運行的復合式地源熱泵系統(tǒng)增加了冷水機組，按照50%的負荷率分配給熱泵機組和冷水機組，大大降低了能耗，可見該系統(tǒng)運行能耗最低且比較穩(wěn)定.

4)從初投資和年運行費用上來看，輔助冷水機組的復合式地源熱泵系統(tǒng)的動態(tài)費用年值最少，有更好的經(jīng)濟性，該系統(tǒng)有更好的推廣價值和應用前景.

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(責任編輯:曹 莉)

Performance analysis on hybrid ground source heat pump systems with auxiliary cooling

Yang Xinglin1，Yang Huanhuan1，Zhang Lisong2，Liu Mingyuan3
(1.School of Energy and Power Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)
(2.Jiangxi CSSC Nautical Instrument Ltd.Co.，Jiujiang Jiangxi 332000，China)
(3.No.92337 Unit of the Chinese People's Liberation Army，Dalian Liaoning 116023，China)

Two kinds of hybrid ground source heat pump systems with auxiliary cooling are put forward.A typical office building in Zhenjiang is taken as an example to build the model for hybrid ground source heat pump system using the TRNSYS software.The performance and energy consumption of the new hybrid ground source heat pump system are compared with those of the traditional ground source heat pump system.The results show that hybrid ground source heat pump systems with auxiliary cooling equipped with water chillers have lower soil temperature rises，more stable and efficient performance，lower system energy consumption and better economy.

HGSHP;coefficient of performance; energy consumption

U664.86

A

1673-4807(2015)06-0540-06

10.3969/j.issn.1673-4807.2015.06.007

2015-06-29

楊興林(1964—)，男，教授，博士，研究方向為新型空調系統(tǒng)設計及性能.E-maill:hcyangxl2010@163.com

楊興林，楊歡歡，張禮松，等.輔助冷卻的復合式地源熱泵系統(tǒng)性能分析［J］.江蘇科技大學學報(自然科學版)，2015，29(16):540-545.