地源熱泵系統土壤直接供冷模式運行性能預測

李鳳勇，王恩宇，左春帥

（1.河北工業大學 能源與環境工程學院，天津 300401；2.河北省熱科學與能源清潔利用技術重點實驗室，天津 300401；3.天津市清潔能源利用與污染物控制重點實驗室，天津 300401）

0 引言

當前建筑業是中國國民經濟中第二大能源消費部門[1]，建筑能耗在中國的總能耗中約占20.00%[2]。伴隨經濟的快速發展，建筑能耗必將隨著人們日益增長的對舒適居住環境追求的提升而增大，可再生能源利用是解決建筑綠色化的重要途徑，增大其在建筑能耗中的應用對于可持續的發展具有重大意義[3-4]。地源熱泵是以地球表層的淺層地能為冷熱源，實現對建筑物供熱、供冷及供生活熱水的熱泵系統，是一種高效、節能、環保的可再生能源利用方式[5]。通常狀況下室外地能換熱系統以水為載熱介質與淺層地能進行能量交換，熱泵機組消耗少量電能將低品位能量轉化為高品位能量后供給室內末端系統，從而滿足建筑負荷需求。前人在研究土壤熱平衡性，優化系統運行上做了很多工作，大量工程證明地源熱泵技術是非常高效的供熱空調技術[6-10]。但在北方寒冷地區夏季供冷季初期時，由于建筑冷負荷較小且土壤溫度偏低，可將室外地能換熱系統與室內末端系統直接相連接為建筑物提供冷量（即土壤直接供冷模式），從而減少電能的消耗，進一步優化運行，使得建筑更加節能高效，對寒冷地區地源熱泵空調系統在夏季運行有著十分重要的意義。本文以寒冷地區天津市為例，對河北工業大學節能實驗中心地源熱泵系統夏季供冷前期土壤直接供冷模式運行性能進行模擬分析，為該系統的推廣應用提供理論依據。

1 研究系統簡介

本文的建筑模型為位于天津市的河北工業大學節能實驗中心。該建筑共有4層，高為22.70 m，建筑面積為4 953.40 m2，方向為南偏東21.00°，建筑采用鋼筋混凝土框架結構，保溫墻體的傳熱系數為0.40 W/（m2·K），南側為寬通道雙層玻璃幕墻。供冷季按照室內設計溫度為26.00℃考慮。末端、地源側水泵額定功率為7.50 kW，最大揚程32.00 m，最大流量87.00 t/h，兩用兩備，可變頻控制。該建筑供冷方式為地源熱泵+風機盤管供冷，供冷系統在供冷前期為建筑供冷時不開啟熱泵機組，通過轉換系統閥門使得室外地能換熱系統溫度較低的水直接流入室內末端系統，通過空調系統末端換熱為建筑提供冷量。地源熱泵系統原理如圖1所示：夏季供冷前期啟動循環水泵P1、P2，打開閥門F1、F5、F6、F7，關閉閥門F2、F3、F4、F8，將地埋管儲熱器中的冷量直接輸送到風機盤管中為房間供冷。本文研究夏季供冷前期地源熱泵空調系統運行狀況。

圖1 地源熱泵空調系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of ground source heat pump air-conditioning system

2 TRNSYS仿真模型建立

2.1 模型搭建及負荷模擬

利用TRNSYS仿真模擬軟件建立空調系統模型，其中模塊包含type557-地埋管儲熱器、type3b-變頻水泵、type928-風機盤管、type56-建筑模型及氣象、控制模塊等。將模型中的模塊按照實驗數據進行設定，對空調系統進行逐時模擬，將模擬數據與實驗數據進行對比，從而完成對仿真模型的搭建。TRNSYS仿真系統如圖2所示。由于建筑負荷是空調系統仿真優化、能耗模擬的基礎數據，其準確性直接影響空調系統的仿真結果，本文使用TRNSYS對建筑進行逐時冷負荷模擬。供冷前期運行時間設定為5月18日—5月31日，即3 288.00～3 624.00 h。圖3給出了供冷前期建筑冷負荷的逐時變化。在整個供冷前期，冷負荷最大值為5月30日上午10時的77.71 kW，建筑供冷量需求總和為3 389.11 kW·h。在5月18日—9月30日整個供冷期，冷負荷最大值為7月10日上午11時的300.00 kW，建筑供冷量需求總和為177 955.00 kW·h[11]。

