土壤源热泵冷凝热回收系统的性能及经济性分析
孟妮1，杨昌智2，蒋新波2，肖书毅1，禹添1，张清琳2，杨菊菊2
(1. 中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083；
2. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410082)
摘要：以TRNSYS为仿真平台，结合某工程实例，建立一个带热回收的土壤源热泵系统的数字仿真系统。通过研究其夏季冷凝热的计算机模拟及热水供应变化规律，计算出系统热回收装置开启和关闭时不同工况下性能参数。基于此模拟结果，根据热经济学原理，分析比较三种冷凝热回收方式在额定工况下的技术可行性和经济性，最后提出土壤源热泵冷凝热回收最优方式。
关键词：冷凝热回收；生活热水；性能系数；经济性
中图分类号：TU822 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)S1-0198-06
Performance and economic analysis on condensing heat recovery system of ground source heat pump
MENG Ni1, YANG Chang-zhi2, JIANG Xin-bo2, XIAO Shu-yi1, YU Tian1,
ZHANG Qin-lin2, YANG Ju-ju2
(1. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)
Abstract: A digital simulation system of ground-source heat pump with heat recovery was established combined with a project example based on TRNSYS as the simulation platform system. By computer simulation of condensing heat in summer and study of hot water supply change rule, the performance parameters were calculated when the heat recovery device was open or closed under different conditions. Based on the simulation results, an optimized scheme for proposing three ways of heat recovery was discussed and compared according to the technical economics, and the possibility of adding condensing heat recovery system on design conditions from the point of both technical and economic was analyzed.
Key words: condensing heat recovery; living hot water; coefficient of performance; economy
目前，一些公共建筑如酒店、大型公寓、写字楼等需要供应生活热水，如何能既经济高效又环保的制备生活热水，是大家一直关注的问题，人类不能把生活的便捷建立在对环境破坏的基础上。过去，人们专设热水锅炉制热水，但锅炉房占地面积大，排放物污染环境，还需设专人管理；燃气热水器的运行费用和故障率都较高，且安全性低；太阳能热水器对环境无污染但受天气的制约。空调的冷凝热一般为冷负荷的1.3倍左右，将如此庞大的冷凝热直接排到室外，不仅直接加剧了室外环境的热污染，还浪费了大量的热源。如果合理使用冷凝热回收技术，将这些热能用于生活热水或作为辅助加热热源，既可大大降低整个暖通系统的运行费用，又可以减少向环境中排放的废热，减轻污染，改善生态环境。因此，利用热泵冷凝热辅助产热水技术越来越受到人们的关注。
本文作者以地源热泵冷凝热回收系统为基础，螺杆式地源热泵机组为样机，选用带冷凝热回收和不带冷凝热回收两种机组数据参数，提出三种冷凝热回收的方式并加以比较，从技术性和经济性角度分析在设计工况下冷凝热回收系统的可行性。
1 土壤源热泵冷凝热回收系统介绍
1.1 地源热泵的原理[1]
