陳薩如拉，常甜馨，程子涵，吳俊鋒，楊洋

(1.安徽建筑大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，合肥 230022；2.安徽省國土空間規(guī)劃與生態(tài)研究院，合肥 230022；3.安徽建筑大學(xué)建成環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230022；4.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，合肥 230022；5.天津大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300072)

0 引言

近年來，地源熱泵(GSHP)系統(tǒng)因自身的高效、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)逐漸被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚的溫濕調(diào)控中[1]。Tong 等[2]在針對(duì)農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究表明，采用GSHP 的供暖能耗在0.22～0.56 MJ/(m2·h)之間，而采用煤油加熱器的供暖能耗在0.42～0.76 MJ/(m2·h)之間，兩者對(duì)應(yīng)的溫室氣體排放量分別在9.5～24 g/(m2·h)和31～55 g/(m2·h)之間。北方農(nóng)業(yè)大棚建筑因地處嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，加之自身特殊的用能特征，導(dǎo)致其全年耗熱量遠(yuǎn)大于耗冷量，應(yīng)用GSHP 全年地下取熱與排熱將出現(xiàn)顯著不平衡現(xiàn)象，對(duì)GSHP 運(yùn)行性能將產(chǎn)生不利影響。因此，太陽能輔助GSHP 系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。Mehrpooya 等[3，4]對(duì)太陽能輔助GSHP 溫室大棚供暖系統(tǒng)的性能研究證實(shí)了GSHP 系統(tǒng)COP 的提升。然而，傳統(tǒng)的太陽能輔助GSHP 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則是在GSHP 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上根據(jù)全年耗熱和耗冷量差值確定補(bǔ)熱量，以維持地下巖土全年熱平衡。但該系統(tǒng)仍存在全年運(yùn)行能耗較大、系統(tǒng)初始投資較高等問題[2，5]。

為有效解決上述存在問題，本文對(duì)跨季節(jié)埋管蓄熱(SBTS)與熱泵耦合供暖系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在達(dá)到三個(gè)目標(biāo)：維持地下巖土長期熱平衡；保證供暖系統(tǒng)在生命周期內(nèi)高效穩(wěn)定運(yùn)行，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗；減小系統(tǒng)投資成本并降低運(yùn)行費(fèi)用?；诖?，本文采用ANSYS Workbench 計(jì)算機(jī)模擬軟件建立了傳統(tǒng)GSHP 系統(tǒng)換熱井群和蓄熱體蓄熱井群三維瞬態(tài)數(shù)值模型，通過單井熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)和雙井沙箱實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了瞬態(tài)驗(yàn)證，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合，表明了該模型的可靠性和準(zhǔn)確性，該模型可用于SBTS 熱特性研究，詳細(xì)驗(yàn)證信息參見前期研究文獻(xiàn)[6，7]。以技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探明SBTS 與熱泵耦合供暖系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，可為SBTS 與熱泵耦合供暖系統(tǒng)的應(yīng)用和研究提供方法參照和理論指導(dǎo)。

1 內(nèi)蒙古某低碳農(nóng)業(yè)大棚建筑概況

1.1 內(nèi)蒙古某農(nóng)業(yè)大棚建筑簡(jiǎn)介

農(nóng)業(yè)大棚建筑位于內(nèi)蒙古自治區(qū)某農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)(北緯39 °34 ′21 ″、東經(jīng)106 °40 ′27 ″)，地處嚴(yán)寒地區(qū)，如圖1 所示。大棚建筑分為帶管理室(耳房)和不帶管理室兩種，其單體建筑面積分別為691.3 m2和699.6 m2，其中耳房面積為35.3 m2。本文對(duì)紅框內(nèi)5 棟節(jié)能大棚建筑進(jìn)行可再生能源供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.2 內(nèi)蒙古某低碳農(nóng)業(yè)大棚建筑供暖需求

夏季，該農(nóng)業(yè)大棚塑料棚膜采取全敞開或開啟上下通風(fēng)口的方法保持室內(nèi)溫度；冬季白天，在室外風(fēng)速較小且非陰天情況下，通常棚膜上部通風(fēng)口被打開進(jìn)行通風(fēng)換氣；而在冬季夜間或陰天條件下，大棚溫度將無法滿足農(nóng)作物生長所需溫度。因此，本文主要考慮大棚建筑供暖需求，且供暖時(shí)間集中在冬季夜間。

