摘　要：采用動態(tài)仿真軟件TRANSYS建立土壤源熱泵空調系統(tǒng)模型。針對供熱工況，模擬地埋管換熱器連續(xù)運行模式、不同間歇運行模式(日運行時間不同)下，土壤源熱泵蒸發(fā)器出水溫度、土壤溫度隨時間的變化以及供暖期能效比。地埋管換熱器日運行時間越短，越有利于土壤源熱泵的高效運行。

關鍵詞：土壤源熱泵  地埋管換熱器  連續(xù)運行  間歇運行  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，土壤源熱泵采取間歇運行模式有助于土壤溫度的恢復，從而提高熱泵機組的運行效率^[1]。王澤生等人^[2]運用二維非穩(wěn)態(tài)導熱模型對地源熱泵夏季間歇運行模式地埋管換熱器的換熱特征進行了數值模擬，分析了間歇運行模式對地埋管換熱器性能的影響。王明國等人^[3]進行了類似試驗，得到間歇運行模式下的熱泵機組能效比優(yōu)于連續(xù)運行模式。陳穎等人^[4]對間歇運行模式下，地埋管管壁處的土壤溫度變化進行了試驗研究，得到了管壁處土壤溫度的變化規(guī)律。劉文學等人^[5]采用試驗方法，分析連續(xù)與間歇運行模式對地埋管換熱器進出水溫度的影響，認為間歇運行模式可以減緩供熱工況下地埋管換熱器周圍土壤溫度的降低，提高地埋管換熱器出水溫度，優(yōu)化熱泵機組性能。

由以上分析可知，目前對土壤源熱泵間歇運行的相關研究以試驗為主，但受條件的限制，試驗持續(xù)時間往往較短，難以得到熱泵在整個供暖期或供冷期的綜合運行特性以及對土壤溫度的影響。本文借助動態(tài)仿真軟件TRANSYS建立某土壤源熱泵空調系統(tǒng)模型，針對供熱工況，模擬地埋管換熱器連續(xù)與間歇運行模式下熱泵機組的性能及土壤溫度變化。

2　模型建立及精度驗證

選取文獻[6]中的土壤源熱泵空調系統(tǒng)作為研究對象，總空調面積約6600m²，共l20眼鉆孔，孔深70m，采用雙U形豎直地埋管。選用2臺熱泵機組，單臺額定制熱能力為286.7kW，單臺額定電功率為65.4kW。采用定流量運行，供暖熱水(冷凝器循環(huán)水)設計質量流量為60t／h，地埋管換熱器循環(huán)水(蒸發(fā)器循環(huán)水)設計質量流量為56t／h。

在TRANSYS軟件中建立該熱泵空調系統(tǒng)模型，根據廠家提供的熱泵機組性能手冊，在熱泵機組模塊中輸入不同冷凝器進水溫度、蒸發(fā)器進水溫度下的熱泵機組制熱量和功耗數據。采用插值計算器，模擬熱泵機組在動態(tài)負荷下的性能?？照{房間采用集總熱容式模塊，房間與室外換熱量由建筑物外表面?zhèn)鳠嵯禂禌Q定，并忽略漏風、人員及設備的熱影響。氣象數據采用重慶地區(qū)典型年逐時數據，選取當年11月1日—次年l月31日為供暖期，共計2208h。

TRANSYS軟件中的土壤蓄熱模塊采用無限長柱熱源模型。設定土壤蓄熱體內地埋管均勻布置，地埋管內為對流換熱，外部為導熱，模擬得到的土壤溫度為土壤蓄熱體平均溫度。土壤蓄熱體體積取2×10³m³，土壤初始溫度設為20℃。

根據文獻[6]給出的熱泵機組在動態(tài)負荷條件下的功耗實測數據，調整TRANSYS軟件中各模塊的控制參數，并將供暖期某日熱泵機組冷凝器出水溫度、制熱量的模擬結果與實測結果進行對比，對模型的精度進行驗證。冷凝器出水溫度模擬結果與實測值之間的平均絕對誤差為0.52℃，制熱量的平均相對誤差為4.33％，證明模型的精度可以接受。

3　運行模式設置及比較參數

①運行模式

對于地埋管換熱器間歇運行模式，將每日的運行時間與非運行時間之比定義為日開停比。為了比較連續(xù)運行與間歇運行模式以及不同日開停比的間歇運行模式下熱泵機組的性能，選取連續(xù)運行模式和3種間歇運行模式進行對比分析，各運行模式見圖1。間歇運行模式1的日開停比為l8：6，間歇運行模式2為13：11，間歇運行模式3為9-15。模型不考慮地埋管換熱器間歇運行對空調房間供暖的影響，認為地埋管換熱器停用時段由太陽能熱水系統(tǒng)或其他低溫熱源替代土壤源。