圖2 TRNSYS仿真系統Fig.2 TRNSYS simulation system

2.2 系統模型校驗

2.2.1 土壤溫度模型校驗

為使系統模型及其仿真結果具有可信性及可用系統模型代替實際系統進行決策，現對TRNSYS系統模型進行校驗。模型中氣象數據取用河北工業大學氣象站實測數據，制成tm2格式氣象文件導入TRNSYS中。2020年供冷前期空調系統運行時間為5月18日—5月31日，系統運行前58 d處于停滯狀態，對比地埋管井群中心的測溫井溫度及地埋管儲熱器測溫點溫度，發現二者溫度趨于一致，因此認為地埋管井群整體處于熱平衡狀態?，F選取5月17日監測得到的地埋管儲熱器測溫點溫度作為系統排熱前的初始土壤溫度。將地埋管儲熱器測溫點溫度取平均值，得到初始土壤溫度為16.00℃，即認為在5月18日0時初始土壤溫度為16.00℃。圖4為在初始土壤溫度為16.00℃條件下，空調系統運行期間實驗土壤溫度與模擬土壤溫度隨時間的變化圖，其中土壤溫度為地下所有地埋管儲熱器測溫點溫度的24小時平均值。土壤溫度實測值與模擬值變化趨勢基本相似，由于空調系統向地下排熱，土壤溫度呈現上升的趨勢，5月23日與5月25日未開啟空調系統向地下排熱，土壤溫度得到恢復，因此出現較大拐點。系統實際運行14 d，土壤溫度實驗值由16.11℃上升至16.90℃，升溫0.79℃；系統模擬運行14 d，土壤溫度模擬值由16.16℃上升至16.86℃，升溫0.70℃。土壤溫度實驗值與模擬值相差較小。

圖3 供冷前期建筑逐時冷負荷Fig.3 Hourly cooling load of building in early cooling-supply period

2.2.2 變頻水泵模型校驗

供冷前期建筑直接向地下排熱，不需要開啟機組，因此通過開啟水泵就可以開啟空調系統對建筑進行供冷。建筑供冷前期水泵開啟時間為每天的9：00—21：00，各日水泵的頻率、流量及功率如表1所示。水泵通過改變頻率調節系統內水流量大小，水泵流量及功率的取值為系統運行期間的平均值。由于水泵的流量一直在小幅度變化，所以即使在頻率設定值相同時，水泵的流量和功率也不完全相等。

圖4 土壤溫度逐日變化Fig.4 Daily change of soil temperature

表1 水泵頻率、流量、功率變化表Tab.1 Change table of frequency,flow and power of water pump

在TRNSYS變頻泵模塊中，水泵功率由流量決定，為探討在不同流量下系統運行狀況，需對水泵功率進行精確計算。將實驗中測得不同水泵流量條件下的水泵功率數值導入Origin中進行曲線擬合如圖5所示，得到流量與功率的關系：

式中：Q為水泵流量，m3·h-1；P為水泵功率，kW，擬合結果r2=0.952 53。

將上述擬合公式輸入至TRNSYS水泵模塊進行模擬計算，水泵功率模擬結果如圖6所示。水泵流量為控制空調系統運行的輸入參數，因此空調系統水泵流量實驗值與模擬值相同，除去5月23日及25日系統停止運行外，水泵流量在35.46～53.36 m3·h-1范圍內變化；水泵功率實驗值與模擬值差值最大的一天為5月24日相差0.19 kW。系統運行期間，水泵總耗電量實驗值為519.03 kW·h，模擬值為525.12 kW·h，在本文地源熱泵系統土壤直接供冷模式下，水泵耗電量即為空調系統耗電量。

