大連理工大學(xué) 左婷婷 李祥立 王宗山

0 引言

我國(guó)居住建筑體量大、容積率高，而位于嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)的居住建筑具有熱負(fù)荷需求大、冷負(fù)荷需求小的特點(diǎn)。因此，地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于熱負(fù)荷占優(yōu)地區(qū)的居住建筑時(shí)，將面臨埋管所需的地表面積不足和由于吸熱量大、土壤自身恢復(fù)能力不足導(dǎo)致地溫逐年降低的冷堆積問(wèn)題。針對(duì)面積限制問(wèn)題，文獻(xiàn)[1-5]提出了埋深超過(guò)1 000 m的中深層套管式地埋管系統(tǒng)，但該系統(tǒng)僅能供暖，無(wú)法滿足供冷需求；針對(duì)冷堆積問(wèn)題，文獻(xiàn)[6-8]提出了太陽(yáng)能輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)，但該系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行復(fù)雜，嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)使用時(shí)運(yùn)行維護(hù)難度大。為了解決上述地埋管地源熱泵面臨的問(wèn)題，提出中深層雙U形地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

嚴(yán)寒地區(qū)冬季淺層地埋管換熱器因持續(xù)取熱可能導(dǎo)致管內(nèi)循環(huán)流體凍結(jié)，使系統(tǒng)換熱能力降低，無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行[9-10]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，中深層雙U形地埋管換熱系統(tǒng)的埋管深度可達(dá)800 m左右，由于增溫帶存在0.02～0.05 ℃/m的溫度梯度[11]，中深層土壤溫度一般不超過(guò)33 ℃，既能保證供暖又能供冷；中深層土壤溫度較淺層更高，土壤補(bǔ)熱能力更好，有更大的單位孔深換熱量，僅需淺層系統(tǒng)20%～50%左右的換熱器長(zhǎng)度，大大減小了埋管的地表面積，埋管中心區(qū)域土壤溫度易通過(guò)與周圍土壤的換熱得到恢復(fù)[12]，可以有效減少冷堆積。

本文就熱負(fù)荷占優(yōu)的嚴(yán)寒地區(qū)(即土壤冬季吸熱量大于夏季釋熱量地區(qū))進(jìn)行分析，以嚴(yán)寒C區(qū)居住建筑負(fù)荷特性為代表，利用TRNSYS軟件研究中深層雙U形地埋管系統(tǒng)的適用性，為工程實(shí)踐提供參考。

1 仿真模型

建立中深層雙U形地埋管熱泵系統(tǒng)，地源側(cè)的巖土熱物性參數(shù)和用戶側(cè)建筑內(nèi)外擾參數(shù)均按遼寧省阜新市海州區(qū)某住宅小區(qū)實(shí)際工程設(shè)置。本文應(yīng)用仿真軟件研究此系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的性能，該住宅小區(qū)總計(jì)3棟高層建筑，總占地面積3 564 m2，總綠地面積2 916 m2。單棟居住建筑的體形系數(shù)為0.21，建筑面積為14 256 m2。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算和仿真模擬，中深層系統(tǒng)在埋深600 m左右時(shí)體現(xiàn)出最佳的適用性。熱源側(cè)是室外58口深600 m的換熱井，井內(nèi)敷設(shè)2根U形管，管材采用經(jīng)過(guò)加強(qiáng)處理的PE100高密度聚乙烯U形管，其在含水土壤區(qū)域管內(nèi)外承壓平衡，管道安裝采用特殊的機(jī)器和工藝，該類型管材和安裝技術(shù)在實(shí)際工程中已有使用。阜新市地下土壤主要成分為黏土巖，相對(duì)于淺層土壤，該系統(tǒng)所用的中深層土壤具有更大的含水量和壓力，因此其擁有更大的導(dǎo)熱系數(shù)[13]，測(cè)得埋管區(qū)域土壤的平均單位體積熱容為2 348 kJ/(m3·K)，平均導(dǎo)熱系數(shù)為1.80 W/(m·K)。

1.1 TRNSYS仿真軟件

利用TRNSYS仿真模擬600 m埋深雙U形地埋管系統(tǒng)，其中U形管換熱器模塊所用地埋管熱存儲(chǔ)區(qū)域模型DST的示意圖見(jiàn)圖1，此模型采用空間重疊法得到土壤中的溫度分布，采用當(dāng)量半徑法得到鉆孔區(qū)域的地表面積[14]。

