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土壤源热泵系统长期运行最优化模拟与设计

点击:1639 日期:[ 2014-04-26 21:39:33 ]
                  土壤源热泵系统长期运行最优化模拟与设计                                   张洪强               (中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)     摘 要:建立了包括建筑物内系统、热泵机组和U型地埋管换热器在内的完整的地源热泵系统模型,分析了不同建筑物负荷类型,钻孔长度和热泵容量对系统长期运行性能和运行费用的影响,提出了地源热泵系统优化设计的方法,对合理设计地源热泵系统有指导意义。     关键词:地源热泵系统 模拟分析 优化设计     中图分类号:TK529  文献标识码:A  文章编号:1009-4539 (2010)增-0298-05     1 引言     现在,地源热泵系统在中大型建筑物的应用越多,如何保证大型地源热泵系统多年高效运行是设计时需要考虑的重要问题,同时还需考虑系统在整个运行周期内经济性的问题。Shonder等人通过分析一个住宅用地源热泵,给出了在冷负荷占优的地区热泵最高进水温度的合理值; Bernier利用圆柱源模型建立了一个具有6×6个钻孔的地源热泵系统模型,并进行了运行时间为1年的模拟研究;高青等人建立了地下群井换热的模型,初步研究了运行模式对换热的影响规律。目前针对大型地源热泵系统长期运行情况的研究工作很少,主要受限于地源热泵系统在上世纪80年代才开始在欧美等国兴起而且主要应用在住宅建筑中,在国内开始广泛应用的时间只有几年时间,因此长期的实验测试还难以进行。随着计算机模拟技术的不断进步,可以建立合适的地源热泵系统模型,预测其长期的运行情况,从而为合理设计地源热泵系统提供参考。本文分别建立建筑物内系统、热泵机组和地埋管换热系统的模型,并使它们相互耦合,从而组建一个完整地源热泵系统模型。     2 地源热泵系统模型简介     2.1 建筑负荷模型     本文采用人工拟合的方法进行建筑物逐时负荷的计算,其特点是可由用户输入的建筑物峰值负荷虚拟生成建筑物全年逐时负荷,具体数学表达式为:     Qb=Qd·Xday·Xhour·Xnoisy, day·Xnoisy, hour(1)     式中,Qb为建筑物逐时负荷, kW;Qd为建筑物设计负荷, kW;Xday是在一个供热或供冷季内对的负荷修正函数;Xhour是以小时为周期的负荷修正函数;     Xnoisy, day和Xnoisy, hour分别是呈正态分布的标准差为x的随机干扰量。     Xday=as+bssin[f(tcs, tce, t)] (2)     Xhour=aday+bdaysin[f(t, tcph, thph)] (3)     式中,tcs为供冷开始时间,也就是供热结束时间,小时;tce为供冷结束时间,也就是供热开始时间,小时;tcph为每天峰值冷负荷发生的时刻,小时;thph为每天峰值热负荷发生的时刻,小时。     图1给出了在表1情况下建筑物逐时负荷,其中冷负荷为正值,热负荷为负值。                                 2.2 热泵模型     本文所采用经验模型对水-水热泵模型进行模拟,即通过提供热泵冷却水和冷冻水的进水温度,根据厂家样本数据进行内部插值,求出热泵的制冷(热)量和功率。在本文中,选用美国某公司生产的水-水热泵,图2a给出了制冷工况下负荷侧进水温度分别为12、15和20℃下EER随热源侧进水温度的变化曲线;图2b给出了在制热工况下负荷侧进水温度分别为30、35和40℃下COP随热源侧进水温度的变化曲线。     2.3 U型地埋管换热器模型     本文的U型地埋管换热器模型采用了HellstronG等人所提供的模型。Thornton验证了该模型应用于地源热泵系统模拟的准确性, Shonder以该模型为基准评估了了其他住宅和商用地源热泵系统设计模型。     