王勇等

摘要：基于巖土失調溫度限值、建筑負荷特征、傳熱機理等多參數(shù)耦合的分析方法，提出了系統(tǒng)節(jié)能率、系統(tǒng)總運行費用現(xiàn)值和系統(tǒng)失效指標等評價指標，并建立了土壤蓄能狀態(tài)評價體系.以評價體系為基礎，通過CFD軟件建立三維地下埋管管群數(shù)值計算模型，構建了評價全壽命周期內的土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)的計算方法.計算和分析結果表明，評價體系和計算方法不僅可以較客觀地反映土壤的蓄能狀態(tài)，同時能夠預測基于實際工程運行特性下的巖土失調溫度限值范圍和全壽命周期內節(jié)能性和經濟性的失效時間點.

關鍵詞：土壤源熱泵；全壽命周期；溫度限值；CFD模擬；土壤蓄能狀態(tài)

中圖分類號：TU381 文獻標識碼：A

目前中國的土壤源熱泵系統(tǒng)發(fā)展越來越快，大規(guī)模的地下埋管換熱器對系統(tǒng)的長期高效運行提出了嚴峻的考驗，土壤蓄能狀態(tài)問題已經成為制約其科學發(fā)展的關鍵因素.花莉等[1]利用TRNSYS軟件進行熱平衡問題影響分析，研究了冷熱負荷比較大時系統(tǒng)運行50年間COP的變化，并進行單因素分析得出緩解由于冷熱不平衡而引起的土壤溫升的措施，但模擬中未將建筑負荷比與埋管工況等進行多參數(shù)耦合分析，所以其結論對具體工程指導性不強.范蕊等[2]將夏季土壤吸熱負荷100 kW，冬季土壤放熱負荷50 kW定義為土壤全年熱不平衡率為50%；冬夏季負荷相等定義為土壤全年熱不平衡率為0%，其定義沒有考慮土壤的自平衡能力和建筑負荷與埋管?。ㄡ專嶝摵傻鸟詈详P系等因素.林東超等[3-4]提出土壤熱失衡問題應從冬夏空調負荷情況、地埋管換熱器的間距、地埋管換熱器系統(tǒng)構成和實際運行情況等各方面進行考慮，擬定系統(tǒng)不同負荷下的運行策略，但未能建立以實際工程為基礎的三維管群模型，也沒有建立建筑負荷與機組出力負荷之間的耦合關系式.楊衛(wèi)波等[5]建立了部分埋管群的模型，計算了十年間的土壤溫度變化，得出冷負荷熱比較大時，土壤溫升較為明顯，且溫升與負荷比呈正相關，但因為模型仍存在一定的假定條件，也未以全壽命周期為基礎進行分析，所以未能給出土壤溫度對熱泵系統(tǒng)失效的限值.

由于目前土壤蓄能狀態(tài)評價模型的缺失，定義的不明確，地下三維管群模型的失真度較高，造成熱平衡理論研究的突破點較少.所以越來越多的研究偏向于從實際工程出發(fā)，基于測試數(shù)據(jù)，對土壤蓄能狀態(tài)進行分析評判.楊紅輝等[6]實地測試北京某工程的單U管和雙U管的換熱情況，得出雖然冷熱負荷差存在一定不匹配，但是大地可以平衡一部分冷熱負荷差，但是其測試未能取得管群的影響效果，也未給出大地自我調節(jié)的極限溫度值.范龍華等[7-9]已經意識到土壤蓄能失衡的主要原因是冬夏季負荷不等，但是埋管深度、管間距和建筑負荷等因素也存在影響，根據(jù)工程實際提出了分區(qū)運行，間歇運行，增加冰蓄冷系統(tǒng)等策略，但是仍處于定性分析的階段，未能給出土壤蓄能失調溫度限值和輔助冷熱源開啟時機等參數(shù)的定量結果.楊昌智等[10]創(chuàng)造性地提出單位井深換熱成本指數(shù)，將運行費用與換熱能力結合，在一定程度上反映系統(tǒng)的經濟性，但是未將末端和機組的運行費用考慮在內.

