基于TRNSYS的土壤-海水雙源熱泵系統運行特性分析

王敬博,于慧俐,劉明輝,胡松濤,高磊

（青島理工大學環境與市政工程學院，山東青島 266033）

0 引言

海洋中儲存著大量由太陽輻射能轉變的低品位熱能，海水溫度一般為2～25℃，非常適合作為建筑空調和海水養殖等的冷熱源。我國海岸線綿長，管轄海域面積約為3.0×106km2，海洋資源十分豐富，海洋能源的開發技術也日益成熟[1]～[3]。因此，作為目前有效利用海洋熱能的主要方式，海水源熱泵系統的進一步推廣對緩解沿海地區能源緊張，促進新舊動能轉換具有重要意義。

海水源熱泵系統通常分為開式和閉式兩種。開式系統存在管路易被腐蝕、易被海洋生物附著和取水工程成本高等缺點，在工程應用中，逐漸被閉式系統所取代[4]，[5]。毛細管換熱器具有傳熱性能好，價格低的特點，因此，常被應用于輻射供冷系統中。謝東通過CFD數值模擬計算得知，毛細管的傳熱系數可達到115～120 W/（m2·K）[6]。將閉式系統與毛細管換熱器優化組合構成了毛細管網箱換熱器。周彭和張威通過實驗測試發現，毛細管網箱換熱器的能效高于95%[7]，[8]。將毛細管網箱換熱器作為海水源熱泵系統的前端換熱器，埋置于近岸海床中，可構成新型閉式土壤-海水雙源熱泵系統。李振通過對新型閉式土壤-海水雙源熱泵系統實驗測試發現，海水源熱泵機組能效比EER可達到4.0[9]。張洪濤通過CFD數值模擬發現，毛細管換熱器的單位片面積換熱量最高可達到481.9 W/m2[10]。

目前，研究主要針對毛細管網箱換熱器的理論模擬和實驗研究，而對以毛細管網箱換熱器為前端換熱器的海水源熱泵系統運行特性的關注很少。因此，本文基于TRNSYS軟件，建立了土壤-海水雙源熱泵系統仿真模型，并利用實驗測試數據對模型進行驗證。基于此模型，重點分析探討了毛細管內流速、淺灘海床中海水滲流速度和變流量調節方式對毛細管網箱換熱器換熱特性和熱泵系統運行特性影響的規律，本文研究為該系統的工程實踐提供了理論指導。

毛細管網箱換熱器布置圖如圖1所示。

圖1 毛細管網箱換熱器布置圖Fig.1 Capillary box heat exchanger diagram

1 土壤-海水雙源熱泵系統仿真模型的建立

為了對土壤-海水雙源熱泵系統進行運行測試，本文在青島沙子口海域搭建了現場實驗臺，利用土壤-海水雙源熱泵系統為一建筑面積約為500 m2的酒店提供冷熱源。酒店的冷、熱負荷分別為53 kW和48 kW。熱泵系統主要分為3部分，分別為埋設于近岸海床中的前端毛細管網箱換熱器、熱泵機組和末端風機盤管。實驗通過超聲波流量儀、壓力表等儀器對熱泵機組及管路中的溫度、壓力、流量和熱量等數據進行采集并記錄。土壤-海水雙源熱泵系統的實驗系統如圖2所示。

實驗用測試儀器及參數如表1所示。

基于圖2的現場實驗臺系統，利用TRNSYS軟件建立了土壤-海水雙源熱泵系統仿真模型對系統的運行特性進行模擬研究。仿真模型見圖3。

圖3 土壤-海水雙源熱泵系統仿真模型Fig.3 Seawater-soil dual source heat pump system simulation model