3 模拟方法     首先根据建筑物的全年逐时负荷采用ASHRAE提议的方法确定出地埋管换热器所需的钻孔长度,公式如下:          式中,Lbore为钻孔长度(m);Qa为每年土壤的净吸(释)热量(kW);Qm为最热(冷)月土壤的平均吸(释)热量(kW);Qd为每年土壤吸(释)热量的最大值(kW);Rsa为与Qa所对应的热阻,单位为(m℃) /kW;Rsm为Qm所对应的热阻;Rsd为与Qd所对应的热阻;Rb为钻孔热阻;Tff为未受热干扰的土壤温度(℃);Tpen为由于邻近钻孔的热干扰而引起的温度补偿(℃),制冷计算时取正值,制热计算时取负值;Tin为设计U型管进水温度(℃);Tout为设计U型管出水温度(℃)。上述的吸热量取正值,与制冷相对应;释热量取负值,与制热相对应。     ASHRAE给出了Rsa、Rsm和Rsd的计算方法,Remund给出了Rb的计算方法。在TRNSYS中的计算逻辑如下,以制冷时为例:     (1)给定热泵负荷侧的进口温度Tload, in,制冷时取12℃,制热时取40℃。     (2)计算建筑物在t时刻的负荷Qb。     (3)首先假定t时刻U型管出水温度T0out。     (4)根据T0out和Tload, in得到热泵在t时刻的制冷量Qhp,电功率Whp和EER。     (5)根据式求出在t时刻实际向土壤释放的热量Qsoil:          (6)根据式求出在t时刻U型管的进水温度Tin:          (7)根据式(7)求出热泵在t时刻的运行份额C:          (8)根据式(8)求出热泵在t时刻的实际电功率Whp, r:     Whp, r=Qhp·min(C,1) (8)     (9)由地埋管换热器模型计算出t时刻实际的U型管出水温度Tout,并与T0out进行比较,如果收敛则进入t+1时刻继续计算,如果不收敛则重复步骤(3)~(9)。     4·分析与讨论     下面针对表2给出的5种情形进行分析。                   注意表2中的情形1号, 3号和5号下钻孔长度是按冷负荷设计得到的,而2号和4号情形下的钻孔长度是按热负荷设计得到的。     首先分析系统按照1号和2号情形运行时的特点。按照式(4)进行钻孔长度计算,得到1号实际所需钻孔长度为3 647 m,对长度进行取整,因此1号总共需要37个长度为100 m的钻孔。图3给出了地源热泵系统连续运行20年的逐时U型管出水温度和建筑物负荷曲线。从图3中可以看出,按照ASHRAE推荐的方法对钻孔长度进行计算时,经过20年的连续运行,总体上说每年的U型管最高出水温度随时间的增加而呈增加的趋势,但增加的幅度很小,并且受到每年建筑峰值负荷的影响,例如在第4年,建筑物峰值负荷比第三年小,相应的最高出水温度也比第3年有所降低; 20年间的最高出水温度为35. 2℃,发生在第18年,而这一年的建筑物峰值负荷是最高的。需要指出的是,在进行钻孔长度设计时,选取的设计时间长度为10年,即保证在运行10年后U型管的出水温度不大于31℃,从图中可以看出,在前10年,最高出水温度为31. 8℃,与设计出水温度相差不大。每年的最低出水温度呈逐年缓慢上升的趋势,与每年峰值热负荷的关系不大。                   再分析2号情况所对应的系统运行情况,在该情形下需要32个深度为100 m的钻孔,同样经过20年的连续运行,图4给出了每年最高(低)出水温度与1号所得到的结果的对比,可以看出,随着钻孔长度的缩短,最高出水温度增大,而最低出水温度减小,但最低出水温度减小的幅度较小要小于最高出水温度增大的幅度。                  如果定义不满足小时数为热泵运行份额大于1时所占的小时数,图5对比了1号和2号的不满足小时数,从图5中可以看出缩短钻孔长度会增加不满足小时数,这就会导致室内环境的舒适度下降。这主要是因为当缩短钻孔长度后,夏季热泵的制冷量会随着进水温度的升高而降低,冬季制热量会随着进水温度的降低而降低,因此造成了不满足小时数的增加。而且可以看出在两种情形下,最大的每年不满足小时数均超过了200 h。                    接下来分析在3号的情形下系统运行情况,并与1号的运行情况进行对比。从图5可以看出,选用5台热泵机组,即增加热泵的容量可以显著降低不满足小时数,因此可以使在极端气候条件下室内环境的舒适度大幅提升。图6给出了热泵容量和热泵耗电量之间的关系。从图6中可以看出,尽管增加了一台热泵的容量,但热泵的耗电量并不与容量的增加呈正比,平均每年的耗电量只增加了0. 7%。这是因为尽管热泵总容量增加,但是每小时的运行份额却相应减少,这就导致了热泵的耗电量的增加幅度很小。但是增加一台热泵需要相应增加初投资,因此如何选择热泵容量需要根据具体应用场所而定。                   下面分析在4号和5号的情形下系统运行情况。