目前研究中用到的土壤源熱泵土壤失效溫度基本取自GB 50366—2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》，而規(guī)范中的溫度限值僅僅是保證機組正常運行的低位冷卻水/輔熱水溫度范圍，當作為巖土溫度限值時并不能保證熱泵系統(tǒng)的經濟性和節(jié)能性.

缺少對土壤蓄能狀態(tài)的評價和定義，缺乏多參數(shù)耦合分析，無法建立與實際工程高度仿真的埋管三維管群模型，這是目前對土壤源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題分析的不足之處.對于土壤源熱泵的土壤蓄能狀態(tài)分析僅僅停留在冬夏季負荷或累計負荷比上進行估算是不科學的，必須將建筑負荷特征，機組級數(shù)控制，傳熱機理，埋管工況等多參數(shù)耦合建模，考慮動態(tài)能效，進行全壽命周期內土壤蓄能狀態(tài)的分析[11].

在已有研究成果的基礎上，針對目前研究的不足，筆者建立了以系統(tǒng)節(jié)能率、系統(tǒng)總運行費用現(xiàn)值和系統(tǒng)失效指標為基礎的土壤蓄能狀態(tài)的評價模型以及土壤蓄能狀態(tài)；引入機組動態(tài)能效，以建筑末端負荷和非穩(wěn)態(tài)三維管群模型為基礎[12]，考慮整個壽命周期內系統(tǒng)運行工況，提出了一種分析評價土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤蓄能狀態(tài)的一般計算方法.

1評價參數(shù)數(shù)學描述

1.1系統(tǒng)節(jié)能率

為了具體說明土壤源熱泵系統(tǒng)相對常規(guī)空調系統(tǒng)的節(jié)能特點，以常規(guī)空調系統(tǒng)運行的能效比為對比基礎，分析土壤源熱泵系統(tǒng)運行時相對于常規(guī)空調系統(tǒng)的節(jié)能率[13].系統(tǒng)節(jié)能率定義為以使用冷水機組和燃氣鍋爐的常規(guī)空調系統(tǒng)能效為比較對象，EERs1（t） 為土壤源熱泵系統(tǒng)運行的能效比，EERs2（t） 為常規(guī)空調系統(tǒng)運行的能效比，兩者的差值與常規(guī)空調系統(tǒng)運行的能效比相比，得到系統(tǒng)節(jié)能率f.系統(tǒng)節(jié)能率的數(shù)學描述表達為：

f=EERs1（t）-EERs2（t）EERs2（t）.（1）

系統(tǒng)節(jié)能率f值若為正值，則代表t時刻土壤源熱泵系統(tǒng)的運行能效比高于常規(guī)空調系統(tǒng)，反之則相反.

1.2系統(tǒng)總運行費用現(xiàn)值

系統(tǒng)節(jié)能率說明土壤源熱泵系統(tǒng)相對常規(guī)空調系統(tǒng)的節(jié)能特點，但無法說明節(jié)能量的多少，故需要對兩個系統(tǒng)全壽命周期內的系統(tǒng)總能耗（運行費用）進行計算.

1）土壤源熱泵系統(tǒng)的總能耗W的構成：熱泵機組的能耗W1，地埋管側水泵的能耗W2，用戶側循環(huán)水泵的能耗W3，水處理儀的能耗W4及末端風系統(tǒng)的能耗W5等.

2）常規(guī)空調系統(tǒng)的總能耗N的構成：冷水機組與燃氣鍋爐的能耗N1，冷卻水泵的能耗N2，用戶側循環(huán)水泵的能耗N3，水處理儀的能耗N4，末端風系統(tǒng)的能耗N5及冷卻塔的能耗N6等.

