宋曉帆, 呂 建, 胡 凱

(1.天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院,天津300073;2.天津城建大學(xué),天津300384; 3.浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司,浙江杭州310012)

1 概述

地埋管地源熱泵(簡稱地埋管熱泵)作為一種極具發(fā)展前景的可再生能源利用技術(shù),已廣泛應(yīng)用于住宅和商業(yè)建筑中,用于滿足空調(diào)負(fù)荷和提供生活熱水負(fù)荷。

目前,對(duì)地埋管熱泵的研究主要集中于理論優(yōu)化和實(shí)際工程案例[1-6],對(duì)地埋管熱泵工程運(yùn)行管理指導(dǎo)以及運(yùn)行效果評(píng)價(jià)的關(guān)注較少。本文以某高校體育館地埋管熱泵系統(tǒng)為研究對(duì)象,利用TRNSYS軟件結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),仿真模擬體育館日開放時(shí)間對(duì)地埋管熱泵系統(tǒng)埋管區(qū)域土壤溫度、熱泵機(jī)組制冷(熱)性能的影響。

2 建筑概況與負(fù)荷模擬

2.1 建筑概況

天津某高校體育館建筑面積12 837 m2,包括比賽大廳、觀眾席及附屬用房。建筑高度18.0 m,地上4層。體育館開放時(shí)間8:00—20:00。冷熱源采用地埋管熱泵系統(tǒng),室內(nèi)采用風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)見表1。

2.2 地埋管熱泵系統(tǒng)流程

地埋管熱泵系統(tǒng)流程見圖1。供暖期,熱泵機(jī)組制備熱水為用戶供暖,通過蒸發(fā)器吸收土壤熱量。供冷期,熱泵機(jī)組制備冷水為用戶供冷,通過冷凝器將熱量釋放至土壤。循環(huán)介質(zhì)經(jīng)地源側(cè)水泵在地埋管換熱器與熱泵機(jī)組間循環(huán),冷(熱)水經(jīng)用戶側(cè)水泵在熱泵機(jī)組與用戶間循環(huán)。供暖期、供冷期,用戶側(cè)水泵采取設(shè)計(jì)流量運(yùn)行。為適應(yīng)負(fù)荷變化,風(fēng)機(jī)盤管冷(熱)水進(jìn)口配置電磁三通閥,可根據(jù)負(fù)荷調(diào)節(jié)三通閥開度,調(diào)節(jié)流經(jīng)風(fēng)機(jī)盤管冷(熱)水流量。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)

熱泵機(jī)組運(yùn)行數(shù)量按以下規(guī)則控制:一定室外溫度下,當(dāng)冷(熱)負(fù)荷大于1臺(tái)熱泵機(jī)組的制冷(熱)量能力時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)熱泵機(jī)組,反之啟動(dòng)1臺(tái)熱泵機(jī)組。熱泵機(jī)組的啟停根據(jù)熱泵機(jī)組回水溫度控制:供冷期,當(dāng)熱泵機(jī)組回水溫度低于11 ℃時(shí)停機(jī),當(dāng)熱泵機(jī)組回水溫度高于13 ℃時(shí)開機(jī)。供暖期,當(dāng)熱泵機(jī)組回水溫度高于41 ℃時(shí)停機(jī),當(dāng)熱泵機(jī)組回水溫度低于39 ℃時(shí)開機(jī)。

圖1 地埋管熱泵系統(tǒng)流程

2.3 負(fù)荷模擬

選用負(fù)荷模擬軟件DeST建立體育館建筑模型,對(duì)體育館進(jìn)行全年逐時(shí)負(fù)荷模擬。供冷期:6月15日至9月15日,對(duì)應(yīng)起止時(shí)間為3 960～6 192 h,其中暑假(7月1日至8月25日,對(duì)應(yīng)起止時(shí)間為4 344 h～5 664 h)不供冷。供暖期:11月15日至3月15日,對(duì)應(yīng)起止時(shí)間為7 632 h～次年1 774 h,寒假(1月12日至2月25日,對(duì)應(yīng)起止時(shí)間為264～1 320 h)及非開放時(shí)間低溫運(yùn)行(保持室內(nèi)溫度5 ℃)。由模擬結(jié)果可知,體育館的峰值冷負(fù)荷為1 721 kW,峰值熱負(fù)荷為1 376 kW。

2.4 設(shè)備選型

選取2臺(tái)熱泵機(jī)組,單臺(tái)額定制冷量為945.0 kW,輸入電功率為138.2 kW。單臺(tái)額定制熱量為918.4 kW,輸入電功率為194.5 kW。

水泵流量q的計(jì)算式為:

(1)

式中q——水泵流量,m3/h

K——水泵流量附加系數(shù),取1.05

Φ——負(fù)荷,kW

Δt——供回水溫差,℃

計(jì)算地源側(cè)水泵時(shí),峰值冷負(fù)荷條件下的地埋管換熱器負(fù)荷為1 973 kW,即式(1)中負(fù)荷為1 973 kW,地源側(cè)供回水溫差取5 ℃,由式(1)可計(jì)算得到地源側(cè)水泵流量為356.3 m3/h,并向上圓整為360.0 m3/h。計(jì)算用戶側(cè)水泵時(shí),式(1)中負(fù)荷取峰值冷負(fù)荷(為1 721 kW),用戶側(cè)供回水溫差取5 ℃,由式(1)可計(jì)算得到用戶側(cè)水泵流量為310.8 m3/h,并向上圓整為315.0 m3/h。

