宮克勤， 楊子昱， 呂松炎， 張 楠

（東北石油大學土木建筑工程學院，黑龍江大慶 163318）

土壤源熱泵以地表淺層土壤作為熱源，通過熱泵機組利用地層熱能為建筑物提供舒適的熱濕環(huán)境. 而土壤源熱泵等清潔可再生能源的利用既減少了一次能源的消耗，也減少了對環(huán)境的污染［1］. 朱林等［2］對嚴寒地區(qū)土壤源熱泵不同間距井群地下土壤的冷堆積程度進行實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)間距為4 m時井群冷堆積大于間距為6 m時的井群冷堆積，且土壤的傳熱具有一定的滯后性，在嚴寒地區(qū)使用土壤源熱泵難以通過土壤自恢復實現(xiàn)熱平衡. 張玉瑾等［3］通過對黏土地質條件下土壤源熱泵系統(tǒng)連續(xù)運行10年內的土壤溫度場分析發(fā)現(xiàn)，土壤冷堆積速率為0.27 ℃/年，并建議采用輔助熱源保證土壤源熱泵高效運行. 劉昱等［4］對北京地區(qū)超低能耗建筑中的地源熱泵使用情況進行分析發(fā)現(xiàn)，地埋管鉆孔間距為6 m時的性能比3 m 時提高了10%左右，因此建議在國家標準允許的范圍內應盡量增大地埋管間距.

隨著計算機技術的不斷進步，數(shù)值模擬越來越多被應用于土壤源熱泵系統(tǒng)分析，這也使得很多以往無法通過實驗進行的分析得以實現(xiàn)［5-10］. 地埋管換熱器一直是土壤源熱泵系統(tǒng)的研究重點，通過地埋管不同設計對土壤溫度場的影響進行分析，對土壤源熱泵系統(tǒng)進行優(yōu)化設計［11-16］. 通過分析不同運行模式下的土壤源熱泵系統(tǒng)對地下土壤溫度場和室內熱環(huán)境的影響，對選取合適的熱泵運行模式提供建議［17-20］.

本文基于TRNSYS軟件對黑龍江省大慶市采用土壤源熱泵低溫輻射地板進行冷暖兩聯(lián)供的辦公建筑進行模擬，結合連續(xù)性試驗，利用實驗數(shù)據(jù)與軟件模擬結果進行對比，提出土壤源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設計方法.

1 模擬設置

1.1 建筑模型

研究對象為大慶地區(qū)某辦公建筑的標準層. 建筑南北朝向，實驗室圍護結構和朝向與圖1南朝向中間的房間一致. 建筑面積為576 m2，層高3.2 m，土壤源熱泵地埋管采用U型換熱器. 建筑模型如圖1所示.

圖1 建筑模型平面圖Fig.1 Plan view of the building model

1.2 假設條件

使用TRNSYS軟件建立土壤源熱泵低溫地板輻射模型時做出假設：①傳熱介質的熱物性在系統(tǒng)運行過程中不會隨著溫度的變化而變化. ②管內流體的流速和溫度在同一截面上分布均勻一致. ③所有設備參數(shù)穩(wěn)定，忽略設備老化對實驗造成的影響. ④室溫初始值和土壤溫度初始值都一致. ⑤地埋管與土壤的換熱為純導熱過程，忽略地埋管與回填材料之間的接觸熱阻. ⑥地下土壤為各向同性介質.

1.3 系統(tǒng)連接

通過對不同部件和模塊之間的邏輯分析，按照實際流程對各部件進行連接，構建完整的土壤源熱泵系統(tǒng)模型如圖2.

圖2 土壤源熱泵系統(tǒng)模型Fig.2 Model of ground source heat pump system

2 實驗

嚴寒地區(qū)全年冷熱負荷嚴重不均，長期運行會導致地下土壤溫度場發(fā)生變化，影響系統(tǒng)運行效率. 搭建土壤源熱泵實驗臺連續(xù)運行2個供暖期和1個供冷期，得到冷凝器和蒸發(fā)器的進出水溫度、機組的輸入功率等參數(shù). 分析實驗數(shù)據(jù)得到系統(tǒng)能耗、制冷系數(shù)和供熱系數(shù)，并通過實驗數(shù)據(jù)對模擬的準確性進行驗證分析.

2.1 實驗裝置概況

實驗臺位于大慶市某辦公建筑內，實驗房間與通過軟件建立的建筑模型一致. 實驗臺由1臺7.5 kW的熱泵機組、2個豎直放置的地埋管換熱器、2臺循環(huán)水泵、3個流量計、感溫探頭、循環(huán)管道、數(shù)據(jù)集成裝置以及其他附件組成. 其中循環(huán)水泵為自吸式清水泵，1臺放置在室內，1臺放置在土壤源側. 室內循環(huán)泵容積流量1.2 m3/h，轉速1500 r/min，揚程32 m，軸功率0.45 kW；土壤源側循環(huán)泵容積流量1.5 m3/h，轉速1500 r/min，揚程40 m，軸功率0.55 kW. 地埋管外徑32 mm，內徑26 mm，兩管中心間距5 m，打孔深度90 m，采用常規(guī)膨潤土及石英砂作為回填材料，采用冰點-30 ℃，40%的乙二醇防凍液作為循環(huán)介質.