模型中所使用的部件主要有毛細管自建模塊Type815、水泵模塊Type114、水-水熱泵模塊Type682和溫控模塊Type2b。

1.1 毛細管網箱換熱器傳熱模型建立

毛細管網箱換熱器中的毛細管傳熱過程主要包括毛細管內流體與管壁的對流換熱，管壁與周圍海床砂土的導熱和海水與毛細管的對流換熱。為簡化毛細管網箱換熱器模型，本文提出如下假設：①海床砂土為均勻介質，熱物性參數為常數；②海水為單相且熱物性為常數；③毛細管內熱媒乙二醇水溶液熱物性參數為常數；④忽略毛細管管壁與海床砂土之間的接觸熱阻。

海床砂土中毛細管網箱換熱器的簡化傳熱過程如圖4所示。

圖4 毛細管網箱換熱器簡化傳熱過程Fig.4 Simplified heat transfer process of the capillary box heat exchanger

1.1.1 毛細管內對流換熱熱阻

由于工質在毛細管內流動狀態為層流，流體工質雷諾數Ref一般為50～350，層流換熱努塞爾Nu準則關聯式為[11]

式中：Prf為毛細管內流體普朗特數；d為毛細管內徑，m；l為毛細管管長，m；μw為毛細管管壁溫度為tw時的動力粘度，Pa·s；μf為流體溫度為tf時的動力粘度，Pa·s。

毛細管內對流換熱熱阻的計算式為

式中：R1為毛細管內對流換熱熱阻；h1為毛細管內對流換熱系數，W/（m2·℃）；r0為毛細管的外半徑，m；r為毛細管內半徑；kw為毛細管導熱系數，W/（m·℃）。

1.1.2 毛細管壁導熱熱阻

毛細管管壁導熱熱阻R2的計算式為

1.1.3 毛細管外對流換熱熱阻

由于毛細管網箱換熱器敷設在海床的飽和含水層中，毛細管外壁可看作被一層水膜所包裹，并通過水膜與毛細管管壁進行對流換熱。

毛細管外海水膜努塞爾數Nus的計算式為

式中：Ras為毛細管外瑞利數；Prs為海水的普朗特數。

毛細管外部的對流換熱熱阻R3的計算式為

式中：h2為毛細管外對流換熱系數，W/（m2·℃）；ks為海水的導熱系數，W/（m·℃）。

毛細管網箱換熱器總傳熱系數k的計算式為

式中：Rf為毛細管內污垢的熱阻，考慮到毛細管為塑料材質，無腐蝕和生物附著問題，故可取0。

毛細管網箱換熱器單位片面積換熱量的計算式為

式中：QA為毛細管網箱換熱器單位片面積換熱量，W/m2；Q為毛細管網箱換熱器總換熱量，W/m2；A為毛細管網箱換熱器總換熱面積，m2；Δt為毛細管網箱換熱器進出口溫差，℃；n為毛細管片數，片；w為每片毛細管的寬度，m。

1.2 模型參數

依據現場實驗情況，模型設置單根毛細管管長為2 m，毛細管內徑為2.6 mm，毛細管管壁厚度為0.85 mm，毛細管管材為PPR管。每個毛細管網箱換熱器由50片2 m×1 m的毛細管網組成，每片毛細管網共有48根毛細管，毛細管網總面積為1 000 m2，埋深為0.5 m。毛細管內介質是濃度為30%的乙二醇水溶液。海床中含水層的滲流速度為20.74 m/d。

本文模型中各材料物性參數如表2所示。

表2 材料物性參數Table 2 Physical properties of materials

2 模型實驗驗證

為了驗證模型的準確性，將實驗中測得的毛細管網箱換熱器工質入口處的溫度作為模型中毛細管網箱換熱器模塊的輸入值，計算得到毛細管出口處溫度。毛細管出口處溫度的實驗值與模擬值對比圖如圖5所示。

圖5 毛細管出口處溫度的實驗值與模擬值對比Fig.5 Comparison of experimental and simulated capillary outlet temperature

由圖5可知，毛細管出口處溫度的模擬值略大于實驗值，模擬值與實驗值間的最大相對誤差為9.66%，相對誤差均值為6.35%，這說明模擬結果與實驗結果的吻合性較好，驗證了該模型的準確性。