3）系統(tǒng)總運行費用現(xiàn)值的計算方法：數(shù)值計算的時間步長取為1 d，故系統(tǒng)總能耗的計算結果也應以“d”為最小單位.例如，第n年第t d的常規(guī)空調系統(tǒng)及土壤源熱泵系統(tǒng)的能耗可按式（2），（3）計算：

N（t）=[N1（t）+N2（t）+N3（t）+N4（t）+

N5（t）+N6（t）]×24；（2）

W（t）=[W1（t）+W2（t）+W3（t）+W4（t）+

W5（t）]×24.（3）

故土壤源熱泵系統(tǒng)全壽命周期內的總運行費用現(xiàn)值（S1）和常規(guī)空調系統(tǒng)全壽命周期內的總運行費用現(xiàn)值（S2）可分別按式（4），（5）計算：

S1=∑15n=1P×∑365t=1W（t）（1+i）n；（4）

S2=∑15n=1P×∑365t=1N（t）（1+i）n.（5）

式中：P為電價； i為折現(xiàn)率，由于系統(tǒng)總運行費用現(xiàn)值的計算周期為全壽命周期，不可以忽略資金的時間價值（包括通貨膨脹、收回資金的不確定性及機會成本）[14]，需要考慮折現(xiàn)率，本文采用2%～3% [15].

1.3系統(tǒng)失效指標

系統(tǒng)失效指標是指土壤溫度T與保證熱泵系統(tǒng)全壽命周期內的經濟性和節(jié)能性的土壤溫度范圍M（Tmin，Tmax）的關系，指標失效也即巖土溫度已不適合土壤源熱泵系統(tǒng)正常運行，即

1）當T

2）當T∈M時，指標即將失效，建議采用相應措施來緩解；

3）當T>Tmax時，指標已失效，必須采用相應措施保證系統(tǒng)的正常運行.

同一建筑對于地埋管換熱器系統(tǒng)中的不同鉆孔，由于幾何位置不同，傳熱條件也不盡相同，本文在計算地埋管換熱器系統(tǒng)失效問題時選擇最不利的鉆孔來進行判斷.

GB 50366—2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》規(guī)定地埋管地源熱泵系統(tǒng)熱泵機組正常運行的冷熱源溫度范圍：10～40 ℃（制冷），-5～25 ℃（制熱），該溫度限值僅僅是針對保證機組正常運行的低位冷卻水/輔熱水溫度范圍.指標失效的主要原因是地下累積的冷（熱）超出了土壤的自平衡能力，失效指標是土壤蓄能平衡評價的關鍵參數(shù)，土壤蓄能是否平衡直接關聯(lián)指標是否失效.本文提出的土壤蓄能狀態(tài)和計算方法是將全壽命周期內的土壤源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性和經濟性進行耦合，并考慮全年動態(tài)負荷和大地自平衡能力，可以較準確地預測全壽命周期內的節(jié)能性和經濟性的失效區(qū)間以及對應參數(shù).

2土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)

土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)涉及到多參數(shù)評價，為了定義土壤蓄能狀態(tài)，首先要定義巖土失調溫度限值，而該定義又與各種巖土溫度相關.

2.1與巖土溫度失調限值相關的各種巖土溫度

2.1.1巖土溫度

實際情況下，在沿埋管半徑的水平方向上，巖土的溫度會隨距埋管中心的距離不同而有所變化；在沿埋管深度的豎直方向上，巖土的溫度會隨埋管深度的不同而有所變化.故巖土溫度的定義對象不能是一個簡單的點或是一個面，而是能夠綜合評價巖土溫度的定義.

考慮到埋管近管壁處的巖土溫度對地埋管運行周期內埋管的換熱性能及埋管進、出口水溫度的影響較大，從而影響熱泵機組的能耗及系統(tǒng)的能效比，故將影響系統(tǒng)能耗及能效比的巖土溫度定義為：埋管回填孔壁及其以內回填體的巖土溫度[16].巖土溫度t*的數(shù)學表達式為：

t*=∫∫∫VtxyzdVV. （6）

式中：V為整個回填區(qū)域體；txyz為V區(qū)域體內各單元體積的溫度值.