根據(jù)地源側(cè)、用戶側(cè)最不利環(huán)路沿程及局部阻力、末端設(shè)備阻力、建筑高程等選取水泵揚(yáng)程。地源側(cè)水泵2臺(tái),單臺(tái)流量180 m3/h、揚(yáng)程33 m、輸入電功率30 kW。用戶側(cè)水泵3臺(tái),單臺(tái)流量105 m3/h、揚(yáng)程29 m、輸入電功率22 kW。

3 地埋管熱泵系統(tǒng)仿真模型與驗(yàn)證

3.1 仿真模型

應(yīng)用TRNSYS16軟件搭建地埋管熱泵系統(tǒng)仿真模型,主要用到的模塊有[7]:熱泵機(jī)組模塊Type668、地埋管換熱器模塊Type557、水泵模塊、模塊Type9a、數(shù)據(jù)輸出模塊Type65c。水泵模塊根據(jù)流量要求對(duì)水泵進(jìn)行控制[8]。模塊Type9a負(fù)責(zé)調(diào)用外部文件,將DeST軟件模擬的體育館全年逐時(shí)負(fù)荷導(dǎo)入仿真模型中。通過TRNSYS16軟件仿真平臺(tái)搭建地埋管熱泵系統(tǒng)仿真模型(見圖2),將各模塊進(jìn)行選擇、連接、參數(shù)設(shè)置。設(shè)定埋管區(qū)域土壤初始溫度為14.9 ℃,仿真計(jì)算后通過模塊Type65c輸出地源側(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)及熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)、制熱性能系數(shù)等。

3.2 仿真模型驗(yàn)證

以熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)、地埋管進(jìn)水溫度作為指標(biāo),對(duì)仿真模型準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)測日期為2021年9月1日,每隔30 min記錄1次數(shù)據(jù)。

熱泵機(jī)組制冷(熱)性能系數(shù)的計(jì)算式為:

(2)

式中ICOP,c,h——熱泵機(jī)組制冷(熱)性能系數(shù)

Φc,h——冷(熱)負(fù)荷,kW

P——熱泵機(jī)組耗電功率,kW

熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)仿真結(jié)果、實(shí)測結(jié)果隨時(shí)間的變化見圖3。由圖3可知,熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)仿真結(jié)果、實(shí)測結(jié)果隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致。與實(shí)測結(jié)果相比,熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)仿真結(jié)果的最大相對(duì)誤差絕對(duì)值為5.63%,滿足工程需要。

圖2 地埋管熱泵系統(tǒng)仿真模型(軟件截圖)

地埋管進(jìn)水溫度仿真結(jié)果、實(shí)測結(jié)果隨時(shí)間的變化見圖4。由圖4可知,地埋管進(jìn)水溫度仿真結(jié)果、實(shí)測結(jié)果隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致。與實(shí)測結(jié)果相比,地埋管進(jìn)水溫度仿真結(jié)果的最大相對(duì)誤差絕對(duì)值為12.76%。主要是地埋管熱泵系統(tǒng)運(yùn)行初期運(yùn)行不穩(wěn)定造成,隨著運(yùn)行時(shí)間延長,地埋管進(jìn)水溫度仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果差距逐漸縮小。

由以上分析可知,仿真模型準(zhǔn)確性可以接受。

圖4 地埋管進(jìn)水溫度仿真結(jié)果、實(shí)測結(jié)果 隨時(shí)間的變化

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 日開放時(shí)間

其他條件不變,改變體育館日開放時(shí)間(見表2),對(duì)埋管區(qū)域土壤平均溫度、熱泵機(jī)組制冷(熱)性能系數(shù)進(jìn)行仿真。

表2 體育館日開放時(shí)間

4.2 土壤平均溫度

不同體育館日開放時(shí)間的土壤平均溫度見圖5。由圖5可知,土壤平均溫度隨運(yùn)行時(shí)間延長逐年升高。體育館日開放時(shí)間越長,土壤平均溫度越高,增長速率越大。這主要是取熱排熱不平衡造成土壤熱堆積越來越嚴(yán)重,日開放時(shí)間越長表現(xiàn)越明顯。

4.3 熱泵機(jī)組制冷(熱)性能系數(shù)

不同體育館日開放時(shí)間的熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)、制熱性能系數(shù)分別見圖6、7。由圖6可知,體育館日開放時(shí)間越短,熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)越高。隨著運(yùn)行時(shí)間延長,不同體育館日開放時(shí)間下的熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)均呈下降趨勢(shì)。由圖7可知,體育館日開放時(shí)間越長,熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)越高。隨著運(yùn)行時(shí)間延長,不同體育館日開放時(shí)間下的熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)均呈上升趨勢(shì)。日開放時(shí)間越長,向土壤排熱量越多,土壤溫度逐年上升,這有利于提升熱泵機(jī)組制熱能力,但限制了熱泵機(jī)組的制冷能力。

圖6 不同體育館日開放時(shí)間的熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)

圖7 不同體育館日開放時(shí)間的熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)

5 結(jié)論

① 受取熱排熱不平衡影響,體育館日開放時(shí)間越長,土壤平均溫度越高,增長速率越大。

② 日開放時(shí)間越長,向土壤排熱越多,土壤溫度逐年上升,有利于提升熱泵機(jī)組制熱能力,限制熱泵機(jī)組制冷能力。