圖5 水泵流量與功率關系Fig.5 Relationship between water pump flow and power

圖6 水泵功率逐日變化Fig.6 Daily change of water pump power

2.2.3 系統供冷量及COP運行結果校驗

整體上來說，實驗值與模擬值存在偏差。原因在于建筑實際運行狀態與模型模擬運行狀態存在一定的偏差，一些內擾因素如人員、照明及設備等散熱散濕狀態；建筑自身因素如建筑圍護結構傳熱狀態；空調水系統運行時復雜的換熱狀態等都無法做到與實驗情況完全相同。因此要對模型模塊進行精確的校驗，在完成模塊校驗的基礎上，對空調系統運行結果進行實驗值與模擬值的驗證以進一步減少偏差?？照{系統逐日供冷量實驗值與模擬值的比較如圖7所示，其中空調系統供冷量為地埋管井群為空調房間每日提供的冷量。除5月23日與5月25日外，空調系統供冷量整體呈上升趨勢，由于5月25日前建筑內人員及設備負荷較小，而5月25日后人員及設備冷負荷增加使得空調系統供冷量在5月25日后實驗值大于模擬值。在整個空調系統供冷前期時間段內，系統總供冷量實驗值為4 640.23 kW·h，模擬值為4 692.37 kW·h，由于5月30日及31日建筑日負荷偏大，空調系統不能滿足建筑供冷需求，因此停止土壤直接供冷模式為建筑供冷改為熱泵機組供冷。

本文使用能效比（COP）對空調系統運行能效進行比較，系統COPs及系統平均COPa參考公式如式（2）、式（3）所示：

圖7 空調系統供冷量逐日變化Fig.7 Daily change of cooling capacity of air-conditioning system

式中：Q0為系統每天的供冷量，kW·h；P0為系統每天的耗電量，kW·h。

式中：Q1為供冷前期系統總供冷量，kW·h；P1為供冷前期系統總耗電量，kW·h。

空調系統COPs在供冷前期變化如圖8所示，系統COPs實驗值及模擬值變化趨勢相似。系統實驗運行期間，系統COPs最小值為4.61，最大值為21.55，整個運行期間系統平均COPa為8.58，遠大于在供冷期開啟地源熱泵機組時測得系統平均COPa4.25[11]，具有較大節能優勢。

本文使用相對誤差對實驗結果與模擬結果進行比較，相對誤差參考公式如式（4）所示：

圖8 空調系統COPs逐日變化Fig.8 Daily change of COPs of air-conditioning system

式中：δ為相對誤差；μ為實驗值；x為模擬值。

表2整個供冷前期各項數據的相對誤差。表中，耗電量和供冷量為供冷前期變量總量的相對誤差，COP為供冷前期系統平均COPa的相對誤差，土壤溫度為供冷前期土壤溫度的最大相對誤差。從結果上來看，供冷前期各項數據的相對誤差遠小于《實用建筑能耗模擬手冊》中規定的誤差范圍，且實驗結果與模擬結果的偏差均在1.47%以下，因此認為研究所采用的仿真模型是可靠的。

表2 供冷前期各項數據的相對誤差Tab.2 Relative error of each data in early cooling-supply period

3 模擬結果分析

3.1 變流量空調系統運行分析

在地源熱泵作為空調系統冷源為建筑供冷時，水泵流量對建筑供冷量及系統平均COPa都有較大的影響，現分析水泵流量為30.00 m3·h-1、35.00 m3·h-1、40.00 m3·h-1、45.00 m3·h-1、50.00 m3·h-1、55.00 m3·h-1條件下，土壤溫度、空調系統供冷量和系統平均COPa的變化規律，得出空調系統供冷前期最佳運行參數。