2.1.2系統(tǒng)能效溫度限值的定義

當巖土溫度t*達到某一值時，此巖土溫度下的埋管出水溫度導致系統(tǒng)節(jié)能率小于零，這個溫度值就是巖土的能效溫度限值.能效溫度限值表征的是兩個系統(tǒng)能效比高低的臨界點，是瞬態(tài)值，不適用于全壽命周期內巖土溫度限值的評價.

2.1.3系統(tǒng)運行費用溫度限值的定義

當巖土溫度t*達到某一值時，土壤源熱泵系統(tǒng)的累計總運行費用現(xiàn)值（S1）超過常規(guī)空調系統(tǒng)的累計總運行費用現(xiàn)值（S2），這個溫度值就是巖土的運行費用溫度限值.由于運行費用溫度限值從能效的累積上對巖土溫度進行了分析，故可以根據(jù)它來評價巖土溫度失調限值.

由于在土壤源熱泵系統(tǒng)全壽命周期的運行時間內，可能會出現(xiàn)多個運行費用溫度限值點，則土壤源熱泵系統(tǒng)的巖土失調溫度限值范圍應為最小值點至最大值點.

2.2巖土失調溫度限值

巖土失調溫度限值可定義為：在空調系統(tǒng)正常使用周期內，以給定的建筑負荷特征為基礎，計算時間以年為單位，當土壤源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的運行費用之差為零時求解得到的對應溫度，其溫度變化范圍為區(qū)間L（Tmin，Tmax）.將區(qū)間L賦值于系統(tǒng)失效指標的區(qū)間M，即可得到針對工程實際的保證系統(tǒng)節(jié)能性和經濟性的系統(tǒng)失效指標.該參數(shù)可以用系統(tǒng)節(jié)能率f和系統(tǒng)總運行費用現(xiàn)值S來表征.

2.3土壤蓄能狀態(tài)

在理解巖土溫度失調限值定義的基礎上，就可以定義土壤蓄能狀態(tài)：在空調系統(tǒng)正常使用周期內，以給定的建筑負荷特征為基礎，計算時間以年為單位，如果系統(tǒng)節(jié)能率恒大于零，且系統(tǒng)失效指標不失效，則稱該負荷特征對應下的土壤蓄能處于平衡狀態(tài)；如果系統(tǒng)節(jié)能率小于零，或系統(tǒng)失效指標失效，則稱該負荷特征對應下的土壤蓄能處于不平衡狀態(tài).

3計算方法、數(shù)學模型描述

3.1建筑逐時能耗計算

本文采用DeST軟件作為建筑能耗模擬軟件.根據(jù)項目的施工圖，按照建筑實際情況建立模型，室內設計參數(shù)參考GB 50189-2005《公共建筑節(jié)能設計標準》，可以得到示例工程的逐時負荷圖.

3.2末端負荷至出力負荷轉換數(shù)學模型

根據(jù)熱泵機組的壓縮機級數(shù)調節(jié)和啟?？刂撇呗詠硖幚斫ㄖ饡r負荷計算結果，將末端側的冷熱負荷需求量Q1轉化為熱泵機組的實際冷熱負荷輸出量Q2.以夏季制冷工況為例，以具體項目的熱泵機組的壓縮機實際調節(jié)級數(shù)為基礎，將建筑逐時負荷導入編譯的程序后，得到機組的出力逐時負荷[9].

為保證土壤源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)空調系統(tǒng)有一個比較的平臺，假設冷水機組在夏季的啟停及運行情況的確定方法與土壤源熱泵機組一致，而冬季燃氣鍋爐的啟停及運行情況則由建筑負荷直接決定.根據(jù)工程的實際冷水機組及燃氣鍋爐選型可以得到常規(guī)空調系統(tǒng)的逐時出力負荷.

3.3動態(tài)能效比下出力負荷與進出水溫耦合關系數(shù)學模型

3.3.1土壤源熱泵機組耦合關系式

熱泵機組的出力負荷Q2與向大地的放（?。崃縌3之間的關系式在文獻[17]中可以查得，該式適用于冬、夏季工況.