依據(jù)《中國農(nóng)業(yè)百科全書·蔬菜卷》[8]中各種蔬菜適宜生長溫度，選取12～18 °C 作為大棚建筑室內(nèi)供暖設(shè)計(jì)溫度，耳房供暖設(shè)計(jì)溫度為18～22 °C[9]，供暖總面積為3473.1 m2。本文采用DeST-h 能耗模擬軟件計(jì)算5 棟節(jié)能大棚建筑供暖負(fù)荷，圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及熱工參數(shù)如表1 所示，計(jì)算所得逐月供暖能耗如表2 所示。該5 棟節(jié)能農(nóng)業(yè)大棚建筑平均逐時(shí)熱負(fù)荷為26.1 kW，最冷月最大熱負(fù)荷為162.8 kW，最大單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)為46.2 W/m2，單位面積平均熱負(fù)荷指標(biāo)為25.7 W/m2。單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)大于30 W/m2出現(xiàn)在11 月25 日至3 月20 日期間，其他時(shí)間逐時(shí)負(fù)荷逐漸減小。根據(jù)冬季逐時(shí)負(fù)荷確定夜間供暖時(shí)間段為10 月21 日～3 月31 日，每天下午5：00 至次日早9：00，共計(jì)16 h/d。

表1 內(nèi)蒙古某農(nóng)業(yè)大棚建筑節(jié)能改造后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 內(nèi)蒙古某農(nóng)業(yè)大棚建筑逐月供暖能耗

2 SBTS與熱泵耦合系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 基準(zhǔn)供暖設(shè)計(jì)方案

2.1.1 GSHP 基準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)

本文首先以傳統(tǒng)GSHP 作為基準(zhǔn)方案，通過ANSYS Workbench 模擬軟件對(duì)基準(zhǔn)方案的井群進(jìn)行了瞬態(tài)模擬，初步確定采用基準(zhǔn)供暖設(shè)計(jì)方案后地下區(qū)域巖土溫度逐年變化情況。項(xiàng)目場(chǎng)地可進(jìn)行鉆孔施工區(qū)域最大寬度和長度分別為20 m 和80 m。當(dāng)?shù)囟竟┡r下每延米取熱量平均值取25.9 W/m[10]。根據(jù)計(jì)算所得熱負(fù)荷即可確定埋管換熱器總長。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆井勘探地質(zhì)情況和打井經(jīng)濟(jì)性，井深取值為95 m，詳細(xì)埋管設(shè)計(jì)參數(shù)如表3 所示。

表3 GSHP基準(zhǔn)方案埋管換熱井群設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1.2 基準(zhǔn)方案中地下巖土區(qū)域溫度逐年變化

基準(zhǔn)方案井群區(qū)域巖土和井群邊界巖土逐年溫度在10 年運(yùn)行過程中的變化情況如圖2 所示。該地區(qū)地溫正常情況下在12.5 °C 左右波動(dòng)，波動(dòng)范圍±0.25 °C。從模擬結(jié)果可明顯看出，井群區(qū)域地溫隨著運(yùn)行年限的增加呈逐年下降趨勢(shì)，在無額外補(bǔ)熱措施情況下，井群區(qū)域地溫僅在第一年就將整體下降約1.5 °C，而在運(yùn)行十年后理論上將降至5.0 °C 以下。實(shí)際上，地溫逐年下降將直接導(dǎo)致GSHP 系統(tǒng)能效逐年下降和運(yùn)行能耗的逐漸上升，而且當(dāng)?shù)販氐陀跓岜孟到y(tǒng)工作溫度下限值時(shí)，GSHP 系統(tǒng)將無法工作并導(dǎo)致整個(gè)供暖系統(tǒng)失效。因此，在以供暖為主地區(qū)若采用GSHP 系統(tǒng)進(jìn)行供暖應(yīng)在地下土壤保持熱平衡的條件下確保GSHP系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行。

