【论文精选】冰源热泵与地埋管地源热泵联合供暖系统仿真

原创 马宏权，等 煤气与热力杂志

煤气与热力杂志

微信号 GAS-HEAT1978

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作 者： 马宏权，徐连，胡志高，胡平放，朱娜，雷飞

第一作者单位：南京丰盛新能源股份有限公司

摘自《煤气与热力》2022年3月刊

参考文献示例

马宏权，徐连，胡志高， 等 .    冰源热泵与地埋管地源热泵联合供暖系统仿真 ［J］.    煤气与热力， 2022，42（3） ：A06-A10，A18.

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换热设备

1    概述

近年来，水源热泵发展迅速 ^{［ 1 ］} 。对于以地表河流、湖泊等为低温冷热源的地表水源热泵 ^{［ 2 ］} ，过低的取水温度易导致蒸发器出水温度过低，甚至无法制热 ^{［ 3 ］} 。

 

夏热冬冷地区供暖期地表水表面冻结情况比较多，冰层下未冻结的近冰点低温水体蕴含着巨大热能。低温水相变制热技术以过冷水动态制冰法为理论基础 ^{［ 4-6 ］} ，提取低温水与过冷水之间的热量，为水源热泵机组提供低温热源。这项技术突破了常规水源热泵的应用局限，扩大了应用范围，实现了对低温水热能的利用。

 

本文将低温水相变制热技术与水源热泵机组相结合（本文称为冰源热泵机组），采用 TRNSYS 软件对冰源热泵机组与地埋管地源热泵机组联合供暖系统（本文称为联合供暖系统）的运行特性及能效进行仿真。

 

2    低温水相变制热技术

低温水相变制热技术以过冷水动态制冰法为理论基础 ^{［ 6 ］} ，将常规水源热泵转化为可在水源温度 0 ℃以下运行的全工况水源热泵。系统流程见图 1 。低温水相变制热系统主要包括过冷水 换热器 、超声波过冷解除装置、冰水混合物分离装置等 ^{［ 7 ］} 。对于过冷水换热器：一个换热通道与水源热泵的蒸发器构成供热循环，循环介质为质量分数 15% 的乙二醇溶液，将过冷水换热器从过冷水侧获得的热量传递给水源热泵。另一个换热通道与超声波过冷解除装置、冰水混合物分离装置、预热器等构成低温热源循环，提取低温水制冰释放的相变潜热。

 

图 1    低温水相变制热系统流程

1. 水源热泵   2. 过冷水换热器   3. 超声波过冷解除装置   4. 冰水混合物分离装置   5. 预热器   6. 乙二醇溶液泵   7. 冰浆循环泵   8 、 9. 温度传感器   10. 冰晶传播阻断器   11. 冰晶过滤器

 

冰水混合物分离装置出口低温水流经冰晶过滤器，以防止冰晶进入过冷水换热器发生冻堵。预热器根据温度传感器 8 、 9 的温度信号决定是否开启，配合冰晶传播阻断器，防止进入过冷水 换热器 的过冷水因温度过低或者存在细小冰晶颗粒而提前结冰。过冷水换热器出口过冷水在超声波过冷解除装置中解除过冷状态，发生部分结冰，形成冰浆，最终在冰水混合物分离装置中将冰晶分离。补水补充因分离冰浆造成的液体流失。

 

3    联合供暖系统

 

以南京地区某住宅建筑为研究对象，该建筑原采用地埋管地源热泵机组供冷、供暖以及全年供应生活热水，地埋管钻孔数量 185 个，按 5 m × 5 m 间距排布。投入运行 6 a 后，因冷热负荷不平衡导致土壤出现冷堆积，供暖期难以正常供暖。

 

