文章编号: 1005—0329(2004)02—0041—05
制冷空调
太阳能—土壤源热泵系统联合运行模式的研究
杨卫波,董 华,周恩泽,胡 军
(青岛建筑工程学院,山东青岛266033)
摘 要: 针对青岛地区的气象条件,对太阳能—土壤源热泵系统联合运行的各种模式进行了模拟计算,并与土壤源热泵作了比较。结果表明,与土壤源热泵相比,联合运行各模式具有明显的节能效果,其节能率在12%以上,可作为实际工程设计、运行的优选方案。
关键词: 太阳能—土壤源热泵系统;联合运行模式;土壤源热泵中图分类号: TU83211 文献标识码: A
ResearchonApproachofCombinedOperationinSolar—EarthSourceHeatPumpSystem
YANGWei2bo,DONGHua,ZHOUEn2ze,HUJun
(QingdaoInstituteofArchitectureandEngineering,Qingdao266033,China)
Abstract: BasedontheclimateconditionofQingdao,simulationcomputationofvariouscombinedoperationmodesofSolar—EarthSouthHeatPumpSystemwerecarriedout.TheresultindicatesthatcomparetoGSHPcombinedoperationmodes,haveanotableenergyconservationeffecttheenergy2savingrateismorethan12%,andcanbeusedasanoptimizedschemeinthepracticalengineeringdesignandoperation.
Keywords: Solar—EarthSourceHeatPumpSystem;combinedoperationapproach;GSHP
1 前言
热泵、土壤源热泵及联合运行模式各自运行的时
间比例分别为:48.26%、10.07%及41.67%;但对作为其主要运行模式之一的联合运行模式进行研究的几乎没有看到。本文旨在对SESHPS联合运行的各种模式进行数值模拟计算,以为其实际设计、运行及调试提供理论基础。2 SESHPS的组成及其联合运行模式211 系统组成
太阳能—土壤源热泵系统(SESHPS)根据热
源组合的不同而有多种不同的运行模式,最基本的模式有白天(晴天)采用太阳能热泵、阴雨天或夜晚采用土壤源热泵的交替运行模式和同时采用两热源的联合运行模式。目前,国内外对SESHPS运行模式的研究并不多见,文献[1]对天津地区SESHPS交替运行进行了实验研究,得出太阳能热泵平均供热率为334W,平均供热系数为2.73,土壤源热泵的相应参数为2298W和2.83,SESHPS的相应参数为2316W和2.78;文献[2]对寒冷地区SESHPS各运行模式运行时间的分配比例进行了理论研究,得出哈尔滨地区SESHPS中太阳能
收稿日期:2003—06—20
太阳能—土壤源热泵系统如图1所示。该系
统可根据日照条件和热负荷变化情况采用多种不同运行模式,如太阳能热泵供暖、土壤源热泵供暖、太阳能—土壤源热泵联合(串联或并联)供暖
(011150105)基金项目:山东省科技发展计划项目“地热综合利用关键技术研究”
及太阳能集热器集热土壤蓄热等
。
Tgin———埋地盘管的进口流体温度,℃ Tgout———埋地盘管的出口流体温度,℃
(2)埋地盘管出口流体温度计算
Tgout=Tf+Qn/(2cl・ml)
(2)
式中 Tf———埋管内流体的平均温度,℃