圖2 基準(zhǔn)方案地下巖土溫度逐年變化趨勢(shì)

2.2 SBTS與熱泵耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略

2.2.1 SBTS 與熱泵耦合系統(tǒng)介紹

如圖3 所示，太陽能集熱器收集的當(dāng)天熱量和SBTS 蓄熱體中跨季節(jié)儲(chǔ)存的熱量均可作為熱泵熱源。在非供暖季蓄熱/供熱水時(shí)，熱源端閥門L、M、N(l、m、n)開啟；蓄熱端SBTS 側(cè)閥門A、C(a、c)和O、P(o、p)開啟向SBTS 中輸送熱量；用熱側(cè)閥門O、Q(o、q)開啟提供生活熱水；在供暖季供暖/供熱水時(shí)，閥門O、P(o、p)，B、C(b、c)和O、Q(o、q)開啟提供生活熱水和向大棚末端供暖。

圖3 SBTS與熱泵耦合系統(tǒng)原理示意圖

2.2.2 SBTS 與熱泵耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)SBTS 蓄熱溫度的確定

跨季節(jié)埋管蓄熱耦合熱泵供暖系統(tǒng)由太陽能集熱器、地下埋管蓄熱體、地源熱泵機(jī)組、短期蓄熱水箱和換熱器等機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備以及供暖末端組成。在非供暖季集熱器收集的熱量?jī)?chǔ)存至地下蓄熱體中，在供暖季SBTS 蓄熱體作為GSHP 熱源為大棚建筑供熱。因此，SBTS 蓄熱溫度直接關(guān)系到熱泵選型、集熱器面積大小、蓄熱體場(chǎng)地面積和鉆井?dāng)?shù)量等。蓄熱溫度是指在每年蓄熱階段結(jié)束后、取熱階段開始前地下蓄熱體的平均溫度。熱泵機(jī)組蒸發(fā)器最高進(jìn)口溫度為30 °C，根據(jù)引言中設(shè)定的3個(gè)目標(biāo)，可取蓄熱溫度范圍為12.5～30 °C，模擬方案中分別取15、20 和25 °C。

(2)注入熱量的確定

按照蓄熱量與熱泵耗電量總和滿足大棚建筑的供暖能耗進(jìn)行設(shè)計(jì)，則所需注入熱量為如下式：

式中，ρs，cs為 巖 土 密 度(單 位：kg/m3)和 比熱容(單 位：J/kg·°C)；Vs為巖土體積(單 位：m3)；Tsoil和Tstored為巖土初始溫度和每年蓄熱結(jié)束時(shí)蓄熱體平均溫度(單位：°C)；Textracted為巖土每年取熱結(jié)束時(shí)蓄熱體平均溫度(單位：°C)；Tf為第一年未蓄熱時(shí)從地下取熱結(jié)束后巖土平均溫度(單位：°C)；QIH為輸送到蓄熱體中的總注入熱量(單位：kJ)，Qq是從蓄熱體中提取為建筑提供供暖的熱量，kJ，在1.2 節(jié)中已通過能耗模擬得出；Ql指在蓄熱季和供暖季蓄熱體中的熱損失(單位：kJ)，三種蓄熱溫度下的熱損失率分別取15%、20% 和25%[6]；Qb為第一年未蓄熱時(shí)熱泵從地下提取熱量(單位：kJ)。本項(xiàng)目中SBTS 與熱泵耦合系統(tǒng)第一年運(yùn)行為僅供熱，從第二年非供暖季開始跨季節(jié)蓄熱。

(3)SBTS 蓄熱體參數(shù)的確定

從式(2)中得出3 組不同蓄熱溫度下的蓄熱體體積。通過式(4)可得出每個(gè)蓄熱體對(duì)應(yīng)的最小井深。井深太淺容易受到環(huán)境波動(dòng)，不僅會(huì)影響系統(tǒng)性能穩(wěn)定，也會(huì)影響埋管換熱性能，太深則會(huì)影響蓄熱體蓄熱性能。結(jié)合實(shí)際場(chǎng)地條件，本方案中選取45、70 和95 m 的井深。蓄熱溫度越高其蓄熱體體積就越小，在相同井深和間距下所需井?dāng)?shù)越少。為了在相同蓄熱溫度下總換熱井長度相差不大，且使蓄熱系統(tǒng)溫度得到有效提升，本方案設(shè)計(jì)中不同蓄熱溫度15、20 和25 °C 分別取了4.5、3.5和3 m 的井間距。

