间歇运行下土壤源热泵性能及土壤温度模拟_技术研究

摘要

摘　要：采用动态仿真软件TRANSYS建立土壤源热泵空调系统模型。针对供热工况，模拟地埋管换热器连续运行模式、不同间歇运行模式(日运行时间不同)下，土壤源热泵蒸发器出水温度、

摘　要：采用动态仿真软件TRANSYS建立土壤源热泵空调系统模型。针对供热工况，模拟地埋管换热器连续运行模式、不同间歇运行模式(日运行时间不同)下，土壤源热泵蒸发器出水温度、土壤温度随时间的变化以及供暖期能效比。地埋管换热器日运行时间越短，越有利于土壤源热泵的高效运行。

关键词：土壤源热泵地埋管换热器连续运行间歇运行性能

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，土壤源热泵采取间歇运行模式有助于土壤温度的恢复，从而提高热泵机组的运行效率^[1]。王泽生等人^[2]运用二维非稳态导热模型对地源热泵夏季间歇运行模式地埋管换热器的换热特征进行了数值模拟，分析了间歇运行模式对地埋管换热器性能的影响。王明国等人^[3]进行了类似试验，得到间歇运行模式下的热泵机组能效比优于连续运行模式。陈颖等人^[4]对间歇运行模式下，地埋管管壁处的土壤温度变化进行了试验研究，得到了管壁处土壤温度的变化规律。刘文学等人^[5]采用试验方法，分析连续与间歇运行模式对地埋管换热器进出水温度的影响，认为间歇运行模式可以减缓供热工况下地埋管换热器周围土壤温度的降低，提高地埋管换热器出水温度，优化热泵机组性能。

由以上分析可知，目前对土壤源热泵间歇运行的相关研究以试验为主，但受条件的限制，试验持续时间往往较短，难以得到热泵在整个供暖期或供冷期的综合运行特性以及对土壤温度的影响。本文借助动态仿真软件TRANSYS建立某土壤源热泵空调系统模型，针对供热工况，模拟地埋管换热器连续与间歇运行模式下热泵机组的性能及土壤温度变化。

2　模型建立及精度验证

选取文献[6]中的土壤源热泵空调系统作为研究对象，总空调面积约6600m²，共l20眼钻孔，孔深70m，采用双U形竖直地埋管。选用2台热泵机组，单台额定制热能力为286.7kW，单台额定电功率为65.4kW。采用定流量运行，供暖热水(冷凝器循环水)设计质量流量为60t／h，地埋管换热器循环水(蒸发器循环水)设计质量流量为56t／h。

在TRANSYS软件中建立该热泵空调系统模型，根据厂家提供的热泵机组性能手册，在热泵机组模块中输入不同冷凝器进水温度、蒸发器进水温度下的热泵机组制热量和功耗数据。采用插值计算器，模拟热泵机组在动态负荷下的性能。空调房间采用集总热容式模块，房间与室外换热量由建筑物外表面传热系数决定，并忽略漏风、人员及设备的热影响。气象数据采用重庆地区典型年逐时数据，选取当年11月1日—次年l月31日为供暖期，共计2208h。

TRANSYS软件中的土壤蓄热模块采用无限长柱热源模型。设定土壤蓄热体内地埋管均匀布置，地埋管内为对流换热，外部为导热，模拟得到的土壤温度为土壤蓄热体平均温度。土壤蓄热体体积取2×10³m³，土壤初始温度设为20℃。

根据文献[6]给出的热泵机组在动态负荷条件下的功耗实测数据，调整TRANSYS软件中各模块的控制参数，并将供暖期某日热泵机组冷凝器出水温度、制热量的模拟结果与实测结果进行对比，对模型的精度进行验证。冷凝器出水温度模拟结果与实测值之间的平均绝对误差为0.52℃，制热量的平均相对误差为4.33％，证明模型的精度可以接受。

3　运行模式设置及比较参数

①运行模式

对于地埋管换热器间歇运行模式，将每日的运行时间与非运行时间之比定义为日开停比。为了比较连续运行与间歇运行模式以及不同日开停比的间歇运行模式下热泵机组的性能，选取连续运行模式和3种间歇运行模式进行对比分析，各运行模式见图1。间歇运行模式1的日开停比为l8：6，间歇运行模式2为13：11，间歇运行模式3为9-15。模型不考虑地埋管换热器间歇运行对空调房间供暖的影响，认为地埋管换热器停用时段由太阳能热水系统或其他低温热源替代土壤源。

②比较参数

选取蒸发器出水温度、土壤温度、热泵机组供暖期能效比作为比较参数。热泵性能手册采用蒸发器出水温度考量热泵机组在供热工况下的运行工况优劣，蒸发器出水温度越高，表明地埋管换热器出水温度越高，热泵机组的运行工况越好。热泵性能手册给出制热工况下蒸发器出水温度推荐范围为5～15℃。土壤作为热泵机组的低温热源，其温度与热泵机组的运行状况密切相关，由土壤蓄热模块直接给出。热泵机组供暖期能效比IHSPF的计算式为：

式中IHSPF——热泵机组供暖期能效比

Q——热泵机组供暖期总供热量，kW·h

W——热泵机组供暖期总耗电量，kW·h

4　结果分析与讨论

①蒸发器出水温度

连续运行模式下蒸发器出水温度随运行时间的变化见图2。由图2可知，在整个供暖期内，蒸发器出水温度持续下降。热泵机组的制热量根据末端负荷动态调节，蒸发器出水温度相应出现波动。连续运行模式下，蒸发器出水温度低于5℃的时间约720h，约占整个供暖期的32.6％，最低为1.54℃。因此，当采用连续运行模式时，易触发热泵机组的保护性停机，导致热泵空调系统无法运行。

3种间歇运行模式下蒸发器出水温度随运行时间的变化见图3。由图3可知，3种间歇运行模式下蒸发器出水温度的下降幅度均小于连续运行模式。对于间歇运行模式l，蒸发器最低出水温度为3.49℃，高于连续运行模式，但仍然低于蒸发器出口温度推荐范围的下限，整个供暖期蒸发器出水温度低于5℃的时间约260h。对于间歇运行模式2，蒸发器最低出水温度为4.95℃，高于间歇运行模式l，而间歇运行模式3的蒸发器最低出水温度为5.86℃。因此，日开停比越小，热泵机组的运行工况越好。

②土壤温度

不同运行模式下土壤温度随运行时间的变化见图4。由图4可知，热泵机组运行时土壤温度逐渐下降，下降幅度与地埋管换热器的运行模式有关。连续运行模式下，到供暖末期，土壤温度由初期的20℃降为14.72℃，降幅达5.28℃。间歇运行模式1下，到供暖末期，土壤温度为16.01℃，降幅为3.99℃。间歇运行模式2下，到供暖末期，土壤温度为l7.08℃，降幅为2.92℃。间歇运行模式3下，到供暖末期，土壤温度为17.91℃，降幅为2.09℃。由以上分析可知，当日开停比减小时，地埋管换热器运行时间减少，从土壤提取的热量减少，土壤温度下降幅度减小。但由于每天的恢复时间较短，不足以使土壤温度有明显的改变。