4号情形所需的钻孔长度为3 227 m,图7给出了连续运行20年的每年最高(低)出水温度变化情况。从图中可以看出,连续运行10年后,每年的最高出水温度即超过了37℃,这远远超出了设计要求,而连续运行20年后,出水温度更是超过了41℃,这已经超出了热泵的推荐运行范围。这是因为在进行钻孔长度计算时,式中的补偿温度Tpen取为了0℃,而由于建筑的冷负荷基本上是热负荷的2倍,向土壤的释热量就远高于从土壤的吸热量,这样经过多年运行后钻孔之间的热干扰就会相当强烈,因此在初始设计时就必须考虑这一点。根据文献[9],可取Tpen为5℃重新计算钻孔长度,即5号所代表的情形,此时以冷负荷为基准算出的钻孔长度为4 450 m,以热负荷为基准算出的钻孔长度为4 569 m,因此需要46个长度为100 m的钻孔。从图7可以看出,热泵系统经过20年的运行后最高出水温度为35. 2℃,这4号相比显著降低了最高出水温度,进而提高了系统长期的运行效率。通过计算得到,在4号和5号的条件下, 20年热泵机组总的耗电量分别为1 028 221 kWh和933 850 kWh,前者比后者大约多消耗10%的电量。需要说明的是,由于热泵模型本身算法的限制,当热泵的进水温度超出其样本文件所提供的数值范围时,其只能返回样本文件中最高或最低进水温度所对应的热泵性能数据。图8给出了热泵进水温度在一个供热季或供冷季中超出样本数据文件提供的最高进水温度的小时数占供冷季或供热季总小时数的比例,可以看出采用本文所建立的模型经过20年运行后得到的热泵耗电量并不能准确反映实际的耗电量。但是从图2看出,热泵在制热时COP值随进水温度的增加而增大的幅度很小,并结合图8可以推断出在4号和5号的条件下热泵的耗电量均具有减小的趋势,因此上述关于热泵耗电量的对比具有一定的参考价值。同时可以看到在情形4的条件下,供冷季中只有极少数的时间热泵的进水温度超过了40℃(即第18年为8 h,第19年为6 h,第20年为8 h),因此可以说经过20年的运行,热泵的运行范围仍然在厂家允许的范围之内;而4号所要求的钻孔长度与5号相比减少了28%,从而显著降低了初投资,但是增加了热泵运行费用,因此需要判断降低的初投资是否能抵消运行费用的增加,同样的问题也存在于情形1和2的对比中。由简单经济性分析得出(见表3),在钻孔费用较高而电费较低的地方,情形2比情形1在20年的运行周期内总投资少,情形5比情形4在20年的运行周期内总投资少;而在钻孔费用较低而电费较高的地方则恰好相反。                  5 结论     本文建立了完整的地源热泵系统模型,分析了不同建筑物负荷类型、热泵机组容量以及钻孔长度对地源热泵系统长期运行性能的影响,得出以下结论:     (1)在采用ASHRAE方法进行地源热泵系统的初步设计时,合理的选取补偿温度Tpen对系统的长期运行性能有重要的影响,也就是说要正确的估计钻孔之间热干扰对系统运行的影响;     (2)在合理设计钻孔长度的情况下,U型管逐年最高出水温度随时间而增加的趋势不明显,反之,每年最高出水温度随时间而增加的趋势明显,而且在多年运行以后可能会超出热泵允许的工作范围;     (3)U型管最高出水温度与建筑物的峰值负荷相关,峰值负荷较大的年份,该年最高出水温度增幅较快,反之最高出水温度增幅较慢甚至呈现降低的趋势;     (4)对于一特定建筑负荷,热泵容量的选取关系到建筑物内的舒适度,但是热泵容量的增加并不会成比例的增加热泵的耗电量;     (5)对于一特定建筑负荷,应根据各地方电费和钻孔费用的特点,以系统生命周期内总投资最小为目标,在系统初投资和运行费用之间进行权衡。 参考文献 1·Shonder JA, Thornton J, Hughes P J. Selecting the designentering  water temperature forverticalgeothermalheatpumpsin cooling-domainated  appplications [C]. ASHRAE 2001AnnualMeeting. Cincinnat,i OH(US), 2001 2·BernierM A. Ground-coupled heat pump system simulation[J]. ASHRAE Transactions, 2001 3·高青,李明,闫燕.地下群井换热强化与运行模式影响规律[J].太阳能学报, 2006(1)
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