3 模擬結果分析

3.1 毛細管內流速的影響

本文分別選取0.03，0.06，0.08，0.1，0.15 m/s和0.2 m/s 6個不同毛細管內流速，分析了毛細管內流速對毛細管網箱換熱器單位片面積換熱量的影響，具體結果如圖6所示。由圖可知，在冬季和夏季，毛細管網箱換熱器的單位片面積換熱量均隨毛細管內流速的增加而增加。當毛細管內流速由0.03 m/s增加到0.2 m/s時，冬季，毛細管網箱換熱器的單位片面積換熱量由40.1 W/m2增大到44.1 W/m2，增幅為9%；夏季，毛細管網箱換熱器的單位片面積換熱量由65.8 W/m2增大到70.8 W/m2，增幅為7%。

圖6 毛細管內流速對單位片面積換熱量的影響Fig.6 Variation trend of heat transfer per unit area under different flow velocity in the capillary

毛細管內流速對熱泵機組和系統性能系數的影響如圖7所示。

圖7 毛細管內流速對熱泵機組和系統性能系數的影響Fig.7 Variation trend of heat pump unit and system performance coefficient under different flow velocity in the capillary

由圖7可知，熱泵機組的COP/EER隨著毛細管內流速的增大呈上升趨勢。其中，毛細管內流速為0.03～0.06 m/s時的增幅較大；毛細管內流速為0.06～0.2 m/s時的增幅小于5%。整體來看，冬季熱泵機組COP上升約8%；夏季熱泵機組EER上升約5%。系統COP/EER隨著毛細管內流速的增大呈下降趨勢，冬季系統COP下降約4%，夏季系統EER下降約3%。這是因為隨著毛細管內流速的增大，毛細管內流動熱阻減小，導致毛細管網箱換熱器換熱量增加，毛細管網箱換熱器換熱量的增加提高了熱泵機組能效比。同時，毛細管內流速的增加增大了系統的能耗，導致系統性能系數下降。由圖7還可以看出，當毛細管內流速為0.06～0.10 m/s時，熱泵機組和系統的能效比較高。因此，工程應用中推薦毛細管內流速為0.06～0.10 m/s。

3.2 滲流速度影響

換熱器埋置區域海床含水層滲流流速的變化會影響毛細管網管外對流換熱熱阻，毛細管網箱換熱器埋置海床回填材料的物性參數決定了含水層滲流速度的大小，本文選取了粉砂、細砂、粗砂和礫石4種工程用砂土，上述砂土的物性參數如表3所示。

表3 不同砂子的物性參數Table 3 Physical parameters of different sands

圖8為毛細管的單位片面積換熱量隨滲流速度的變化情況。

圖8 毛細管的單位片面積換熱量隨滲流速度的變化情況Fig.8 Variation trend of heat transfer per unit area under different flow rates

由圖8可知，毛細管的單位片面積換熱量與滲流速度呈正相關。冬季，滲流速度為0時，毛細管的單位片面積換熱量最小，為26.6 W/m2；滲流速度為120.96 m/d時，毛細管的單位片面積換熱量最大，為51.8 W/m2，增幅為114%。夏季，毛細管的單位片面積換熱量最小值為35.5 W/m2，最大值為78.3 W/m2，增幅為121%。

圖9為滲流速度對熱泵機組及系統性能系數的影響。

圖9 滲流速度對熱泵機組及系統性能系數的影響Fig.9 Variation trend of heat pump unit and system performance coefficient under different seepage velocity

由圖9可知，熱泵機組和系統性能與滲流速度呈正相關。冬季，熱泵機組COP的最小值為2.83，最大值為4.35，增幅為34.5%；系統COP的最小值為2.13，最大值為3.65，增幅為41.6%。夏季，熱泵機組EER的最小值為3.31，最大值為4.96，增幅為33.4%；系統EER的最小值為2.58，最大值為4.24，增幅為39.1%。