圖9為不同水泵流量條件下土壤溫度變化圖，隨著空調系統不斷向地下排熱，在不同水泵流量運行條件下土壤溫度都呈上升趨勢。隨著水泵流量的增大，地埋管儲熱器換熱前后溫差即土壤溫度5月18日與5月31日的溫度差值也在增大，在水泵流量為30.00 m3·h-1時，溫差為0.67℃，流量為55.00 m3·h-1時，溫差為0.74℃，但不同水泵流量條件下地埋管儲熱器換熱前后土壤溫差并不大，水泵流量為30.00 m3·h-1與55.00 m3·h-1溫差的差值僅為0.07℃，原因在于建筑處于供冷前期空調系統供冷量較少，地埋管井群土壤蓄冷能力及土壤恢復能力較強，因此出現換熱前后土壤溫度變化較小的狀況。從流量相差較大但土壤溫差的差值較小的情況，可以推斷出空調系統供冷前期不同的水泵流量對地下土壤溫度影響相差不大的結論?？傮w來看，在不同水泵流量條件下，空調系統供冷前期土壤溫度升溫較小，對供冷中后期空調系統正常運行影響不大。

圖10為不同水泵流量條件下系統供冷量及建筑負荷隨時間變化圖，圖中每日的數值柱從左到右分別為30.00 m3·h-1至55.00 m3·h-1水泵流量逐漸增加的各工況的空調系統供冷量數值，圖中曲線表示建筑日負荷值（各日的累積需冷量值，以下簡稱建筑負荷）。在不同水泵流量條件下，5月18日至5月31日系統供冷量呈上升趨勢，且變化趨勢與建筑負荷變化趨勢相似，5月18日至5月28日系統供冷量要遠大于建筑負荷，5月29日系統供冷量與建筑負荷相差不大而5月30日、31日建筑負荷大于系統供冷量。建筑負荷由于受到外界空氣溫度及太陽輻照的影響逐日變化量較大，但空調系統與換熱條件穩定的地下土壤直接換熱使得空調系統逐日供冷量變化相對平緩。由于系統中水溫度較高且地埋管儲熱器換熱溫差小，導致換熱效果較差，出現不能滿足建筑負荷的情況。在某一日期內，隨著水泵流量的增大，空調日供冷量也在增大，但不同水泵流量下空調日供冷量差值很小，在供冷前期選取水泵允許范圍內的流量值對建筑供冷效果差別不大。在整個供冷前期水泵流量為30.00 m3·h-1，空調系統供冷負荷（空調系統日供冷量的最大值與供冷時間的比值）為48.87 kW，建筑設計冷負荷為300.00 kW，供冷前期空調系統供冷負荷與建筑設計冷負荷的比值約為1/6，即當供冷前期空調系統供冷負荷與建筑設計冷負荷的比值小于1/6時，可采用土壤直接供冷模式為建筑供冷。

圖9 不同流量條件下土壤溫度逐日變化Fig.9 Daily change of soil temperature under different flow conditions

圖10 不同流量條件下空調系統供冷量及建筑負荷Fig.10 Cooling capacity of air-conditioning system and building load under different flow conditions

圖11不同流量條件下空調系統總供冷量、總耗電量及COPaFig.11 Total cooling capacity,total power consumption and COPa of airconditioning system under different flow conditions

圖11 給出了空調系統總供冷量、總耗電量及系統平均COPa隨水泵流量的變化。隨著水泵流量的增大空調總供冷量也在增大，但增加的趨勢逐漸變緩。原因在于隨著水泵流量的增加，空調系統中末端風機盤管及地埋管儲熱器換熱能力增強，因此總供冷量增大，但由于地源熱泵機組未啟動，空調系統中原本較高的水溫隨著換熱的增強溫度再次升高，降低空調系統換熱能力，因此供冷量增加趨勢變緩。在30.00 m3·h-1與55.00 m3·h-1流量下的供冷量差值為88.73 kW·h，與整個空調系統供冷前期供冷量相比較變化較小。經計算在流量為30.00 m3·h-1與55.00 m3·h-1的條件下，空調系統的雷若數分別為2 812.27和5 155.35，2種工況下流體流動狀態已處于湍流狀態，此時，土壤溫差及空調系統的供冷量相差不大，但空調系統耗電量相差較大。因此可以認為管道內流體的流動狀態處于湍流流動區間時，流量越小系統運行能效比越高。隨著水泵流量的增加空調系統總耗電量也在增加且增加趨勢逐漸變陡，因此空調系統平均COPa隨著水泵流量的增大其值在不斷變小，在水泵流量為30.00 m3·h-1時系統平均COPa達到24.35，而水泵流量為55.00 m3·h-1時系統平均COPa僅有5.32。在滿足建筑負荷的情況下，減小水泵流量運行非常有利于建筑節能。