式中，M、L 和HDP分別代表蓄熱體長、寬和高。

表4 SBTS與熱泵耦合系統(tǒng)供暖方案模擬優(yōu)化參數(shù)組合

表4 所示為上述確定設(shè)計(jì)參數(shù)條件下SBTS與熱泵耦合系統(tǒng)方案模擬組合。此外，根據(jù)體積與表面積比最小原則，增加了一組蓄熱體為正方體的方案作為其他優(yōu)化方案的對(duì)比參考方案。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.3.1 技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用逐年蓄熱率、逐年熱損失率、地下巖土逐年溫度變化和供暖期蓄熱體溫度變化作為技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)。逐年蓄熱率等于逐年蓄熱量與逐年注入熱量之比，逐年蓄熱量等于每年蓄熱體溫度從取熱結(jié)束后提升到蓄熱結(jié)束后的熱量。逐年熱損失率等于逐年熱損失量與逐年注入熱量之比，逐年熱損失量等于不同階段通過蓄熱體邊界向外流出的熱量之和。而供暖期蓄熱體溫度變化則表征供暖期熱泵機(jī)組平均COP 變化。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)主要分析不同方案中相關(guān)設(shè)備初始投資和運(yùn)行費(fèi)用，包括節(jié)能性評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。節(jié)能性評(píng)價(jià)主要指熱泵運(yùn)行費(fèi)用和水泵運(yùn)行費(fèi)用，如式(5)、式(6)：

NSBTS為SBTS 系統(tǒng)預(yù)估總運(yùn)行費(fèi)用(元)，NGSHP為GSHP 系統(tǒng)預(yù)估總運(yùn)行費(fèi)用(元)。COPSBTS為SBTS 與熱泵耦合系統(tǒng)中熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)預(yù)計(jì)進(jìn)出口水溫下的COP，COPGSHP為傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)熱泵機(jī)組對(duì)應(yīng)預(yù)計(jì)進(jìn)出口水溫下的COP。n 為系統(tǒng)預(yù)計(jì)運(yùn)行年限，取25，當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)價(jià)格為0.6 元/kWh。Cjr×A 為集熱系統(tǒng)水泵運(yùn)行費(fèi)用，A 為集熱器面積(m2)，Cjr為集熱系統(tǒng)水泵運(yùn)行費(fèi)用折算為每平方米的數(shù)值，此處取經(jīng)驗(yàn)值12.32 元/m2；Cjq×L 為井群系統(tǒng)水泵運(yùn)行費(fèi)用，L 為井群總延米數(shù)(m)，Cjq井群系統(tǒng)水泵運(yùn)行費(fèi)用折算為每延米數(shù)值，對(duì)應(yīng)不同蓄熱溫差，取值范圍為1.8-2.5 元/m。

經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指相關(guān)設(shè)備初始投資，如式(7)、式(8)所示：

PSBTS為SBTS 系統(tǒng)對(duì)比初始總投資(CNY)，PG-SHP為地源熱泵系統(tǒng)的對(duì)比初始投資(CNY)，分別包含集熱器(Pjr)，井群(Pjq)，熱泵(Php)和水泵等費(fèi)用(Psb)。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 技術(shù)性能