增大換熱器周圍的滲流速度，有利于土壤-海水雙源熱泵系統的換熱量和熱泵性能系數的提升。但由于礫石具有棱角尖銳的特性，長期受海浪切應力的影響造成毛細管管材磨損，且當礫石的滲流速度為120 m/d，粗砂為20.75 m/d時，換熱量提升幅度分別為121%和91%，與滲流速度相比，換熱量的提升幅度較小，因此，選擇粗砂作為回填材料更具有實際應用價值。在工程實際應用中，建議回填材料應結合材料特性選擇滲流系數較大、導熱系數較高的材料。

3.3 變流量控制方式影響

建筑負荷受室外氣象參數影響，因此，系統實際所需流量往往小于最大設計值。為了便于調節，工程上通常將網箱分成若干組，負荷不同時開啟的組數不同。系統運行時，由于各網箱支路的阻抗恒定不變，因此，毛細管網的特性曲線不會隨流量發生變化，這更利于使用變流量調節的方法調節毛細管網箱換熱器流量。本實驗臺的毛細管網箱換熱器共配置10個毛細管網箱，每2個毛細管網箱并聯在一組。毛細管網箱換熱器的供回水集管與機房的分集水器相連，在模擬時設置了全定速泵控制和全變速泵控制兩種控制形式。其中，全變速泵控制是通過加裝變頻器來實現。

圖10為模擬過程中源側水泵連接形式。

圖10 源側水泵連接形式Fig.10 Connection form of the water pumps

圖11為供暖季，不同流變量調節形式下，系統和熱泵機組COP隨負荷率的變化情況。

圖11 不同流變量調節形式下系統和熱泵機組COP隨負荷率的變化情況Fig.11 Variation trend of COP with load rate under different flow variable adjustment forms

由圖11可知，隨著負荷率的下降，熱泵機組和系統COP均呈降低趨勢。同一負荷率下，定速泵機組COP高于變速泵機組，變速泵控制下的系統（簡稱為變速泵系統）COP整體高于定速泵控制下的系統（簡稱為定速泵系統），變速泵系統COP比定速泵系統平均高2.1%。這是由于毛細管的單位片面積換熱量與毛細管內流速為非線性相關，流量的減少對換熱量的影響很小，雖然熱泵機組的能耗稍有增加，但卻可以有效降低水泵的功耗。基于供暖季的負荷時間頻率，通過計算得到，與定速泵系統相比，變速泵系統中水泵能耗減少了798 kW·h，水泵節能率為33%，總能耗降低了598 kW·h，總節電率為2%。由于P∝Q3，在接入部分負荷時，通過調節換熱器開啟組可以提高熱泵機組效率，通過變頻調節可以使水泵在高效區穩定運行，有效降低水泵能耗，提升系統COP。

4 結論

本文基于TRNSYS軟件，對土壤-海水雙源熱泵系統進行模擬研究，分析了不同因素下，毛細管網箱換熱器換熱量和熱泵系統運行特性，主要結論如下。

①在層流范圍內增大毛細管內流速，可以增強毛細管內對流換熱，但增幅很小，僅為8%左右，同時增大了流動阻力，增加了水泵功耗，降低了系統COP。因此，在工程應用中，將毛細管內流速設定為0.06～0.12 m/s。

②通過改變回填材料，增大海水在砂土中的滲流速度，可以顯著強化傳熱，提升幅度約為50%，熱泵機組和系統COP提高34%以上。因此，在工程應用中，應選擇滲流系數大、導熱系數高的砂土作為換熱器的回填材料。

③由于各分組網箱的阻力特性不變，這有利于進行變流量調節控制。因此，水泵的變頻調節優于定頻調節，其中，系統COP平均提高了2.1%，水泵能耗減少了798 kW·h，水泵節能率為33%，總能耗減少了598 kW·h，總節電率為2%。