供冷前期水泵流量為30.00 m3·h-1時，系統總供冷量為5 723.48 kW·h，總耗電量為233.41 kW·h，系統平均COPa為24.52，遠高于在供冷期開啟地源熱泵機組時測得系統平均COPa為4.25。若在供冷前期開啟地源熱泵機組，空調系統供冷為5 723.48 kW·h，需耗電1 334.14 kW·h，比不開啟機組多耗電1 100.73 kW·h，因此在空調系統供冷前期即建筑冷負荷需求較小的情況下，宜采用水泵流量為30.00 m3·h-1對建筑進行供冷，直到空調系統不能滿足建筑負荷為止。

3.2 變初始土壤溫度空調系統運行分析

河北工業大學節能樓地源熱泵空調系統2012年供冷前地下土壤溫度約為13.00℃，經過8 a運行后，2020年供冷前地下土壤溫度為16.00℃，土壤溫度呈現逐年上升的趨勢。由于初始土壤溫度對空調系統運行效果有著較大的影響，因此研究水泵流量為30.00 m3·h-1，初始土壤溫度分別為13.00℃、14.00℃、15.00℃、16.00℃、17.00℃、18.00℃、19.00℃、20.00℃、21.00℃、22.00℃條件下，土壤溫度、空調系統供冷量和系統平均COPa的變化規律，分析空調系統在不同初始土壤溫度條件下運行效果，探究獲得怎樣的初始土壤溫度，可以采用土壤直接供冷運行模式。

圖12為不同初始土壤溫度條件下土壤溫度隨空調系統運行變化圖。隨著空調系統的運行，土壤溫度整體呈上升趨勢。在初始土壤溫度較低時地埋管儲熱器換熱前后土壤換熱溫差大于初始土壤溫度較高時的溫差。原因在于隨著初始土壤溫度升高，空調系統內循環水溫度升高，空調末端與建筑室內溫差變小導致供冷量減小，空調系統向地下排熱量減小，結果導致地埋管儲熱器換熱效果變差，換熱前后溫差變小。不過，在不同初始土壤溫度條件下，土壤換熱前后溫差差值并不大。在初始土壤溫度為13.00℃與22.00℃時，土壤換熱前后溫差分別為0.74℃和0.58℃?？傮w來看，在供冷前期空調系統運行過程中，不同初始土壤溫度條件下土壤溫度升溫趨勢平緩，土壤換熱前后溫差較小。

圖12 不同初始土壤溫度條件下土壤溫度逐日變化Fig.12 Daily change of soil temperature under different initial soil temperature conditions

圖13不同初始土壤溫度條件下空調系統供冷量及建筑負荷Fig.13 Cooling capacity of air-conditioning system and building load under different initial soil temperature conditions