考虑到该地区供暖期低温地表水源资源丰富，采用联合供暖系统，将 2 台地埋管地源热泵机组中的 1 台改造为冰源热泵机组，从而组成联合供暖系统。在一定程度上缓和土壤的冷堆积，有助于恢复土壤的热性能。联合供暖系统工艺流程见图 2 。供暖期联合供暖系统阀门开闭情况见表 1 。图 2 中空心阀门为关闭状态，实心阀门为开启状态。红色、绿色、蓝色实线为导通管线，黑色实线为非导通管线。红色实线代表生活热水、供暖热水管线，绿色实线代表冰源热泵机组管线，蓝色实线代表地埋管换热器循环水管线。供暖期生活热水、供暖热水由冰源热泵机组、地埋管地源热泵机组共同承担。

 

图 2    联合供暖系统工艺流程

 

A1~A8 、 B1 、 B2 、 C1 、 C2 、 D1 、 D2 、 E1 、 E2 、 F1 、 F2. 阀门

 

表 1    供暖期阀门开闭情况

 

4    研究对象与方法

 

采用 TRNSYS 软件搭建模拟平台，使用其中的 Simulation Studio 软件包调用气象、设备、计算、控制和输入输出等组件。联合供暖系统仿真模型（软件截图）见图 3 。针对供暖工况，对目标建筑建立 DeST 模型，得到目标建筑的负荷分布，将负荷导入 TRNSYS 软件中用于仿真计算。

 

图 3    联合供暖系统仿真模型（软件截图）

 

表 2    主要设备额定输入电功率

 

结合 TRNSYS 研究工具中 Simulation Studio 软件包提供的组件建模，以冰源热泵机组为基载主机，地埋管地源热泵机组作为调峰热源。主要控制内容包括：热泵机组及动态制冰模块启停控制、水泵流量控制。以满足生活热水、供暖热负荷为目标，控制策略包括：当总热负荷在冰源热泵机组额定制热量 60% 以上时，开启地埋管地源热泵机组。利用温差控制器监测建筑负荷侧供回水温差，并将温差控制在一定范围内。依据定温差变流量的原则，控制水泵流量。

 

对比 2017 年 11 月 15 日的运行数据与模拟运行数据（以南京地区典型年供暖期气象参数为条件）可知，两者整体差异比较小，说明模型仿真结果可信。

 

5    仿真结果

 

在水源、土壤热物性条件确定的前提下，对系统能效受含冰率、乙二醇溶液循环温差的影响进行分析。含冰率为冰浆中冰晶的质量分数，峰值含冰率指允许最大含冰率，平均含冰率指供暖期平均含冰率。乙二醇溶液循环温差指过冷水换热器出口与冰源热泵机组蒸发器出口温差。

 

①水泵耗电量

 

不同峰值含冰率、乙二醇溶液循环温差下的供暖期平均含冰率、乙二醇溶液泵耗电量、冰浆循环泵耗电量见表 3 。由表 3 可知，低温水相变制热系统在供暖期并非始终保持满负荷的制冰状态，不同条件下平均含冰率均小于设定的峰值含冰率。在乙二醇溶液循环温差一定的条件下，冰浆循环泵耗电量随峰值含冰率增大呈下降趋势。进一步分析发现，乙二醇溶液泵耗电量随峰值含冰率的增大而增加。随着峰值含冰率的增大，乙二醇溶液泵耗电量在低乙二醇溶液循环温差下的上升趋势明显，在高乙二醇溶液循环温差下的上升趋势变缓。

 

表 3    不同峰值含冰率、乙二醇溶液循环温差下的供暖期平均含冰率、乙二醇溶液泵耗电量、冰浆循环泵耗电量

 

②热泵机组耗电量

 

不同峰值含冰率、乙二醇溶液循环温差下的供暖期冰源热泵机组耗电量、地埋管地源热泵机组耗电量见表 4 。机组耗电量不含循环泵 1 、 2 的耗电量。由表 4 可知，随着峰值含冰率增大，低温水相变制热系统承担了更多热负荷，冰源热泵机组耗电量呈上升趋势。峰值含冰率一定时，随着乙二醇溶液循环温差增大，冰源热泵机组耗电量呈下降趋势。地埋管地源热泵机组耗电量对峰值含冰率、乙二醇溶液循环温差的变化不敏感。

