地源熱泵系統地源側變流量運行節能特性數值模擬

文｜天津城建大學環境工程有限公司 范衛軍

天津城建大學能源與機械工程學院 郭春梅 胡斌

1 引言

地源側循環泵輸配能耗在地源熱泵系統能耗中占有一定的比例，如何降低地源側輸配能耗成為當前研究的熱點問題。文獻對韓國土壤源熱泵項目分析表明地源側變流量可以節省水泵的輸送能耗；李瓊等實驗研究表明，土壤源熱泵地源側變流量會使機組運行效率降低，但水泵能耗大幅下降，系統總的節能效果顯著。張耀中等對某土壤源熱泵系統地源側變流量能耗模擬分析表明，間歇運行時變流量比定流量節能39%，連續運行時節能率達到58%。方徐根等對帶有熱回收功能的土壤源熱泵機組的水溫控制進行了研究，通過采用定出水溫度控制流量變化的方法調節地源側水流量，控制地源側冷卻水和熱回收熱水出水的溫度，熱泵機組冷凝溫度基本不變，對機組效率的影響較小。郭大光通過工程試驗得出變流量和定流量情況下地埋管換熱器平均單位井深換熱量分別為30W/m和 27W/m。王勇等對地埋管變流量運行對系統冬季能效影響的實驗結果表明，水泵能耗隨流量的減小而減小，但導致機組蒸發溫度降低，機組的能效相應降低。

綜上研究表明，地源側變流量運行對地埋管換熱效率、機組能效和水泵能耗均相關，其節能效果值得進一步深入研究，本文針對小型土壤源熱泵系統地源側全年變流量運行的節能潛力進行仿真研究。

圖2 熱泵機組COP與部分負荷率關系曲線

圖3 不同流量比下水泵效率曲線

2 熱泵系統空調負荷特性

研究對象為某實驗樓（一層）土壤源熱泵空調系統，熱泵機組額定制冷量26kW，制熱量28kW，敷設四口100m深垂直雙U型地埋管換熱器，水泵采用變頻調速。系統供冷季運行時間為6月1日到9月30日，供暖季為11月15日到次年3月15日，晚上十點到次日早晨七點空調關閉，間歇運行。

采用TRNSYS對空調系統全年動態空調負荷進行了模擬，結果表明系統夏季冷負荷累計值14804kW，峰值20.5kW，冬季熱負荷累加值19889kW，峰值24.1kW，冷、熱負荷區間統計見表1。

圖4 冬季定流量運行水泵與機組逐時耗電量

圖5 夏季定流量運行水泵與機組逐時耗電量

圖6 冬季變流量運行水泵和機組的逐時耗電量

圖7 夏季變流量運行機組和水泵逐時耗電量

3 系統能耗數值模擬

3．1 系統能耗模型

土壤源熱泵系統能耗包括空調水側和地源側水泵的輸配能耗，空調末端與熱泵機組能耗。為了簡化計算過程，假設空調水側為定流量運行，忽略空調水泵和空調末端能耗，只考慮地源水泵和機組的能耗：

其中， Pchiller為熱泵機組耗電量； Pc為地源水泵的耗電量，單位均為kWh。

根據《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2005），熱泵機組季節綜合能效：

式中，A、B、C、D分別為機組100%、75%、50%、25%負荷下的COP。根據熱泵機組與水泵樣本，經擬合得到制冷與制熱工況下機組能效與部分負荷率的關系曲線和水泵性能曲線，如圖2，圖3所示。

3.2 地源側水泵定流量運行系統能耗的數值模擬

根據擬合的機組與水泵的性能曲線，采用TRNSYS能耗模擬軟件對系統冬、夏季地源側定流量運行進行模擬計算結果如圖4、圖5所示?？v坐標以左邊軸為準，單位kJ/h，地源側水泵定流量運行工況下，水泵能耗固定不變，機組能耗隨冷、熱負荷變化。由輸出數據進行累計計算，得到供冷季水泵和機組能耗8159.1kWh，供熱季10226.76kWh

3.3 地源側水泵變流量運行系統能耗的數值模擬

本文中采用定溫差變流量控制方法，冬、夏季地源側進出口溫差均為3℃，水泵最小流量滿足管內處于紊流狀態要求。

地源側水泵為流量運行工礦下，水泵能耗隨流量變化，機組能耗隨冷、熱負荷變化。圖6、圖7為冬、夏季變流量工況水泵和機組的逐時耗電量，縱坐標以左邊軸為準且單位為kJ/h。由輸出數據進行累計計算得到供熱季水泵和機組能耗為8997.14kWh，與定流量工況相比可以節能12.02%。供冷季水泵和機組能耗為7367.1kWh，比定流量工況節能9.7%。

4 結論

本為對一小型垂直地埋管換熱器土壤源熱泵空調系統采用定溫差控制方法的地源側變流量運行技術節能效果進行了研究，研究過程中略空調水泵和空調末端能耗的影響，得出：

（1）定溫差控制方法下，相比定流量運行，變流量工況水泵和機組能耗冬、夏季分別節能12.02%和 9.7%。

（2）該系統變流量運行冬季節能率大于夏季，其原因在于空調系統冬季負荷大于夏季，且地源側水泵變流量夏季經過冷凝器，冬季經過蒸發器，變流量相對于定流量會增加機組的能耗，但是變流量對蒸發器的影響小于對冷凝器的影響，故機組能耗的增加夏季要大于冬季。