圖13 為不同初始土壤溫度條件下空調系統供冷量、建筑負荷隨空調系統運行變化圖。在不同初始土壤溫度條件下，空調系統供冷量的變化趨勢相同，與建筑負荷變化趨勢相似，整體上呈現上升的趨勢。在同一日期內，空調系統供冷量隨初始土壤溫度的升高而減少，原因在于土壤溫度升高導致地埋管儲熱器換熱溫差減小，在水泵流量確定的條件下，出現空調系統供冷量減少的情況。在不同初始土壤溫度條件下適用于直接供冷模式的持續時間不同，在為期14 d的供冷期內，初始土壤溫度13.00～16.00℃時可滿足12 d供冷需求，17.00～21.00℃可滿足11 d，22.00℃可滿足10 d。初始土壤溫度從13.00℃增加到20.00℃的過程中空調系統日均供冷量要大于建筑日均冷負荷，但初始土壤溫度為21.00℃與22.00℃時，空調系統日均供冷量分別為239.71 kW·h和221.12 kW·h，小于建筑日均冷負荷242.08 kW·h。由圖13可知，空調系統供冷量逐日變化穩定，增加趨勢平緩，建筑負荷由于受到外擾因素的影響圖像變換波動較大，因此若初始土壤溫度為21.00℃或22.00℃時，在供冷前期靠后的階段會出現空調系統供冷量不能滿足建筑負荷的情況。綜合直接供冷模式持續時間和建筑負荷的滿足性可知，初始土壤溫度對空調系統供冷量有著較大的影響，在供冷前期房間設點溫度為26.00℃的條件下，不同初始土壤溫度為13.00～22.00℃的模擬研究中最少可滿足10 d的建筑供冷需求。但在實際情況下，若初始土壤溫度達到21.00℃或22.00℃時，即空調系統日均供冷量小于建筑日均冷負荷，則要根據當日的供冷需求選擇采用直接供冷模式或開啟熱泵機組模式為建筑供冷。

圖14為不同初始土壤溫度條件下空調系統總供冷量及系統平均COPa的變化圖。隨著初始土壤溫度的升高空調系統總供冷量呈現下降趨勢，當初始土壤溫度達到21.00℃時，空調系統總供冷量小于建筑總供冷需求。對比圖11發現，水泵流量為30.00 m3·h-1與55.00 m3·h-1時空調總供冷量差值為88.73 kW·h，初始土壤溫度為13.00℃與22.00℃時空調系統總供冷量差值3 952.16 kW·h，顯然初始土壤溫度比水泵流量對空調系統供冷量影響更大。對不同初始土壤溫度空調系統模擬計算時，設置水泵運行流量為30.00 m3·h-1，運行時間為12.00 h，空調系統運行總耗電量為233.41 kW·h?？照{系統平均COPa隨著初始土壤溫度值的增大而單調降低，初始土壤溫度為13.00℃時，COPa為30.19，初始土壤溫度為22.00℃時COPa為13.38，但總體來說在初始土壤溫度逐漸升高的過程中，空調系統平均COPa均遠高于供冷期開啟地源熱泵機組測得的系統平均COPa（4.25）。因此，在供冷前期采用土壤直接供冷模式運行地源熱泵空調系統有著良好的節能效果。

圖14 不同初始土壤溫度條件下空調系統總供冷量和COPaFig.14 Total cooling capacity and COPa of air-conditioning system under different initial soil temperature conditions

4 結論

1）土壤直接供冷模式下管道內流體的流動狀態處于湍流流動區間時，系統供冷量幾乎不受水泵流量的影響，流量越小系統運行能效比越高。本文研究范圍內，水泵流量為30.00 m3/h時系統運行效果最好。

2）土壤直接供冷模式下系統的總供冷量為5 723.48 kW·h，總耗電量為233.41 kW·h，系統平均COPa為24.52，供冷14 d土壤直接供冷比地源熱泵機組供冷節約電量1 100.73 kW·h。在土壤初始溫度為16.99℃的條件下，水泵流量為30.00 m3·h-1時，供冷前期空調系統供冷負荷為建筑設計冷負荷的1/6時，可采用土壤直接供冷模式為建筑供冷。

3）初始土壤溫度越高，采用土壤直接供冷模式可滿足建筑供冷需求的天數越少，當初始土壤溫度為22.00℃時，土壤直接供冷模式僅可運行10 d。初始土壤溫度如果從13.00℃增大到22.00℃，空調系統平均COPa將從30.19降至13.38，但依然遠大于供冷期開啟地源熱泵系統時的系統平均COPa（4.25）。

4）初始土壤溫度為16.00℃的條件下，水泵流量為30.00 m3·h-1與55.00 m3·h-1時空調總供冷量差值為88.73 kW·h；水泵流量為30.00 m3·h-1的條件下，初始土壤溫度為13.00℃與22.00℃時空調系統總供冷量差值為3 952.16 kW·h，顯然初始土壤溫度比水泵流量對空調系統供冷量影響更大。