地源热泵空调系统是利用水与地能(土壤、地下水和地表水)进行换热，利用浅层和深层地热能为建筑物提供冷热源，再由热泵机组向建筑物供冷供热的系统。地源热泵机组效率较高，可以节约30%~40%的供热制冷空调的运行费用，1 kW的电能可以得到4 kW或 5 kW以上冷量，它的利用效率比传统空调的高。
1.2 冷凝热回收的介绍
制冷机组在空调工况下需向环境排出大量冷凝热，这个热量为制冷量的1.15~1.30倍[2]。将冷凝热直接排放到环境中白白散失掉，会造成较大的能源浪费和经济损失。冷凝热的合理利用不仅可以解决能源问题，节约经济成本，还可以平衡土壤冬夏热量的不平衡等问题。
冷凝热的利用方式可分为直接式和间接式[3]。直接式是指制冷剂从压缩机出来直接进入热回收器与自来水直接换热制备生活热水；间接式是指利用由冷凝器侧排出的高温空气或37 ℃的水来加热生活热水。直接式又可分为两种：一种是只利用压缩机出口蒸汽显热，显热占其全部冷凝热的15%左右[4-5]，另一种是利用全部的冷凝热。
1.3 土壤源热泵冷凝热回收系统形式及原理
1.3.1 自带冷凝热回收机组方式
冷凝热回收机组的原理如图1所示。这种模式是显热回收，从压缩机出来的高温高压的冷媒蒸汽先通过热回收器，经换热后再进入常规冷凝器。冷媒的热量一部分传递给生活热水，其余的传递给土壤。这样不仅可以制备生活热水，还可以调节冬夏两季的土壤负荷产生的不平衡。但当用户所需的生活热水量满足时，停止加热生活热水，在冷却水量不发生变化的情况下，会使冷凝温度上升，降低机组的性能系数(Coefficient of performance, COP)，使机组的电机负荷上升。
图1 自带冷凝热回收机组方式制冷工况下原理图
Fig.1 Schematic diagram of units with condensing heat recoverer under cooling condition
1.3.2 热泵提升方式
热泵提升方式的原理如图2所示。将一台地源热泵冷水机组和一台生活热水机组并联，在制冷工况下，从生活热水机组蒸发器出来的低温冷媒水与冷水机组冷凝器入口的冷却水混合，蒸发器出口的冷却水一部分与地源热泵换热，一部分与生活热水机组换热。即生活热水的热量由地源热泵冷水机组的冷凝热来提供。同样冷凝热也可以调节冬夏两季的土壤负荷产生的不平衡。
图2 热泵提升方式制冷工况下原理图
Fig.2 Schematic diagram of heat pump promotion under cooling condition
1.3.3 热泵机组并联方式
热泵机组并联方式的原理如图3所示。将一台地源热泵冷水机组和一台生活热水机组并联，在制冷工况下，从生活热水机组蒸发器出来的低温冷媒水与冷水机组蒸发器出口的冷冻水相混合，经用户端送回的一部分冷冻水流向冷水机组与制冷剂换热，一部分流回生活热水机组蒸发器。即生活热水的热量由空调末端用户提供，生活热水机组可以增加系统的冷量。
图3 热泵机组并联方式制冷工况下原理图
Fig.3 Schematic diagram of heat pump units in parallel under cooling condition
2 土壤源热泵冷凝热回收系统仿真模拟
2.1 系统数学模型的建立[6-9]
本文模拟的热泵机组回收冷凝热制生活热水系统按水系统可分为：冷冻水系统、冷却水系统和热水系统。通过系统各个部件的数学模型为整个系统的模拟奠定基础。
2.1.1 压缩机数学模型
忽略压缩机气缸壁与外部空气间的热交换，根据输入和输出平均值的实验数据，确定一个总的效率。对于流量计算有：
(1)
式中：λ为输气效率；Vcom和Vth分别为压缩机容量流量的实际值和理论值。
对于功率计算有：
(2)
式中：η为电效率；Ncom和Nth分别为压缩机输入功率的实际值和理论值。
2.1.2 蒸发器和冷凝器数学模型
在蒸发器和冷凝器中，工质的焓降应等于工质与循环水间的传热，也等于循环水进出口的内能增量。其传热方程分别为：
(3)
(4)
式中：m为工质流量；mc和me分别为冷凝器水侧循环水流量和蒸发器水侧循环水流量；tci和tco分别为冷凝器进口循环和出口循环的水温度；tei和teo分别为蒸发器进口循环和出口循环的水温度；ke和kc分别为蒸发器总传热系数和冷凝器总传热系数；fe和fc分别为蒸发器的换热面积和冷凝器的换热面积。
2.1.3 节流装置数学模型
假设制冷剂流过节流装置是等焓过程，则有
(5)
式中：MR, val为质量流量；ρin为进口密度；Cval为流量参数；Pin和Pout分别为进、出口压力。
2.1.4 混合器和分流器的数学模型
在系统模拟中，两个独立机组的水系统通过混流和分流实现流量和热量的分配，流体彼此间发生换热过程，忽略管路的热容和流动传递的影响，采用稳态方法建立流体合流模型。
能量方程：
(6)
式中：Mw, in为合流前各支路的流量；Tw, m为合流前各支路的温度；∑Mw, out为合流后总流量；Tout为合流出口温度。
