季节性蓄存空气热能的地源热泵空调系统模拟.pdf

收稿日期 2011- 09- 07 基金项目 北京市/ 供热、 供燃气、 通风及空调重点实验室0开放课题 KF201003 作者简介 韩宗伟 1980- , 男, 辽宁沈阳人, 东北大学副教授, 博士; 李先庭 1967- , 男,湖北随州人, 清华大学教授,博士生导师 第33卷第3期 2012 年 3 月 东北大学 学报自然科学版 Journal of Northeastern University Natural Science Vol133, No. 3 Mar.2 0 1 2 季节性蓄存空气热能的地源热泵空调系统模拟 韩宗伟1,丁慧婷1, 李先庭2, 史永征3 1. 东北大学 材料与冶金学院, 辽宁 沈阳 110819; 2. 清华大学 建筑技术科学系, 北京 100084; 3. 北京建筑工程学院 供热、 供燃气、 通风及空调工程北京市重点实验室, 北京 100044 摘 要 针对寒冷地区长期应用地源热泵系统出现的热平衡问题, 提出了季节性蓄存环境空气热能的地 源热泵供暖空调系统介绍了该系统的组成及运行模式, 建立了系统中各部分的数学模型, 确定了系统的运行 控制策略, 并在此基础上, 以哈尔滨地区某办公建筑为对象进行了瞬态数值模拟由模拟结果可知, 该系统能 够保持土壤温度场以年为周期的热平衡, 全年供暖空调平均性能系数为 2144, 与燃煤锅炉供暖和分体空调供 冷方案相比, 该系统节能率为 2213 关 键 词 土壤热平衡; 地源热泵; 季节性蓄存空气热能; 数值模拟; 性能系数 中图分类号 TK 512 文献标志码 A 文章编号 1005 -3026 2012 03 -0439 -05 Simulation on Ground Source Heat Pump System Combined with Seasonal Air Thermal Energy Storage HAN Zong -wei1, DING Hui-ting1, LI Xian -ting 2, SHI Yong -zheng3 1. School of Materials 2. Department of Building Science, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. Beijing Laboratory of Heating, Gas -Supply, Ventilation and Air -Conditioning, Beijing Institute of Civil Engineering ground source heat pump; seasonal air thermal energy storage; numerical simulation; coefficient of perance COP 近些年来, 地源热泵在我国得到了大量的应 用, 据统计, 截至 2008 年地源热工程数量已经超 过5 000 个, 应用面积已经突破了1 亿 m2, 几乎遍 及全国各地[1]但是通过模拟分析和实际运行测 试表明, 地源热泵系统只有在建筑冷、 热负荷相近 的地区才能长期保持高效运行, 而在其他地区必 须采取措施保持埋管换热器周围土壤的吸放热平 衡在寒冷地区地源热泵工程中大多采用锅炉作 为辅助热源[2], 以减少从土壤中的取热量, 这使 得系统的节能性和经济性大大降低 除了采用辅助热源外, 利用跨季节蓄热也是 解决寒冷地区地源热泵土壤热平衡的有效途 径[ 3], 如太阳能季节性蓄热地源热泵系统具有较 好的节能性[4- 8]但由于目前集热器价格相对较 高, 且易出现/ 爆管0、 / 渗漏0等故障, 限制了其工 程应用考虑到寒区土壤温度较低, 可将非供暖期 内空气中的热量蓄存至土壤中维持土壤的热平 衡, 本文提出一种季节性蓄存环境空气热能的地 源热泵供暖空调系统, 模拟分析该系统的运行特 性, 考察其应用可行性 1 系统组成及运行原理 如图 1 所示, 季节性蓄存空气热能的地源热 泵供暖空调系统是在常规的地源热泵系统基础上 增加空气热源热水机组, 该装置由风冷蒸发器、 水 冷冷凝器、 压缩机、 节流装置等部件构成, 可实现 分离式热管制热循环和蒸气压缩式制热循环在 热管循环模式下, 制冷剂在蒸发器内被高温空气 加热后气化, 