(3)埋地盘管内流体平均温度的计算[4]:Tf,i=Tb,i
--KsLL
ti
n
i
i=1
∑∑Q[G(Fo
j
j=1
tn+1-ti
,p)(3)
-G(Fotn-图1 太阳能—土壤源热泵系统
,p)]
式中 Tf,i———i时刻埋地盘管内流体的平均温
度,℃
Tb,i———i时刻土壤的原始温度,℃ Rb———孔洞热阻[4～6],m・℃/W L———孔深,m
) Ks———土壤的导热系数,W/(m・℃
212 SESHPS联合运行模式
SESHPS联合运行模式,是指在热负荷较大时
使用太阳能集热器与埋地盘管从两热源中同时取热的情况,根据两热源组合方式的不同,有如下3种运行模式:
(1)太阳能集热器与埋地盘管串联运行,载热流体的流动顺序为先埋地盘管后集热器。
(2)同上为串联,所不同的是载热流体先经过
Qj———第j时刻埋地盘管吸(放)热量,W G(Fo,p)———圆柱源积分[4]
p———计算温度处的半径与孔洞半径之比
2
Fo———付里叶准则数,Fo=4αt/dα— ——土壤的导温系数,m2/h t———时间,h d———孔洞直径,m
当p=1,可用下式近似计算G(Fo,p):
(4)G(Fo,1)=10ββ—式中 ——指数
β=-0.89129+0.36081lgFO
-0.05508lg2FO+3.59617×10-3lg3FO
集热器后经过埋地盘管。
(3)太阳能集热器与埋地盘管并联运行。根
据各自流量分配比例的不同,又有不同的情况。为便于研究,本文取如下3种工况:以P表示流
经集热器的载热流体流量与总流量的比例,则有:1)P=0.25,集热器流量占1/4,埋地盘管为3/4;2)P=0.5,集热器与埋地盘管流量各占1/2;3)P=0.75,集热器流量占3/4,埋地盘管为1/4。3 SESHPS联合运行各组件模型311 埋地盘管模型
模型的输入为进口流体温度与质量流量(来自其它组件模型的输出);输出为出口流体温度、质量流量(供其他组件模型使用)、埋地盘管负荷及管内流体平均温度;模型参数包括孔洞尺寸、土壤导热系数与导温系数、U型管材的导热系数、载热流体的比热与流量、载热流体的粘度与密度、灌浆材料的导热系数及土壤原始温度等。其计算采用一迭代程序,即首先假定一埋地盘管的出口流体温度,通过其他组件模型的计算得到一埋地盘管入口温度,根据式(1)～(3)可得到一个新的埋地盘管出口流体温度,然后与假定值比较,直到其差值的绝对值达到要求的精度为止。312 土壤源热泵模型
本文中埋地盘管为垂直U型管,模型采用经由Deerman与Kavangunaugh改进过的圆柱热源分析解模型[3],该模型比较简单、直观,且易于编程计算。文献[4]对此模型用于系统模拟的精度作了详细的阐述,并与TRNSYS中的埋地换热器标准组件模型DST进行了比较,取得了满意的结果。所用到的计算式主要包括以下3个:
(1)埋地盘管吸(放)热量的计算:
Qi=clml(Tgout-Tgin)
(1)
式中 Qi———i时刻埋地盘管在土壤中的吸(放)
热量,吸热为正,放热为负,W
) cl———载热流体的比热,kJ/(kg・℃
ml———载热流体的质量流量,kg/s
土壤源热泵的数学模型可根据产品样本提供的实验数据拟合而成,其吸热量与耗电量可以分别拟合为式(5)和式(6):
=a+bTin+cT2in
qheating
qheating
(5)(6)
=d+eTin+fT2in
式中 Qextraction———热泵蒸发器从环路中的吸热
量,W
N———热泵机组的输入功率,W qheating———热泵机组的供热量(等于所应满
足对应时刻的建筑热负荷),W
Tin———热泵进口流体温度,℃ a,b,c,d,e,f———曲线拟合系数,具体数
