热回收降低地源热泵冷热不平衡的研究

Abst r act : Cold and heat soil-conditioning throughout the year is the key issue in the course of actual operating of ground source heat pump system. Moreover, whether to use heat recovery on the side of ground-source heat pump condenser directly affects the soil layer's heat and cold balance through the year. This paper, based on a special heat recovery system, combined with the actual project mathematical calculation, introduces that the heat recovery system can significantly reduce underground heat (cold) unbalance. CFD tool is also used to simulate a long-term- running ground-source heat pump system to point out the relation between whole year heat (cold) unbalance and soil layer temperature. Sub-function relation between heat (cold) imbalance and average temperature of the soil is also be fitted out. Base on the research, this paper further advises the vital impact of heat and cold imbalance on temperature of the soil. It also shows us that using heat recovery system has critical function on the control of heat and cold imbalance. Keywor ds: ground-source heat pump, heat recovery, heat and cold balance
1 中国建筑上海设计研究院有限公司 2 同济大学暖通研究所
摘 要：土层全年冷热量调节是地源热泵系统在实际使用过程中的关键问题，其中地源热泵冷凝器侧是否进行热 回收则直接影响土层的全年冷热平衡。本文基于所提出的一种热回收系统，结合工程实例数学计算，说明进行热 回收可明显减小系统向地下排热（排冷）的不平衡量；利用 CFD 工具模拟地源热泵系统长期运行时全年冷热不平 衡量对地温的影响，拟合出了冷热不平衡量与土壤平均温度之间的分段函数关系，进一步说明冷热不平衡对土层 温度的影响以及采用热回收系统对冷热不平衡量控制的重要性。 关键词：地源热泵 热回收 冷热平衡
0 引言
地源热泵与一般的空调系统相比具有显著的节 能效果，这主要是由于其较高的蒸发温度和较低的冷 凝温度，从而可以很大程度地提高机组运行的 COP。 同时，由于地源热泵系统不直接向空气中排放热（冷） 量，因此它还是一种较为清洁的空调方式。
由于我国大部分地区都是夏热冬冷地区，也就是 冬季需要供热，夏季需要供冷，所以我们只是单纯地把 地下作为一个热量储备设备，夏季把热量储存到地下 以备冬季来用，冬季储存冷量供夏季制冷。但是，一般 来说冬夏冷热负荷很难达到绝对的平衡，在长三角地 区这种现象尤其明显。如果出现严重的冷热不平衡的 情况（极端情况就是单冷或单暖地区），就会导致地下
3.1 物理模型
利用文献[3]中的数学模型，将 U 型管等效为一当
量直径的单管，两根 U 型管间距为 Lg，管径为 D0，等效
单管的当量直径为：
L。g 单孔模型示意图如
图 2 所示。
Lg
De
图 2 单孔模型示意图
对于实际工程来说，一般钻孔数量较多，为了考虑 这种多个管井换热对地下的温度的影响，必须考虑关 于管之间的相互影响，因此，在数值模拟建立模型过程 中，管径排布采用 11×11 方形布置形式，从而充分考 虑多个管井换热对地下温度的影响。地埋管管径 32mm，埋管中心距离 2.5m，计算区域 65m×65m，采用 四边形网格，网格数为 328146。
Researc h of Using Heat Rec overy t o Dec rease t he Heat Im balanc e of a Gr o u n d -s o u r c e H e a t Pu m p
HU Xiao-wei1, SHI Xiao-zeng2, ZHANG Hai-dong1, FAN Jian-bing1, ZHAO Jian1 1 China Architecture Design & Research Institute Co., Ltd. 2 HVAC Institute, Tongji University
式中：Qf 为向地源放热量，kWh；Q1 为处理空调负荷总 的 冷 量 ，kWh；Qr1 为 夏 季 加 热 生 活 热 水 需 要 热 量 ， kWh；η 为热回收效率；EER 为地源热泵主机制冷系 数；COP 为地源热泵主机制热系数。
过渡季节：空调部分不需要冷量或热量；地源热泵 主机开启用于制取生活热水。
（2）过渡季节从地下取热量 过渡季节只有生活热水需要取热： （3）冬季从土壤取热量 为冬季从土壤取热量，可按下式计算：
（10） 式中：Q6、Q7、Q8、Q9 分别为对应 100%、75%、50%、25% 负 荷 时 段 系 统 排 热 量 ；Q6''、Q7''、Q8''、Q9'' 分 别 为 对 应 100%、75%、50%、25%负荷时段生活热水取热量。
1 系统介绍
1.3 能量守恒关系 夏季：空调制冷需要向地源侧排出热量，生活热水
需要吸收热量，在夏季主要是利用余热回收来提供生 活热水。根据文献[2]可以得到以下的平衡关系。
