混合式地源热泵系统节能分析

摘要：利用TRNSYS对寒冷地区某建筑的混合式地源热泵系统进行模拟。得到冷却塔-土壤源混合热泵系统最佳配比方案，利用此方法可以找到不同气候分区冷却塔-土壤源混合热泵系统的配比方案。

关键词：地源热泵，土壤源，节能，逐时负荷，TRNSYS

中图分类号： TE08 文献标识码： A

Energy saving analysis of hybrid ground-source heat pump system

Tang Tianping，Zhangjie，He Hailong

(Tianjin MCC20 Group Engineerings, Tianjin 300160，China）

Abstract: The hybrid ground source heat pump system of a building in cold region, using TRNSYS which is software for simulation analysis.Get the best ratio of the Cooling Tower-Ground source hybrid heat pump system.This method can be used to find the ratio of the Cooling Tower-Ground source hybrid heat pump system in different climate region of building.

Key words: Ground-source heat pump, Ground-source，Energy saving， hourly heat load，TNSYS.

0 引言

众所周知，地源热泵是一种利用浅层地热能源，通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低品位热能向高品位热能转移的设备。理论上是一种高效节能的空调系统。但是有些特殊建筑或者地区在实际运行中，地源换热侧向土壤或其他地源释放的热量远远大于从其中提取的热量，势必会造成热量在换热管周围的积累。如果温度累积得不到很好的解决的话，就会造成热泵系统运行效率下降，则地源热泵系统的优越性尽失，因此科学的解决热量的积累是至关重要的。本文主要以冷却塔-土壤源混合式热泵系统作为研究对象，解决如何提高土壤源热泵系统能效及热量堆积的问题。

1 混合式热泵系统

1.1土壤初始温度

以青岛地区某一实际项目为示范项目进行研究混合式热泵的节能情况。该地区岩土的平均导热系数为1.95W/（m・℃）岩土的体积比热为2000KJ/ （m・℃），密度为2119kg/m3。并对土壤温度测试实验，经计算，土壤初始温度平均值为14.88℃。

1.2逐时负荷

通过计算得到热泵系统需要承担的逐时负荷。如图1-1。

图 1-1 热泵系统承担全年逐时负荷图

由上图得到，热泵系统需要承担全年最大冷负荷为2270KW，最大热负荷为1330KW；通过累计得到热泵系统承担全年冷负荷总量为1736000KWh，热负荷总量为1189600KWh。因此为避免热量逐年堆积，故采用冷却塔为辅助冷源。

1.3混合热泵方案

图 1-2 冷却塔-土壤源混合热泵系统

本文共采用五种方案：

方案一：全部采用土壤源热泵系统，没有辅助冷源，地埋管的长度为51400m，钻孔的数量为257。

方案二：采用冷却塔做辅助冷源，其承担夏季冷负荷总量的20%，冷却塔的容量为410KW，地埋管长度为41200m，钻孔的数量为206个。

方案三：冷却塔承担夏季冷负荷总量的30%，冷却塔的容量为545 KW，地埋管长度为36000m，钻孔的数量为180个。

方案四：冷却塔承担夏季冷负荷总量的40%，冷却塔的容量为680 KW，地埋管长度为30800，钻孔的数量为155个。

方案五：在满足冬季热负荷需求的情况下计算，地埋管长度为27100m，总共需要136个钻井就可满足热需求，计算冬季提取的热量总量，然后从夏季冷负荷总量中去除，剩下的冷负荷全部由冷却塔承担，经计算冷却塔承担的夏季冷负荷超过50%，冷却塔的容量为890KW，钻孔的数量为136个。

2 系统仿真参数

五种不同的方案，热泵机组的性能参数是一样的，基本保持不变。热泵机组的参数输入主要包括基本参数和输入参数，基本参数基本上是系统提供的，不需要做修改，只需要修改输入参数和热泵的外部文件，其设置如下表。

表 2-1 热泵机组输入参数

地埋管换热器系统的参数和输入有些是根据地埋管的数量变化而变化的，其中有些参数是固定的，需要随方案改变的主要参数有存储容积和钻孔数。

表 2-2 不同钻孔数对应热存储容积

表 2-3 地埋管换热器输入参数

冷却塔参数确定如下表。

表 2-4 冷却塔参数

五种方案的冷却塔的容量不同，其设计流量和功率也是不同的，其详细见下表。

表 2-5不同方案冷却塔设计工况下的参数

3 仿真结果分析

利用TRNSYS进行仿真，仿真系统图如下图。

图 3-1 冷却塔-土壤源混合热泵系统仿真图

3.1系统能耗分析

能耗仿真结果如图3-2。

图 3-1 系统年能耗

从结果来看，五种方案夏季能耗均大于冬季能耗，原因是建筑物冬季的热负荷相对较小，冬季多数情况下仅有一台机组运行，只有在峰值负荷出现时才开启两台机组。而夏季的冷负荷较大，多数情况下都是两台机组在运行。

由于辅助冷源开启是在夏季，因此五种方案冬季的能耗相差不大，微小差别的原因是夏季向土壤中排热的情况不同。在夏季空调期，方案二和方案三比方案一能耗大，主要是增加了冷却塔的能耗，冷却塔的能耗增加到峰值时才有所下降，主要取决于控制方案。方案二和方案三的冷却塔的制冷量相对小，在制冷初期如果只开启冷却塔，满足不了冷负荷的需求，但只开地埋管系统能满足，因此初期开启地埋管系统，当地埋管运行一段时间后，再开启冷却塔。而方案四冷却塔的容量比较大，在夏季初期能满足负荷要求，并且开启冷却塔的能效比开启地埋管的能效高，运行一段时间后，再开启地埋管系统。方案五的控制运行策略与方案四相同，但是由于冷却塔的制冷量过大，在冷却塔能效低时能耗增加，因此方案五的能耗比方案四增加。

3.2土壤排热分析

系统向土壤排热分析如图3-2。

图 3-2 系统排热分析

从结果来看，方案五向土壤排热量最少，由于方案五冷却塔容量大导致的。但是排热量少会影响冬季空调的效率，土壤积存的热量满足不了冬季空调的需求，导致冬季能耗增加，加之夏季冷却塔在能效低时所增加的能耗，方案五不是最佳方案。综合能耗分析和土壤排热分析，方案四是最佳配比方案。

4 结论

通过模拟仿真得出混合式热泵的最佳配比方案，此方法可适用于工程设计阶段，为降低建筑空调能耗做出合理的方案。本文仅利用青岛地区一实际工程作为案例模拟分析，青岛地区属于寒冷地区。因此各地区对混合式热泵配比还需根据各自地区的气候分区和实际情况去确定配比方案。

参 考 文 献：

[1] 丁勇，浅埋套管式地源热泵地下储热模型及冬季供热实验研究：[硕士学位论文]

[2] 曾森，地源热泵地下换热器换热计算模拟与实验研究：[硕士学位论文]，重庆：重庆建筑大学，1999

[3] 何海龙，动态负荷下混合式土壤源热泵的模拟研究[D]：[硕士学位论文]，青岛：青岛理工大学，2011

[4] 汪庆军，地下耦合地源热泵系统动态仿真及优化设计[D].湖南大学，2012

[5] 胥晓，地源热泵的TRNSYS模拟与实验研究[D].天津大学，2008