制冷剂蒸气由上升管进入冷凝器被 冷凝成液体, 靠重力作用流回蒸发器完成循环 图 1 季节性蓄存空气热能的地源热泵 供暖空调系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of a ground source heat pump system with seasonal air thermal energy storage 空气热源热水机组同时具有热管循环制热和 空气源热泵制热模式, 因此该机组不仅可用于非 供暖期的室外空气热能蓄热, 还可以利用空气源 热泵辅助供暖, 充分发挥其在供暖初、 末期制热性 能好的优点, 减少地源热泵系统从土壤中的取热 量, 进而可以降低非供暖期的蓄热量, 减少补热机 组容量该系统可以运行以下 6 种运行模式 模式 分离式热管制备热水进行土壤蓄热 模式, 考虑到夏季供冷, 将地埋管换热器分成供冷 系列和蓄热系列, 该模式只对蓄热系列进行蓄热; 模式 供冷系列土壤直接供冷模式; 模式 供冷系列地源热泵供冷模式; 模式 空气源热泵供暖模式; 模式 地源热泵供暖模式; 模式 空气源热泵与地源热泵联合供暖 2 系统数理模型及运行控制策略 2. 1 系统的数理模型 1 土壤换热数理模型垂直 U 型管换热器 与周围土壤间的传热过程是一个三维的耦合管内 流体流动换热和周围土壤导热的复杂传热过程 为简化计算, 忽略换热器间的相互影响, 同时将U 型管换热器等效成一垂直单管, 当量直径 Deq 2D忽略湿迁移和地下水渗流对垂直 U 型管土 壤换热器换热特性的影响在本文的分析中采用 二维圆柱坐标系, 换热器周围土壤的二维非稳态 控制方程为 Qscps 9Ts t, z , r 9t 9 9z Ks 9Ts t, z , r 9t 1 r 9 9r rKs 9Ts t , z , r 9r 1 边界条件 - Ks 9Ts t, z , r 9tr Deq 2 , 0[ z [ l0 ql t, z P Deq ; 2 - Ks 9Ts t, z , r 9tr 0, l0 Tod 但难以满足供暖需求, 则运行 模式 供暖当外温较低空气源热泵无法运行时, 运行模式 进行供暖系统在空调期优先运行模 式 取冷空调, 当模式 不能保证空调需求时, 运 行模式 进行空调 3 系统全年运行特性分析 以哈尔滨地区某办公建筑为对象, 其建筑面 积为5760 m2利用建筑能耗模拟软件 DeST 计算 该建筑在全年内供暖空调负荷, 该建筑在供暖期 最大热负荷为 1 120kW, 累计热负荷为 4 342 GJ 空调期最大冷负荷为 712 kW, 累计冷负荷为 753 GJ选择地源热泵机组容量为 1120kW, 地埋 管总数为 150 个, 埋深 80 m, 埋管间距为 5 m, 其 中蓄热系列埋管数为 90 个, 供冷系列为 60 个空 气热源热水机组容量通过模拟程序试算得出, 保 证地源热泵系统取/ 排热平衡的合理空气热源热 水机组容量为448 kW 图 2 为环境空气温度与蓄热系列埋管周围土 壤温度的全年变化曲线, 可以看出, 在非供暖期环 境温度有较长时间高于蓄热系列埋管周围土壤温 度, 由图中可知, 环境空气与蓄热系列埋管周围土 壤最大温差为 2115 e , 温差超过 8 e 热管循环 启动温差 时刻为2 495h 图 2 环境空气与蓄热系列埋管周围土壤温度 全年变化曲线 Fig.2 Curves of the ambient air and soil temperatures around the soil heat exchanger of the heat storage series 图 3为系统全年运行模式的变化情况, 可以 看出, 系统在非供暖期内, 蓄热系列主要运行模式 进行蓄热, 供冷系列在空调期时先运行模式 进行供冷, 随着空调负荷的增加, 空调中期时模式 与模式 间歇运行供暖期时蓄热系列和供冷 系列供暖运行模式相同, 供暖初期和末期时环境 空气温度相对较高, 系统可以运行模式 和模式 , 供暖中期的系统主要运行模式 进行供暖 441第 3 期 韩宗伟等 季节性蓄存空气热能的地源热泵空调系统模拟 图 3 系统全年运行模式的变化情况 Fig. 3 The operation mode of the system in a typical year 图 4 为蓄热系列和供冷系列地埋管换热器土 