值视不同的热泵机组而定313 太阳能集热器模型
果如图3～7所示。为了与土壤源热泵进行对比,
图3～5中也给出了土壤源热泵单独运行时各对应参数的变化曲线;表2列出了各联合运行模式与土壤源热泵单独运行模式全天日间9h各对应参数的比较结果
。
太阳能集热器的数学模型可根据厂家对其进行性能测试而得到,其瞬时效率方程可表示为:
η=C-D(tci-ta)/Ic(7)则有: Qu=AcIηc
Tco=tci-Qu/(ml・cl)
(8)(9)
η—式中 ——集热器的瞬时集热效率
C,D———集热器瞬时效率曲线系数,对于
结构一定的集热器为常数
Qu———集热器的有效集热量,W Ac———集热器的集热面积,m2 Ic———太阳辐射强度,W/m2
tci,tco———集热器进、出口流体温度,℃ ta———外界环境温度,℃ ml———集热流体的质量流量,kg/s
) cl———集热流体的比热,kJ/(kg・℃4 模拟计算过程及结果分析
图2
联合运行模式一的计算框图
以青岛地区为例进行模拟计算,热泵机组选
用美国宜康能地源热泵公司生产的GV/GH/GC180/181型水-空气式水环热泵,根据样本数据可得:a=0.7021,b=0.0062,c=-0.0002,d=0.2979,e=-0.0061,f=0.0002;太阳能集热器选用北京太阳能研究所研制的BTR—C1型平板集热器,C=0.744,D=4.45;模拟条件如表1所示。针对上述讨论的各种联合运行模式,取青岛地区采暖季节一典型日加以分析,编制计算机程序进行模拟计算。图2给出了运行模式一的计算框图,其他运行模式的计算过程与此基本一致,只是模型的连接顺序不同,在此不逐一列出。计算结
图3 各运行模式下热泵吸热量随时间的变化规律
411 各运行模式下热泵吸热量的比较
从图3可以看出,联合运行的各模式中热泵吸热量随时间变化趋势基本一致,均是随着日间时间的延续,太阳辐射强度的增加而逐渐减小,这是因建筑物热负荷也在相应减小的缘故。除日照始末时刻外,各对应时刻热泵吸热量基本相同,从
FLUIDMACHINERY Vol132,No12,200444
表2中也可看出日间9h的总吸热量几乎相等。
从图中还可看出,土壤源热泵各对应时刻的吸热量比联合运行模式平均要小0.15kW,这意味着在
建筑物设计热负荷
(kW)
5
供热负荷一定时,联合运行模式中热泵机耗功量要比土壤源热泵运行模式小,从而具有节能效果,这可从图4中更直观地看出。
土壤特性参数
导热系数
)][W/(m・℃
3.49
孔洞尺寸(m)孔深
55
表1 模拟计算条件
U型管参数
内径(m)
0.032
孔径
0.11
外径(m)
0.040
导热系数
)][W/(m・℃
0.42
导温系数
(m2/h)
5.69×10-3
原始温度
(℃)
10
热泵机组介质
质量流量(kg/s)
0132
灌浆材料的导热系数
)][W/(m・℃
216
集热器面积
(m2)
6
载热流体特性参数
密度(kg/m3)
1052
运动粘度(N・s/m2)
419×10-6
比热
)][kJ/(kg・℃
318
导热系数
)][W/(m・℃
0148
运行模式运行模式一
运行模式二模P=0125式P=0.5三P=0.75土壤源热泵
热泵总吸热量
Q(kW)
[**************]22.0121.7520.99
热泵总耗功量
N(kW)
[1**********]38.028.309.10
埋地盘管总吸(放)热量
Qg(kW)吸热量516051345.395.194.6820.99
放热量317131963.593.503.290
净吸热量11891138
1.801.