3.3.2冷水機組耦合關系式

常規(guī)空調系統(tǒng)夏季制冷依靠冷水機組和冷卻塔，若需要進行冷水機組的動態(tài)能效分析，需要建立冷卻塔模型，以逆流式冷卻塔作為討論對象.冷卻塔的冷卻數(shù)N可以由冷卻塔進水溫度t1，出水溫度t2，室外空氣濕球溫度ts三者組成的函數(shù)計算[18].

3.4土壤源熱泵系統(tǒng)及常規(guī)空調系統(tǒng)的全年能耗數(shù)學模型

3.4.1土壤源熱泵系統(tǒng)全年能耗數(shù)學模型

土壤源熱泵系統(tǒng)的能耗模型為：

4基于三維傳熱管群模型的實際工程計算

分析

4.1工程概況

該示例工程位于重慶市，空調系統(tǒng)在夏季為該樓裙房（共4層，第1層主要為食堂；第2層主要為辦公室和會議室；第3和第4層為專家公寓）供冷，總冷負荷為231.21 kW.冬季為該樓第1層食堂、第2層辦公室和會議室的低溫輻射地板及副樓羽毛球場供暖，總熱負荷為230 kW.地埋管換熱器布置在建筑旁邊的草坪下面，地下?lián)Q熱器系統(tǒng)由60個鉆孔組成，鉆孔成6×10矩形布置，鉆孔直徑110 mm，鉆孔之間的距離為4 m，換熱器采用直徑為25 mm，深度為80 m的PE管，兩支管間距為50 mm，埋管換熱器回水管上設有60 m深的保溫層，管群沒有分區(qū)[12].

該工程選用2臺3機頭熱泵機組，壓縮機級數(shù)調節(jié)分為“0%，-33%，-66%，-100%” 4個等級，壓縮機運行級數(shù)的選擇由末端負荷大小決定.熱泵機組的啟?？刂撇呗砸姳?，控制策略參數(shù)分為冬季運行工況和夏季運行工況.

4.2地下巖土三維傳熱管群模型

數(shù)值計算的幾何模型按示例工程實際情況建立，所以該模型是高度仿真的.模型中共60組地埋管，取1/4區(qū)域埋管，其布置示意圖如圖3所示.

5土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)分

析的一般計算方法流程圖

土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)分析的一般計算方法流程圖如圖5所示.

1）利用DeST軟件計算得到建筑全年逐時末端負荷；

2）利用末端負荷至出力負荷轉換數(shù)學模型求得熱泵機組及冷水機組（鍋爐）的全年出力負荷；

3）利用出力負荷與進出水溫耦合關系數(shù)學模型求得動態(tài)能效比下的數(shù)值計算模型埋管進出水溫度；

4）將埋管進、出水溫度的動態(tài)耦合關系式通過UDF作為埋管進口的邊界條件，導入高度仿真的數(shù)值計算模型進行全壽命周期的流動、換熱計算，求得全壽命周期內地下?lián)Q熱器埋管進出水溫度及土壤溫度分布場；

5）將數(shù)值計算得到的全壽命周期埋管出水溫度導入土壤源熱泵系統(tǒng)的能耗模型，再代入S1，S2，EERs1，EERs2，f的定義式求得土壤源熱泵系統(tǒng)及常規(guī)空調系統(tǒng)的全壽命周期運行費用現(xiàn)值S1和S2和系統(tǒng)節(jié)能率f.

6計算結果分析

6.1土壤蓄能處于平衡狀態(tài)的情況

對4.1節(jié)中提到的4層建筑所有負荷進行分析計算.冬夏季累計負荷比為1∶1.55.

按圖5所示流程圖進行運算，最終系統(tǒng)節(jié)能率和系統(tǒng)運行費用現(xiàn)值分別如圖6和圖7所示.