表 4    不同峰值含冰率、乙二醇溶液循环温差下的供暖期冰源热泵机组耗电量、地埋管地源热泵机组耗电量

 

③季节能效比

 

不同峰值含冰率、乙二醇溶液循环温差下的冰源热泵机组季节能效比、地埋管地源热泵机组季节能效比见表 5 。由表 5 可知，与地埋管地源热泵机组相比，冰源热泵机组能效比受峰值含冰率、乙二醇溶液循环温差的影响更加明显。在低峰值含冰率下，比较高的乙二醇溶液循环温差对应较高的冰源热泵机组能效。在高峰值含冰率条件下，过低的乙二醇溶液循环温差不利于冰源热泵机组能效的提高。

 

表 5    不同峰值含冰率、乙二醇溶液循环温差下的冰源热泵机组季节能效比、地埋管地源热泵机组季节能效比

 

6    结论

 

①水泵耗电量：低温水相变制热系统在供暖期并非始终保持满负荷的制冰状态，不同条件下平均含冰率均小于设定的峰值含冰率。在乙二醇溶液循环温差一定的条件下，冰浆循环泵耗电量随峰值含冰率增大呈下降趋势。乙二醇溶液泵耗电量随峰值含冰率的增大而增加。随着峰值含冰率的增大，乙二醇溶液泵耗电量在低乙二醇溶液循环温差下的上升趋势明显，在高乙二醇溶液循环温差下的上升趋势变缓。

 

②热泵机组耗电量：随着峰值含冰率增大，低温水相变制热系统承担了更多热负荷，冰源热泵机组耗电量呈上升趋势。峰值含冰率一定时，随着乙二醇溶液循环温差增大，冰源热泵机组耗电量呈下降趋势。地埋管地源热泵机组耗电量对峰值含冰率、乙二醇溶液循环温差的变化不敏感。

 

③机组能效比：与地埋管地源热泵机组相比，冰源热泵机组能效比受峰值含冰率、乙二醇溶液循环温差的影响更加明显。在低峰值含冰率下，比较高的乙二醇溶液循环温差对应较高的冰源热泵机组能效。在高峰值含冰率条件下，过低的乙二醇溶液循环温差不利于冰源热泵机组能效的提高。

参考文献：

［ 1 ］徐伟 .  《中国地源热泵发展研究报告》（摘选）——国际国内地源热泵技术发展［ J ］ .  建设科技， 2010 （ 18 ）： 14-18.

 

［ 2 ］雷飞，胡平放，孙启明 .  地下水源热泵流量经济性分析及地下水有效利用［ J ］ .  制冷与空调， 2012 （ 3 ）： 23-27.

 

［ 3 ］白亚娟，张亚楠 .  水源热泵技术的发展及应用中存在的问题［ J ］ .  陕西煤炭， 2016 （ 6 ）： 16-19.

 

［ 4 ］李秋生 .  住宅用水源热泵中央空调机组动态特性研究及能耗分析（硕士学位论文）［ D ］ .  天津：天津大学， 2004 ： 4-6.

 

［ 5 ］高蕊笑，张庆钢，王艺，等 .  冰浆的研究现状与发展趋势［ J ］ .  制冷技术， 2019 （ 5 ）： 65-71.

 

［ 6 ］章学来，杨鹏程，王文国，等 .  过冷水制冰技术的研究进展［ C ］ // 中国建筑学会暖通空调分会 .  全国暖通空调制冷 2008 年学术年会资料集 .  成都：中国建筑学会暖通空调分会， 2008 ： 113.

 

［ 7 ］胡婧娟，樊贵盛 .  季节性冻土区越冬期河流地表水温度变化特性研究［ J ］ .  节水灌溉， 2018 （ 6 ）： 7-11.

 

［ 8 ］王敏，余跃进，詹艳萍，等 .  长江水作为粮库空调系统冷却水源的可行性研究［ J ］ .  南京师范大学学报（工程技术版）， 2013 （ 2 ）： 32-36.

 

（本文责任编辑：贺明健）

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