壤日蓄放热量变化曲线, 如前所述, 蓄热系列蓄存 的热量来自非供暖期环境空气热能由图中可以 看出, 蓄热系列在非供暖期内蓄热量随着室外温 度的升高而逐渐增加, 而供冷系列蓄热量来自于 夏季空调排热, 受空调负荷的影响, 供冷系列蓄热 量变化较大, 由于供冷系列埋管数量较蓄热系列 少, 因此供暖期日取热量也较蓄热系列少 图 5 表达了系统蓄热系列和供冷系列在距地 面 40 m 深埋管换热器周围土壤温度场的变化情 况可以看出, 系统各个位置均能保证在运行周期 内的热平衡由于内部埋管换热散热效果较差, 蓄 图 4 不同埋管系列全年日蓄放热量变化曲线 Fig.4 Curves of daily total heat transfered from soil by different U -tube ground exchangersin a typical year 图 5 埋管换热器周围土壤温度场全年变化曲线 Fig.5 Curvesof the soil temperature field around soil heat exchangers a 蓄热系列内部埋管; b 蓄热系列外部埋管; c 供冷系列内部埋管; d 供冷系列外部埋管 热效果好, 换热器周围土壤全年温度变化较外部 埋管大, 且距埋管越近的土壤变化越大, 距埋管换 热器中心 r 0107 m 处, 蓄热系列内部埋管最高 温度达 1313 e , 最低温度达 215 e , 变化幅度为 1018 e ; 供冷系列内部埋管最高温度达 1714 e , 最低温度达 118 e , 变化幅度为 1517 e 随着与 埋管中心之间距离的增加, 土壤温度变化幅度逐 渐减小, 并趋于某一定值由于外部埋管蓄热效果 相对较差, 蓄热系列和供冷系列外部埋管最大波 动温差分别为 816 e 和 1115 e , 约为对应内部埋 管相同位置波动温差的 7916和 6611供冷系 列较蓄热系列的温度变化幅度大, 这是因为夏季 地源热泵向蓄热系列排放热量比较集中所致 表 1为系统在全年内运行的总体运行结果, 可以看出, 供暖期内模式 是主要的供暖模式, 其 供热量约占总供热量的 8219由于夏季空调期 土壤温度较低, 系统在夏季供冷时, 模式 和模式 均是主要运行模式, 其供冷量占总供冷量的 4812和 5118系统在全年运行中土壤的取排 热基本达到平衡, 取热略大于排热, 不平衡率为 442东北大学学报 自然科学版 第 33 卷 612 , 可以通过土壤的自身恢复实现平衡由于 没有采用变频措施, 使得模式 COP 不是很高, 考虑到环境空气热能, 自然蓄热能耗的全年供暖 空调 COP 为 2144 表 1 系统总体模拟运行结果 Table 1 Overall simulation results of the system 总供热量/ GJ4 342. 1 总供冷量/ GJ749. 0 总热负荷/ GJ4 340. 4 总冷负荷/ GJ750. 8 模式供热量/ GJ225. 4 模式 供冷量/GJ361. 2 模式 供热量/ GJ3 599. 2 模式 供冷量/GJ387. 8 模式供热量/ GJ517. 5 模式 平均 COP8. 66 模式平均 COP2. 85模式 平均 COP3. 76 模式 平均 COP2. 59空调平均 COP5. 17 模式平均 COP3. 05土壤总排热量/GJ893. 9 供暖平均 COP2. 65模式 蓄热量/GJ1788. 2 土壤总取热量/ GJ2 858. 5 蓄热平均 COP8. 93 土壤热不平衡率/ - 6. 2 系统全年平均 COP2. 44 4 结 论 本文针对地源热泵在寒冷地区应用时的热平 衡问题, 提出了利用季节性蓄存环境空气热能的 地源热泵系统, 介绍了系统的组成及运行原理, 并 以哈尔滨地区某办公建筑为研究对象, 分析了系 统的动态运行特性通过分析可知, 季节性蓄存空 气热能的地源热泵系统, 能够保障地源热泵埋管 换热器取热和排热的平衡, 全年供暖空调综合 COP 为 2. 44, 是较好的技术手段 参考文献 [ 1]徐伟中国地源热泵发展研究报告 2008 [ M]北京 中国 建筑工业出版社, 20083- 5 Xu Wei. 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