按照本文所提出的計算方法可以得知，全壽命周期內，土壤源熱泵系統(tǒng)的能效比始終比常規(guī)空調系統(tǒng)高，系統(tǒng)節(jié)能率f>0；同時S1-S2=0方程無解，土壤源熱泵系統(tǒng)運行費用現(xiàn)值恒小于常規(guī)空調系統(tǒng)運行費用現(xiàn)值，也即不存在運行費用溫度限值，所以該土壤源熱泵系統(tǒng)在此工況下運行不存在巖土溫度失調限值，區(qū)間為空集.

再按照本文所提出的計算方法可以得知，系統(tǒng)節(jié)能率f>0，且土壤溫度T∈恒不成立，系統(tǒng)失效指標恒不失效，所以該土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能處于平衡狀態(tài).

綜上可知，該熱泵系統(tǒng)在全壽命周期內，以4層樓的全部建筑負荷為基礎，以年為單位計算時間，系統(tǒng)不存在巖土溫度失調限值，且大地蓄能是平衡的，不必采用相應措施來主動調節(jié)大地蓄能，從4年實際運行效果看，系統(tǒng)運行是穩(wěn)定的.

6.2土壤蓄能處于不平衡狀態(tài)的情況

為了尋求土壤蓄能處于不平衡狀態(tài)的情況，現(xiàn)假設該項目冬季供暖的副樓羽毛球場不使用，即對4.1節(jié)中提到的4層建筑所有負荷除冬季副樓羽毛球場的供暖負荷外按照計算方法對該工程重新進行計算分析.冬夏季累計負荷比為1∶4.82.

經流程圖運算，最終系統(tǒng)節(jié)能率和系統(tǒng)運行費用現(xiàn)值分別如圖8和圖9所示.

按照本文所提出的計算方法可以得知：

1）開始運行至第1年夏季，土壤源熱泵系統(tǒng)能效比要比常規(guī)冷熱源系統(tǒng)能效比高，且土壤源熱泵系統(tǒng)運行費用現(xiàn)值要比常規(guī)冷熱源運行費用現(xiàn)值低，所以該熱泵系統(tǒng)土壤蓄能處于平衡狀態(tài).

2）第1年夏季至第7年秋季，土壤源熱泵系統(tǒng)能效比要比常規(guī)冷熱源系統(tǒng)能效比低，但土壤源熱泵系統(tǒng)運行費用現(xiàn)值也要比常規(guī)冷熱源運行費用現(xiàn)值低，建議采用相應措施來主動調節(jié)大地蓄能，以緩解土壤蓄能不平衡狀態(tài).

3）第7年秋季至第8年夏季及以后，土壤源熱泵系統(tǒng)能效比要比常規(guī)冷熱源系統(tǒng)能效比低，且土壤源熱泵系統(tǒng)運行費用現(xiàn)值要比常規(guī)冷熱源運行費用現(xiàn)值高，必須采用相應措施來主動調節(jié)大地蓄能，以保證系統(tǒng)的正常運行.

7結論

1） 建立了以系統(tǒng)節(jié)能率、系統(tǒng)總運行費用現(xiàn)值和系統(tǒng)失效指標等參數(shù)為基礎的評價模型，可以客觀具體地反映土壤蓄能狀態(tài)，同時利用評價模型對土壤蓄能狀態(tài)進行了評價.

2） 提出了一種能分析評價土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤蓄能狀態(tài)的一般計算方法，利用該計算方法能夠對土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤蓄能的平衡狀態(tài)或不平衡狀態(tài)進行定量分析.

3） 利用該計算方法得出了可以保證系統(tǒng)全壽命周期內的節(jié)能性和經濟性的巖土失調溫度限值范圍，同時結合運行后的工程實際，對土壤源熱泵的土壤蓄能狀態(tài)進行評價，從而對全壽命周期內的節(jié)能性和經濟性的失效時間點進行預測，以便維護人員提前做好相應措施來滿足系統(tǒng)正常運行的需要.

4） 土壤蓄能平衡研究涉及到的參數(shù)較多，包括地下水流動的影響等，沒有在評價模型中體現(xiàn)，在后續(xù)的研究中，將不斷改進和完善模型，同時簡化計算方法，使其更實用于工程實際.

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