当热回收能满足热水要求时：
（1）
当热回收不能满足热水要求时：
（2）
1.1 地源热泵热回收系统 对于宾馆一类的建筑全年使用空调的同时还有
生活卫生热水的要求，这一类建筑比较适合采用地源 热泵机组。该类建筑可以在夏季提供空调冷量，过渡 季节空调采用全新风，冬季提供空调热量，同时全年 利用地源热泵机组提供生活热水。目前在夏季供冷的 同时提供热量的方案比较少，这里采用在地源热泵主 机地源侧增加热回收的方式来解决该矛盾。图 1 为这 种热量回收方式的原理图：当主机需要制冷时，阀门 V1 关闭，V2 开启；当主机制热时，阀门 V1 开启，V2 关闭。
（7）
（8）
（9）
式中：Q1、Q2、Q3、Q4 分别对应 100%、75%、50%、25%负 荷时段系统排热量；Q1''、Q2''、Q3''、Q4'' 分别对应 100%、 75%、50%、25%负荷时段生活热水需热量；Q4''' 为制取 生活热水向地下排冷量。
经 计 算 得 ：Q 放 =6230400kWh，Q''=2243839kWh， Q 放 '=3929372kWh。
3 全年从地下吸热对土壤的温度影响分析
2.2 向土壤侧排热（冷）量计算 该工程选取地源热泵主机制冷的 EER 值为 4.5，
制热 COP 值为 2.8。热回收效率为 55%。 （1）夏季总的空调供冷总排热量 Q 放为整个夏季空调用冷期间总的排热量；Q 放 '
为夏季空调用冷期间向地下排热量；Q 放 '' 为生活热水 回收总热量。三者计算公式如下：
第 29 卷第 2 期 2010 年 4 月
文章编号：1003-0344（2010）02-049-5
建筑热能通风空调 Building Energy & Environment
Vol.29 No.2 Apr. 2010.49~52
热回收降低地源热泵冷热不平衡的研究
胡晓伟 1 施孝增 2 张海东 1 范键兵 1 赵鉴 1
全年对地源侧的放热量为： （6）
2 地源热泵系统排热（冷）对土壤侧的影响
根据运行方案，当不采用其他调节冷热不平衡的 手段时，带热回收的地源热泵系统全年运行时可以最 大程度地减少地上部分对土壤的影响。本文通过实例 计算来确定空调系统全年向土壤侧的排热（冷）量。
2.1 工程介绍 该工程为上海某宾馆的空调改造项目，工程建筑
（3）
式中：Qx2 为过渡季节从地源侧吸热量，kWh；Qr2 为过
渡季节加热生活热水需要热量，kWh。
冬季：空调和生活热水侧的使用都会从地源侧吸
热。
（4）
（5）
图 1 热回收方式原理图
1.2 运行方案 在夏季时，地源热泵主机蒸发器侧与空调用冷端
进行换热，地源热泵主机冷凝器侧与地埋管换热器侧 以及建筑物内其他需用热（如生活热水）的热用户相 接，热量只有一部分被土壤吸收；在冬季运行时，空调 侧需要热量与地源热泵机组的冷凝器侧相接，同时建 筑物内还有其他需要供热的部分热用户，地埋管换热 器侧与蒸发器侧相接，向地下排放冷量；过渡季节建 筑物内只有热用户需要提供热量，此时地源热泵主机 冷凝器侧与热用户相连接，地埋管换热器侧与地源热 泵主机蒸发器侧相连接，向地下释冷。
经计算得：Q 吸 ''=3139097 kWh。 （4）采用热回收时全年向地下的总排热（冷）量 采用热回收时全年向地下的总排热（冷）量 Q 可 按下式计算：
（11） 经计算得：Q=108332 kWh。符号为正，说明全年 的总体效果是向地下排热。 （5）不用热回收时对土壤的总排热（冷）量计算 不用热回收时，空调制冷向土壤侧总排热量 Q 放 按式（7）计算，空调制热季向土壤侧总排冷量 Qx 吸和 全年向土壤的总排热量 Qf 分别按下式计算：
面积约 25000 m2，总制冷量 2000 kW，制热量 1450 kW，生活热水夏季负荷 540 kW，过渡季节为 680 kW， 冬季 840 kW。空调每天 24 小时开放；空调周期为每年 180 天制冷周期，120 天采暖周期，其余 65 天为过渡季
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第 29 卷第 2 期
胡晓伟等：热回收降低地源热泵冷热不平衡的研究
根据运行方案，在全年范围内建筑用热时间要比 用冷时间长，但是一般建筑的冷负荷要大于热负荷， 因此这种方案的好坏要通过计算以及实际运行来进 行检验。
式中：Qx3 为冬季处理空调热负荷从地源侧吸热量， kWh；Qx4 为冬季处理生活热水负荷从地源侧吸热量， kWh；Qr4 为过渡季节加热生活热水需要热量，kWh。
（12） （13）
本工程在地源侧一共有 209 组土壤源换热器，深 度均为 110m，将总排热量折算到每米管长可以得到： 当采用热回收时为 4.72kWh/(m·年)，当不采用热回收 而生活热水采用其他设备制取时为 202.1kWh/ (m· 年)。为了解全年从地下吸热对土壤侧的影响，将计算 结果作为初始条件利用 CFD 工具模拟土壤侧的温度 场分布，在这里采用 FLUENT 软件进行模拟。模拟中 采用纯导热模型，对能量项采用二阶迎风格式计算。
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节周期。根据文献可以得到空调和采暖周期中，25%负 荷段占空调时间的 10.1%，50%负荷段占空调时间的 46.1%，75％负荷段占空调时间的 41.5%，100％负荷段 占空调时间的 2.3%。生活热水每天 24 小时开放。
经 计 算 得 ：Q 放 =6230400kWh，Qx 吸 =1583897.1 kWh， Qf= 4646503kWh。
收稿日期：2009-8-15 作者简介：胡晓伟（1983~），男，硕士，助工；中国建筑上海设计研究院有限公司（200062）；E-mail: skyxwhu@163.com
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建筑热能通风空调
2010 年
温度逐步地升高或者降低（长时间运行）。一般情况土 壤温度降低 1℃，会使制取同样热量的能耗增加 3%～ 4%[1]，因此，维持地源热泵地下埋管换热器系统的吸、 排热平衡是地源热泵系统正常、高效运行的可靠保 证。为推广地源热泵这种节能环保的空调系统在长三 角地区的应用，本文提出了一种地源热泵系统全年冷 热量平衡的方式。