691.4020.99
集热器总有
平均集热
效集热量
效率η
Qu(kW)
[1**********]0.5320.4320.36
[1**********]70.69670.69590.6936
日间热泵的平均COP
318031773.793.743.723.31
平均要节能12%。对图5的分析可进一步得出:因联合运行各模式中埋地盘管的净吸热量远小于土壤源热泵,从而使得其夜间运行时热泵的效率会因土壤温降小而更高,这意味着联合运行模式的节能效果要大于12%。
图4 各运行模式下热泵的输入功率随时间
的变化规律
412 各运行模式下热泵输入功率的比较
从图4可看出,联合运行各模式中热泵的功耗曲线变化基本相同,均是随着日间太阳辐射强度的逐渐增加,耗功量渐渐减小,至下午13∶00时达到最小值(0.65kW),之后又开始增加。从图中还可看出,土壤源热泵各对应时刻的输入功率明显要高于联合运行模式。分析表2可进一步发现:运行模式一、二和三中P=0.25时的总耗功量基本一致;但就模式三而言,随着P的逐渐增加,热泵的总输入功率呈上升趋势,由P=0.25时的7.93kW上升到P=0.75时的8.3kW,这说明在并联运行模式中,盲目增大集热器侧流体的分配比例并不利于系统节能。分析表2可得出:日间联合运行各模式比单独土壤源热泵运行模式
图5 各运行模式下埋地盘管吸(放)热量随
时间的变化规律
413 各运行模式下埋地盘管吸(放)热量的比较
对图5的变化曲线进行分析可以发现,各联合运行模式下埋地盘管吸(放)热量随时间的变化趋势大致相同,均是日照开始时刻吸热量最大,随着日照强度的不断增大,吸热量渐渐减小,至上午9∶30时开始转为向土壤中放热,到中午12∶00时放热量达最大值,之后随着日照强度的减弱,放热量逐渐减小,到下午14∶20又开始转变为吸热。从图5中还可看出,土壤源热泵单独运行时,埋地
盘管始终处于吸热状态,且吸热量随时间的变化幅度不大。
对照图5和表2进一步分析可发现:模式二与模式一相比,其总吸热量有所减小,放热量有所增加,从而使得其总净吸热量比模式一减小了25%(0.47kW);就模式三而言,随着P的逐渐增
一,集热量最小的是模式三中P=0.75的工况,其原因是集热效率不同而导致,这从图7中可直观的看出;在9∶00～14∶00期间,运行模式二各时刻瞬时集热效率最大,其次为模式一,最小的是模式三中P=0.75的工况。这是因为在流体温度处于集热器进口流体温度要求范围内时,在其他条件一定的情况下,集热器的效率随进口温度的降低而增大,这从式(7)中也可以得到证明。很显然,模式二中集热器进口流体平均温度最低。从图7中还可发现:在主要日照时间内,并联运行模式下集热器集热效率随着集热介质流量的逐渐增大而渐渐减小,这进一步说明了并联运行模式中集热器侧的流量不宜过大,因为这样不但造成集热器效率降低,而且埋地盘管侧传热热阻会因流量的减小而增大,从而导致换热效率下降。5 结论
(1)各联合运行模式对应参数随时间变化的
大,埋地盘管的吸热量、放热量均呈现减小趋势,
这是因为在结构一定的条件下,孔洞热阻与管内循环流体的流量有很大的关系:当管内流体流量逐渐减小时,流体流速减小,流体紊流强度减弱,与管内壁面的对流换热系数减小,导致其总热阻增大,从而削弱流体与周围土壤的换热效果。从表2还可看出,土壤源热泵的净吸热量最大,模式二的最小,从土壤能量平衡及土壤温度恢复状况的角度来考虑,模式二最佳,而土壤源热泵单独运行模式最不利,因为净吸热量越大,意味着土壤的温降幅度也越大,从而导致其吸热量会随着时间的延续而逐渐减小。414 各运行模式下集热器有效集热量与集热效
率的比较
规律基本一致,且在量值上差别不大。对于串联运行模式,模式二优于模式一;对于并联运行模式(并联运行模式的运行效果与各自流量的分配比例有很大关系),集热器侧的流量不宜过大,在满足集热器正常工作条件下,应适当增大埋地盘管侧的循环介质流量,一方面有利于增强地下侧的换热效果;另一方面也有利于提高集热器的集热效率;
(2)在各种联合运行模式中,模式二最佳。因为该运行模式的能耗较小,集热器的效率最高,且从土壤中的净吸热量也最小,不仅日间节能效果好,而且也利于夜间土壤源热泵的运行。在实际运行过程中,当热负荷较大时,可优先考虑选择该模式;
(3)与土壤源热泵相比,SESHPS具有明显的节能效果,节能率在12%以上;
(4)从各种联合模式的运行效果来看,土壤起
图6 各运行模式下集热器的有效集热量随
时间的变化规律
到了短期蓄热的作用,可替代或部分替代储热水
箱。
图7 各运行模式下集热器的集热效率随时间的变化规律
参考文献:
[1] 毕月虹,陈林根.太阳能—土壤热源热泵的性能研