2.2 實驗方法

系統(tǒng)在2016 年11 月1 日至2018 年3 月31 日連續(xù)運行2 個供暖期和1 個供冷期，共17 個月，通過自動控制系統(tǒng)將房間溫度控制在上下限溫度值以內. 在系統(tǒng)各部件運行穩(wěn)定、正常時采集數(shù)據(jù). 實驗臺壓縮機進出口處均安裝有溫度傳感器，可以將蒸發(fā)器和冷凝器溫度傳至儀表臺顯示出來.

通過系統(tǒng)運行始末電表讀數(shù)之差計算系統(tǒng)的輸入功率. 機組的輸入功率為系統(tǒng)的輸入功率減去水泵功率和房間其他用電功率，機組的輸出功率則通過蒸發(fā)器和冷凝器進出口溫差進行計算，夏季需要加上2臺水泵功率，冬季減去兩臺水泵功率. 房間負荷可以通過計算輻射盤管進出口內能差得到.

圖3 蒸發(fā)器進出水溫度實驗與模擬數(shù)據(jù)對比Fig.3 Comparison of experiment and simulation data of evaporator inlet and outlet water temperatures

3 實驗及模擬結果對比

整理2017年11月1日實驗及模擬得到的數(shù)據(jù)進行對比，得圖3和圖4.

圖3和圖4中，蒸發(fā)器進出水溫度1和冷凝器進出水溫度1 為實驗得到的數(shù)據(jù)，蒸發(fā)器進出水溫度2和冷凝器進出水溫度2 為模擬得到的數(shù)據(jù). 對比發(fā)現(xiàn)，實驗與模擬得到的結果均在合理范圍內變化，但實驗系統(tǒng)誤差導致部分時間實驗結果略高于模擬結果. 通過對實驗結果和模擬結果的數(shù)據(jù)曲線進行分析發(fā)現(xiàn)，實驗結果曲線與模擬結果曲線擬合度高，說明該模型可以應用到研究分析中.

圖4 冷凝器進出水溫度實驗與模擬數(shù)據(jù)對比Fig.4 Comparison of experiment and simulation data of condenser inlet and outlet water temperatures

4 優(yōu)化設計

4.1 土壤平均溫度變化情況

土壤初始溫度為9 ℃，每下降1 m升溫0.03 ℃，地埋管每個孔的有效換熱長度為80 m，一共9個孔，兩孔中心間距為5 m，布置方式為圓柱熱源集中式. 模擬系統(tǒng)運行1年時，室外地埋管周圍土壤溫度變化如圖5.

圖5 系統(tǒng)連續(xù)運行1年土壤平均溫度變化Fig.5 Change in the average soil temperatures during a year of system continuous operation

土壤源熱泵系統(tǒng)運行1個供暖期后，土壤平均溫度從10.4 ℃下降到6.0 ℃左右，隨后在過渡期內溫度又平穩(wěn)回升. 到第一個供冷期時溫度上升較快，達到13.3 ℃，在第二個供暖期溫度開始下降，并在第一年結束時降至7.8 ℃.

土壤源熱泵連續(xù)運行5年以后土壤平均溫度變化情況如圖6. 在此連續(xù)運行期間，系統(tǒng)周圍土壤平均溫度呈周期性波動，其波動曲線的波峰及波谷隨著運行時間的增加逐漸下降，并在連續(xù)運行5 年后下降至6.5 ℃左右.

圖6 系統(tǒng)連續(xù)運行5年土壤平均溫度變化Fig.6 Change in the average soil temperatures for five consecutive years of system operation

4.2 不同容量機組模擬

對不同容量的機組選型進行模擬時各參數(shù)設置同上一部分，鉆孔個數(shù)為12個，兩管孔中心間距為5 m，布置方式為圓柱熱源集中式. 根據(jù)建筑物負荷情況，選用容量為30、37.5、50、62.5、75 kW的機組，并模擬機組連續(xù)運行10年的情況，研究機組選型對土壤溫度場和平均運行能效比（COP）的影響.

由于建筑全年冷熱負荷差值與機組選型之間沒有關系，且經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)機組選型對土壤溫度的影響極小，可以忽略不計. 但是如圖7所示，機組容量為37.5 kW時機組平均COP值最高，而當機組容量大于37.5 kW時機組平均COP值隨著容量的增大而減小. 原因是機組選型對建筑負荷沒有影響，因此建筑負荷保持不變的情況下增加機組容量會導致機組的運行時間減少，且通過室內散熱末端向室內傳遞熱量的過程存在延遲性，因此室內溫度傳感器無法準確判斷輸入能量是否滿足室內設計熱負荷而增加能量輸入，最終導致輸入能量大于設計熱負荷，造成“大馬拉小車”的情況. 而且地埋管換熱器與土壤之間的換熱過程也存在延遲性，不同容量大小的機組制熱相比時，較大容量的機組蒸發(fā)器最低溫度低于較小容量的機組，這段時間對機組平均COP起主要決定作用的就是蒸發(fā)側. 綜上所述，當機組容量大于37.5 kW時，隨著機組容量的增加，機組平均COP降低，當機組容量小于設計負荷30 kW時，則無法滿足最低溫度時的室內設計溫度.