②比較參數

選取蒸發(fā)器出水溫度、土壤溫度、熱泵機組供暖期能效比作為比較參數。熱泵性能手冊采用蒸發(fā)器出水溫度考量熱泵機組在供熱工況下的運行工況優(yōu)劣，蒸發(fā)器出水溫度越高，表明地埋管換熱器出水溫度越高，熱泵機組的運行工況越好。熱泵性能手冊給出制熱工況下蒸發(fā)器出水溫度推薦范圍為5～15℃。土壤作為熱泵機組的低溫熱源，其溫度與熱泵機組的運行狀況密切相關，由土壤蓄熱模塊直接給出。熱泵機組供暖期能效比IHSPF的計算式為：

式中IHSPF——熱泵機組供暖期能效比

Q——熱泵機組供暖期總供熱量，kW·h

W——熱泵機組供暖期總耗電量，kW·h

4　結果分析與討論

①蒸發(fā)器出水溫度

連續(xù)運行模式下蒸發(fā)器出水溫度隨運行時間的變化見圖2。由圖2可知，在整個供暖期內，蒸發(fā)器出水溫度持續(xù)下降。熱泵機組的制熱量根據末端負荷動態(tài)調節(jié)，蒸發(fā)器出水溫度相應出現波動。連續(xù)運行模式下，蒸發(fā)器出水溫度低于5℃的時間約720h，約占整個供暖期的32.6％，最低為1.54℃。因此，當采用連續(xù)運行模式時，易觸發(fā)熱泵機組的保護性停機，導致熱泵空調系統(tǒng)無法運行。

3種間歇運行模式下蒸發(fā)器出水溫度隨運行時間的變化見圖3。由圖3可知，3種間歇運行模式下蒸發(fā)器出水溫度的下降幅度均小于連續(xù)運行模式。對于間歇運行模式l，蒸發(fā)器最低出水溫度為3.49℃，高于連續(xù)運行模式，但仍然低于蒸發(fā)器出口溫度推薦范圍的下限，整個供暖期蒸發(fā)器出水溫度低于5℃的時間約260h。對于間歇運行模式2，蒸發(fā)器最低出水溫度為4.95℃，高于間歇運行模式l，而間歇運行模式3的蒸發(fā)器最低出水溫度為5.86℃。因此，日開停比越小，熱泵機組的運行工況越好。

②土壤溫度

不同運行模式下土壤溫度隨運行時間的變化見圖4。由圖4可知，熱泵機組運行時土壤溫度逐漸下降，下降幅度與地埋管換熱器的運行模式有關。連續(xù)運行模式下，到供暖末期，土壤溫度由初期的20℃降為14.72℃，降幅達5.28℃。間歇運行模式1下，到供暖末期，土壤溫度為16.01℃，降幅為3.99℃。間歇運行模式2下，到供暖末期，土壤溫度為l7.08℃，降幅為2.92℃。間歇運行模式3下，到供暖末期，土壤溫度為17.91℃，降幅為2.09℃。由以上分析可知，當日開停比減小時，地埋管換熱器運行時間減少，從土壤提取的熱量減少，土壤溫度下降幅度減小。但由于每天的恢復時間較短，不足以使土壤溫度有明顯的改變。

③供暖期能效比

不同運行模式下的Q、W、IHSPF見表l。由表1可知，間歇運行模式下的IHSPF高于連續(xù)運行模式，間歇運行模式1～3的IHSPF接近。

5　結論

與連續(xù)運行模式相比，間歇運行模式有助于改善土壤源熱泵的運行工況，減小土壤溫度的降幅。長期運行時，地埋管換熱器間歇運行模式下的供暖期能效比高于連續(xù)運行模式。日開停比越小，越有利于土壤源熱泵機組的高效運行。

參考文獻：

[1]范萍萍，端木琳，舒海文，等．地溫可恢復性對土壤源熱泵運行的影響[J]．制冷與空調，2006(1)：79-82．

[2]王澤生，顏愛斌，呂建．地源熱泵間歇運行對地埋管換熱器性能的影響[J]．煤氣與熱力，2009，29(4)：A03-A06．

[3]王明國，付祥釗．重慶某地源熱泵系統(tǒng)冬季供熱能力實驗研究[J]．建筑熱能通風空調，2007(3)：45-47．

[4]陳穎，丁廣城，楊敏．熱泵間歇制熱及土壤熱響應特性的研究[J]．太陽能學報，2011，32(2)：257-261．

[5]劉文學，唐志偉，魏加項，等．地源熱泵間歇制熱運行的試驗研究[J]．可再生能源，2008(1)：59-61．

[6]王勇，韓傳璞，賴道新，等．變上況雙U管土壤源熱泵冬季能耗測試分析[J]．湖南大學學報：自然科學版，2009(S2)：31-34．

本文作者：劉祥揚　崔文智

作者單位：重慶大學低品位能源利用技術及系統(tǒng)教育部重點實驗室