3.1.1 巖土逐年溫度

圖4 給出了SBTS 與熱泵耦合供暖系統(tǒng)不同設(shè)計(jì)方案蓄熱體和周圍巖土溫度變化圖。從圖可看出，蓄熱井群通過每年蓄熱季蓄熱作用，地溫以年為周期逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定循環(huán)變化。在供暖階段由于大棚建筑不斷取熱地溫逐漸下降至較低溫度，而通過蓄熱階段的注熱，地溫根據(jù)所設(shè)計(jì)的不同溫差范圍而上升，蓄熱結(jié)束后逐漸維持在所設(shè)計(jì)蓄熱溫度范圍。因此，熱泵系統(tǒng)在整個(gè)供暖季運(yùn)行平均溫度和能效比相比基準(zhǔn)方案得到大幅提高。同時(shí)，從表4 的設(shè)計(jì)計(jì)算也可看出隨著蓄熱溫度增大，整個(gè)蓄熱井群換熱井總長度可以得到大幅減少。此外，非供暖季集熱與蓄熱也并沒有導(dǎo)致蓄熱井群邊界巖土溫度的大幅提升，蓄熱井群邊界溫度在穩(wěn)定階段最大波動(dòng)幅度維持在僅1.0 °C 左右。

圖4 不同優(yōu)化方案10年中的蓄熱體和周圍巖土逐年溫度變化

3.1.2 逐年蓄熱率和熱損失率

圖5 和6 分別顯示了SBTS 與熱泵耦合供暖系統(tǒng)不同優(yōu)化方案對(duì)應(yīng)的逐年蓄熱率和熱損失率變化。從圖4 可看出：在相同蓄熱溫度下，“15 °C參考方案”的蓄熱率最佳，證明了體積與表面積比最小時(shí)蓄熱效果較好的原則。對(duì)于9 組優(yōu)化方案，在同一蓄熱溫度下井深越深蓄熱率越低，且蓄熱溫度為25 °C 時(shí)不同井深之間的蓄熱率變化更加明顯，井深45、70 和95 m 之間的蓄熱率差值達(dá)到了5%。從圖5 也可看出：在同一蓄熱溫度下井深越深熱損失率越大。從蓄熱率和熱損失率變化可知，井深95 m 時(shí)蓄熱率最低、熱損失率最高，而井深45 和70 m 的蓄熱率相差只有0.5～7.5%，在蓄熱溫度20°C 和25 °C 時(shí)二者熱損失率幾乎相同。從蓄熱率和取熱率變化中還可看出，蓄熱溫度為15 °C和20 °C 的設(shè)計(jì)方案其蓄熱率明顯高于蓄熱溫度25 °C 的設(shè)計(jì)方案，而蓄熱溫度20°C 的設(shè)計(jì)方案蓄熱率整體要比蓄熱溫度15°C 的設(shè)計(jì)方案要高，且熱損失率比蓄熱溫度15°C 設(shè)計(jì)方案要低，甚至在系統(tǒng)運(yùn)行第六年之后比“15°C 對(duì)比方案”的熱損失率還低。

圖5 不同優(yōu)化方案10年中的逐年蓄熱率變化

圖6 不同優(yōu)化方案10年中的逐年熱損失率變化

3.1.3 供暖期巖土逐年溫度

圖7 給出了9 組不同優(yōu)化方案在10 年期間供暖期地下巖土平均溫度變化。模擬結(jié)果表明：除“15 °C 參考方案”外，蓄熱溫度為20 °C 的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在供暖期地下巖土平均溫度最高，運(yùn)行10年后供暖期蓄熱體平均溫度提高到18.2 °C，比15 °C 其他設(shè)計(jì)方案最大高出1.5 °C，進(jìn)而表征了蓄熱溫度為20°C 的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在供暖期熱泵COP 也最高。而蓄熱溫度25°C 的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案雖設(shè)計(jì)溫差大于15 °C 時(shí)，但蓄熱溫度15 °C 的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在供暖期平均溫度要高于蓄熱溫度為25 °C 的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，這也是蓄熱溫度為15 °C的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案蓄熱率較高的同時(shí)熱損失率也比蓄熱溫度為25 °C 的方案大的原因之一。蓄熱最終目的在于供暖期提高熱泵的運(yùn)行效率，降低運(yùn)行能耗。