圖7 機組平均COP隨時間變化情況Fig.7 Change of unit average COP with time

從圖7中可以看出，不論任何容量的機組，平均COP都隨時間的推移而不斷降低，究其原因是長時間連續(xù)運行導致土壤平均溫度降低，但機組平均COP降低的幅度越來越小，則是因為土壤內部的熱傳遞規(guī)律導致土壤溫降幅逐年減少. 因此，對土壤源熱泵機組機型選型時，應選用大于最大熱負荷且機組容量最接近的37.5 kW時的機組，此時機組在連續(xù)運行10年時間內平均COP值最高.

4.3 模擬研究鉆孔數(shù)量

根據(jù)土壤物性參數(shù)對地埋管換熱器單位井深換熱量進行設計：

式中：?Q 為土壤換熱量，W；Q 為冬季最大運行負荷，W；P1為機組功率，W；P2為泵功率，W.

式中：q為單位井深換熱量，W；ρ 為地埋管熱損失系數(shù)，一般取1.1～1.3；L為地埋管有效換熱長度，m；n為鉆孔數(shù)，個（表1）.

表1 80 m井深時每米井深換熱量所需鉆孔數(shù)Tab.1 Numbers of boreholes required for heat transfer per meter well depth at a well depth of 80 m

選擇容量37.5 kW的機組對不同鉆孔個數(shù)的系統(tǒng)10年運行情況進行模擬，得到不同鉆孔數(shù)下土壤平均溫度和機組平均運行COP的變化情況如圖8和圖9.

由圖8和圖9可以看出，鉆孔數(shù)對土壤平均溫度和機組平均COP的影響曲線類似，機組平均COP的大小隨著鉆孔數(shù)的增加而升高，機組運行對土壤平均溫度的影響也隨著鉆孔數(shù)的增加而減小. 因此，從理論上講，鉆孔數(shù)越多，對系統(tǒng)的長期運行越有利. 但是從現(xiàn)實情況看，更多的鉆孔數(shù)意味著需要更大的占地面積和更大的初始投資，故應在資金許可的條件下盡可能多地設置鉆孔.

圖8 不同鉆孔數(shù)的地下平均溫度隨時間變化情況Fig.8 Variation of the average underground temperatures with time for different numbers of boreholes

圖9 不同鉆孔數(shù)的機組平均COP隨時間變化情況Fig.9 Changes in the average COP of units with different numbers of boreholes over time

從圖8和圖9中還可以看出，當鉆孔達一定數(shù)量時，鉆孔數(shù)的增加對土壤平均溫度和機組平均COP的影響趨于平穩(wěn)，當鉆孔數(shù)多于20個時，孔數(shù)的增加帶來的影響不斷降低. 而當鉆孔數(shù)在15個以上時，能夠保證大部分時間內機組平均COP值大于3.0，因此可以選擇15孔作為鉆孔數(shù)下限值. 綜合各種現(xiàn)實因素進行考慮認為，鉆孔數(shù)在15～20個最為合理. 對照通過計算得到的單位井深換熱量認為，其在18～24 W范圍內時更符合節(jié)能要求.

5 結論

通過TRNSYS軟件分別對給定某些參數(shù)的情況下的土壤溫度場、不同機組選型對機組COP的影響、不同鉆孔數(shù)的不同單位井深換熱量對土壤平均溫度和機組平均COP 的影響進行模擬，提出如何針對機組平均COP和地下土壤平均溫度來對機組選型和地埋管設計進行優(yōu)化，并得出如下結論：

1）對土壤源熱泵連續(xù)運行5年的情況進行模擬，發(fā)現(xiàn)土壤平均溫度下降了4.9 ℃，平均每年下降1 ℃.

2）對不同容量的機組連續(xù)運行10 年的情況進行模擬，發(fā)現(xiàn)機組選型對土壤溫度場的影響可以忽略不計，但在滿足建筑設計熱負荷的情況下選用容量最接近37.5 kW 的機組，其連續(xù)運行10 年內機組平均COP最高.

3）對不同鉆孔數(shù)下機組連續(xù)運行10年的情況進行模擬，綜合多方面現(xiàn)實因素進行考慮認為，對嚴寒地區(qū)土壤源熱泵地埋管換熱器進行設計時，鉆孔數(shù)選擇15～20個，單位井深換熱量為18～24 W時，可以達到更高的平均COP和減小對土壤溫度場的影響.