从图6可以看出,各运行模式下集热器有效集热量随时间的变化趋势一样,但在主要日照时间(9∶00～14∶00)内,各对应时刻集热量有一定的差别,运行模式二的有效集热量最大,其次为模式
究[J].太阳能学报,2000,21(2):21422191
(下转第49页)
第三次再充灌后变为R12的1.04倍多;第四次再充灌后变为R12的1.03倍多。说明系统的q0值将逐步有所降低,但仍好于R12
。
替代问题,根据摩尔质量相当的原则,我们研发了一种不含CFC的三元环保替代物LXR2a。它具有环保性能好、无毒不燃、可直接充灌、标准工况下循环性能好等特点。但由于其滑移温度较大,泄漏必将导致摩尔质量以及循环性能发生变化。通过本文的讨论和分析,表明泄漏过程和泄漏—再充灌过程所致的成分将引起LXR2a的摩尔质量的增加及循环性能的降低。对于摩尔质量的变化,其增加的幅度并不是太大,第四次泄漏(20%)—再充灌后摩尔质量增加了5.3%,这样
图11 q0随气相泄漏-再充灌的变化
图12示出了LXR2a的单位容积制冷量qv随
气相泄漏(20%)—再充灌过程的相对变化。从图中可以看出,随着泄漏—再充灌过程次数的增加,其qv值将逐步降低。第一次再充灌后变为R12的0.96%;第二次再充灌后变为R12的0.93%;第三次再充灌后变为R12的90%;第四次再充灌后变为R12的88%。这表明随着泄漏-再充灌过程,单位容积制冷量强逐步有所降低,而且比R12低
。
的变化对离心式压缩机是可以接受的;对循环性能来说,COP和q0的变化幅度较小,且仍略好于R12的值,而qv的变化相对较大,第四次泄漏(20R)—再充灌后仅为R12的88%。因此,在使用LXR2a制冷剂替代R12时,需要认真解决冷水机组的泄漏问题,采取相应措施,降低其泄漏率。
参考文献:
[1] 王鑫,史琳,朱明善1在用R12离心式冷水机组替代
物的选择[J]1暖通空调,2003,33(2):10421061
[2] PearsonSF,PEARSONAB1DevelopmentandTestingof
aZeroODPReplacementforR12inCentrifugalCompres2sors[R]120thInternationalCongressofRefrigeration[A]1IIR/IIF,Sydney,19991
[3]UNEP1Chillersandrefrigerantmanagement,TrainingMan2
ual,19941
[4] DidionDA,KimMS1NISTLeakandRechargeSimulation
ProgramForRefrigerantMixtures(REFLEAK)[M].Ver2sion2.0;NationalInstituteofStandardsandTechnology:Gaithersburg,MD,208991
作者简介:王鑫(1976-),男,博士生,主要从事绿色环保制冷剂的研究,通讯地址:100084北京清华大学热能工程系工程热物理研究所。
图12 qv随气相泄漏—再充灌的变化
4 结论
为了解决现有的离心式水冷机组中R12的
(上接第45页)
[2] 余延顺,廉乐明1寒冷地区太阳能-土壤源热泵系
sponseFactorModelforVerticalGroundLoopHeatEx2changers[J].ASHRAETransactions,1999,105(2):47524851
[6] RemundCP.Boreholethermalresistance:Laboratoryand
fieldstudies[J].ASHRAETransactions,1999,105(1):43924451
作者简介:杨卫波(1975-),男,在读硕士研究生,主要研究低品位能源的开发与利用及建筑节能技术,通讯地址:266033山东青岛市青岛建筑工程学院605#信箱。
统运行方式的探讨[J].太阳能学报,2003,24(1):
11121151
[3] DeermanJD,KavanaughSP.SimulationofverticalU2
tubeground2coupledheatpumpsystemsusingthecylindri2calheatsourcesolution[J].ASHRAETransactions,1991,97(1):2872294.
[4] BernierM.Ground2CoupledHeatPumpSystemSimulation
[J].ASHRAETransactions,2001.107(1):6052616.[5] YavuzturkCJD,SpitlerSJRees.AShortTimeStepRe2