圖7 不同優(yōu)化方案10年中供暖期地下巖土逐年平均溫度變化

3.2 經(jīng)濟(jì)性能

SBTS 與熱泵耦合供暖系統(tǒng)相比基準(zhǔn)方案要支出額外的集熱系統(tǒng)費(fèi)用，但前者可大幅降低相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。在9 組設(shè)計(jì)方案的年總運(yùn)行費(fèi)用要小于GSHP 的年總運(yùn)行費(fèi)用。由于蓄熱溫度的提升，所需蓄熱井群打井?dāng)?shù)量也大幅下降，因而蓄熱溫度為20 °C 和25 °C 的6 組優(yōu)化設(shè)計(jì)方案初始總投資費(fèi)用反而要小于基準(zhǔn)方案。年均總費(fèi)用最低的“25-45”設(shè)計(jì)方案相比基準(zhǔn)方案直接相關(guān)費(fèi)用年節(jié)省1.7 萬元左右。由于供熱期間巖土平均溫度要低于蓄熱溫度15 、20 °C 的設(shè)計(jì)方案，因此蓄熱溫度為25 °C 的設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)熱泵運(yùn)行費(fèi)用要高于15 °C 和20 °C 時(shí)。但由于集熱器和蓄熱井群總延米數(shù)大幅下降，相關(guān)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)較低，因此年運(yùn)行總費(fèi)用還是低于其它兩組蓄熱溫度條件。

需要注意的是，在三組不同蓄熱溫度優(yōu)化方案中，蓄熱溫度越高年均總費(fèi)用越低。投資費(fèi)用隨蓄熱溫度升高而變低是由集熱器面積和蓄熱井群換熱井總延米數(shù)減少導(dǎo)致的。蓄熱溫度為20 °C 和25 °C 的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案相比15 °C 的年均總費(fèi)用降低了11.3%～15.6%，但蓄熱溫度從20°C 上升至25 °C 時(shí)年均總費(fèi)用增加幅度大幅下降，二者相差僅3.9%～5.1%。

3.3 優(yōu)化方案結(jié)果

從經(jīng)濟(jì)性角度看，隨蓄熱溫度增大年均總費(fèi)用越低，但減少幅度逐漸下降。但從技術(shù)角度看，蓄熱溫度高將會(huì)導(dǎo)致較大地溫波動(dòng)，不利于熱泵系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過上述技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能綜合分析，在9 組優(yōu)化方案中采用蓄熱率高、熱損失率低，且經(jīng)濟(jì)性能較好的一組，即蓄熱溫度20 °C、井深70 m 設(shè)計(jì)方案。該方案下取熱中期地下35 m 處1/4 截面地溫云圖逐年變化如圖8 所示，可以看出經(jīng)過幾年的不斷取熱和蓄熱循環(huán)，蓄熱體可以維持較好的溫度梯度，因此可以取得較好的蓄熱率以及較低熱損失率。

圖8 20 °C-70 m方案取熱中期中間深度1/4截面地溫分布

4 結(jié)論

針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)典型農(nóng)業(yè)大棚冬季供暖需求，采用逐年蓄熱率、逐年熱損失率、地下巖土逐年溫度變化、供暖期蓄熱體溫度變化作為技術(shù)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用初始投資成本、運(yùn)行費(fèi)用以及年均總費(fèi)用作為經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比分析了SBTS 與熱泵耦合供暖系統(tǒng)不同設(shè)計(jì)方案，并將不同方案進(jìn)一步與基準(zhǔn)方案和理想?yún)⒖挤桨高M(jìn)行了對(duì)比，得出采用SBTS 與熱泵耦合供暖系統(tǒng)可以有效解決農(nóng)業(yè)大棚建筑地下巖土因取排熱量不平衡導(dǎo)致的地溫逐漸下降問題，以SBTS 蓄熱體作為熱泵系統(tǒng)的熱源可大幅降低鉆孔數(shù)量的同時(shí)保證系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行，以供暖為主的農(nóng)業(yè)大棚建筑中采用SBTS 與熱泵耦合系統(tǒng)進(jìn)行供暖是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。在本文的9 組設(shè)計(jì)方案中，蓄熱溫度20 °C 的設(shè)計(jì)方案蓄熱率最高、熱損失率較低，供暖期地下巖土平均溫度也最高，全年蓄熱體溫度波動(dòng)較低，該方案所對(duì)應(yīng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)綜合性能指標(biāo)最最優(yōu)。