2.2 系统模拟数据的选取
本文研究土壤源热泵制生活热水方式的优化配置，以地源热泵制冷机组和热水机组的额定工况为模拟依据，数据选取均从设计文件和设备供应商处获得。由制备生活热水的方式不同分3个方案。方案1为自带冷凝热回收机组方式，方案2为热泵提升方式，方案3为热泵机组并联方式。方案1的主要实验参数由厂商提供。方案2和3的主要参数由TRNSYS软件模拟得出。通过假定空调系统，模拟中各部件模型主要参数如下：水-水热泵(制冷用)额定制冷量为718 kW，地下环路水进水温度为25 ℃，冷冻水出水温度为 7 ℃，冷却水流量为14.3×107 g/h，冷冻水流量为 12.5×107 g/h，输入功率为157 kW。水-水热泵(制生活热水用)额定制热量为175 kW，地下环路水进水温度为10 ℃，热水进水温度为40 ℃，热源水流量为 2.20×107 g/h，热媒水流量为2.85×107 g/h，输入功率为47.9 kW。
本系统使用TRNSYS软件模拟数据采集，以额定制冷工况和制热工况为前提，利用TRNSYS中已有的部件模型[10-12]，根据上述原理图，按照一定方式完成模型参数辨识后即可建立数字仿真器。方案2和3的TRNSYS模拟示意图如图4和5所示。
2.3 系统模拟结果
通过模拟得出两种方案在满负荷下运行时两个机组的冷热源进出水温度、制冷制热量和COP等参数，如表1所列。方案1：当机组不需要制备生活热水时，系统的冷凝器面积减小，冷凝温度升高，影响系统的制冷循环COP，使机组电机负荷上升。方案2：制备生活热水的热量来源于制冷机组的冷凝热，系统对制冷机组几乎没影响，但提高了热水机组的制热量及机组的整体性能，并且可以调节冬夏两季土壤负荷产生的不平衡。方案3：制备生活热水的热量来源于空调末端夏季热负荷，系统对两个机组几乎没影响，但系统的总制冷量为两个机组之和，可以加强制冷效果。方案1的参数由热回收水源热泵螺杆机组厂商样本提供，夏天制冷工况时，额定工况下制冷量为718 kW，热回收量为175 kW，输入功率为157 kW；当不制备生活热水时，制冷量为718 kW，输入功率为166 kW。
3 经济性分析
在制备生活热水方案的选择上，除了考虑技术性，还应考虑经济性。以湖南省某工程为例，夏季工况空调冷负荷为700 kW，生活热水按每人每天140 L，平均入住率为70%，即80人每天消耗50 ℃热水11.2 t，电价为0.9元/(kW·h)，将这3种供生活热水的方案进行经济性比较，方案信息如下[13-15]：
冷热源系统的运行费用：
(7)
式中：fe,T为电制冷设备的运行总电费，元；L为设备的运行负荷，kW；COP为设备的性能系数；τe为电制冷设备的运行时间，h；fe为运行时间内所对应的电价，元/(kW·h)。三种系统方案的经济性比较结果如表2所列。
图4 热泵提升方式(方案2)的TRNSYS系统模拟图
Fig.4 Simulation model of heat pump promotion (Scheme 2)
图5 热泵机组并联方式(方案3)的TRNSYS系统模拟图
Fig.5 Simulation model of heat pump units in parallel (Scheme 3)
表1 水-水热泵模拟结果
Table 1 Water-to-water heat pump results of simulation
表2 经济性分析
Table 2 Economical analysis
4 结论
(1) 自带冷凝热回收机组方式(即方案1)在不制备生活热水时，由于冷凝温度的上升，使制冷机组的COP有所下降。
(2) 热泵机组并联方式(即方案3)制备生活热水开启与否对热水机组影响不明显，但它可以增加系统的供冷量。
(3) 热泵提升方式(即方案2)比其他方案的运行费用低，热水机组利用冷水机组的冷凝热，系统改造后使热水机组的COP提高，缩短热水机组的运行时间，减少能耗，可以使技术性和经济性得到最大的收益。但是，回水进入热水蒸发器的温度有所提升，选择本方案时应先与厂商确认好运行条件。
(4) 在过渡季节制备生活热水时，方案2和方案3热水机组可以灵活单独运行，可以减少能耗。
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(编辑 方京华)
收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15
基金项目：长沙市科技局项目(09050128-11)
通信作者：杨昌智(1963-)，男，湖南宁远人，博士，教授，博士生导师，从事建筑节能研究；电话：13317315681; E-mail: yang0369@126.com