圖1 DST模型

圖1中ttop為熱存儲(chǔ)區(qū)頂邊界溫度，取阜新市室外動(dòng)態(tài)空氣溫度；tside為熱存儲(chǔ)區(qū)側(cè)邊界溫度，此溫度為阜新市土壤初始溫度，取11.314 ℃；Δt為土壤溫度梯度，取擬合值0.034 7 ℃/m；L1為黏土和泥頁(yè)巖深度，取0～100 m，土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)取1.55 W/(m·K)；L2為砂礫巖深度，取100～400 m，土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)取1.80 W/(m·K)；L3為火成巖和花崗巖深度，取400～600 m，土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)取1.93 W/(m·K)；B為鉆孔間距，受鉆孔深度和偏移影響，取值≥6 m；rb為鉆孔半徑，由U形管尺寸決定；rsr為單孔熱影響半徑，由當(dāng)量半徑法算得，取0.525B；rsv為熱存儲(chǔ)區(qū)域半徑，由鉆孔數(shù)量和鉆孔間距決定。

1.2 仿真對(duì)象負(fù)荷

本文依據(jù)實(shí)際工程的內(nèi)外擾設(shè)計(jì)參數(shù)(見(jiàn)表1)，使用TRNSYS的TRNBuild模塊建立負(fù)荷計(jì)算模型。圖2顯示了模擬得到的建筑全年負(fù)荷變化情況。最大熱負(fù)荷為1 176.83 kW，最大冷負(fù)荷為905.10 kW，阜新市供暖期為11月1日至次年4月1日，供冷期為6月15日至9月15日，空調(diào)每日00：00—08：00和17：00—24：00開(kāi)啟，09:00—16:00關(guān)閉，間歇運(yùn)行，全年累計(jì)熱負(fù)荷1 435.319 MW·h，全年累計(jì)冷負(fù)荷597.128 MW·h，負(fù)荷比為2.40∶1。

圖2 全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷

表1 建筑內(nèi)外擾參數(shù)

1.3 仿真模型搭建

為了達(dá)到更佳的節(jié)能效果，設(shè)置2臺(tái)熱泵間歇并聯(lián)運(yùn)行。冬季熱負(fù)荷達(dá)到熱泵額定制熱量的10%時(shí)僅開(kāi)啟1臺(tái)熱泵，熱負(fù)荷達(dá)到熱泵額定制熱量的90%時(shí)開(kāi)啟2臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行；夏季同理。根據(jù)最大負(fù)荷選擇2臺(tái)型號(hào)RTWD160HE的熱泵

機(jī)組，額定制熱COP為4.7，額定制冷COP為5.4，熱泵制熱工況下額定供水溫度為45 ℃，制冷工況下額定供水溫度為7 ℃。根據(jù)用戶側(cè)所需水量及揚(yáng)程選用變頻泵，變頻泵性能曲線如圖3所示。

圖3 變頻水泵性能曲線

地源側(cè)定頻水泵的選取由于流量和鉆孔數(shù)量不同，揚(yáng)程有差異，不同方案的地源側(cè)水泵選型不同。采用TRNSYS建立的中深層雙U形地埋管系統(tǒng)模型如圖4所示，模擬分析系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

圖4 中深層雙U形地埋管系統(tǒng)模型

2 模型優(yōu)化分析

選用系統(tǒng)費(fèi)用年值(EAC)作為正交試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行適用性分析[15]。

式中 r為貼現(xiàn)率，6%；k為使用壽命，30 a；C0為系統(tǒng)的投資費(fèi)用，包括主要設(shè)備費(fèi)用和鉆孔費(fèi)用，其中鉆孔費(fèi)用包括綜合成孔費(fèi)用、回填料費(fèi)用、土地開(kāi)挖費(fèi)用和額外土地使用費(fèi)用，萬(wàn)元；C為年管理費(fèi)用，包括運(yùn)行費(fèi)用Cyx和維護(hù)費(fèi)用Cwh，萬(wàn)元。

Cwh=C0ε

(3)

式(2)、(3)中 P為總能耗，kW，在計(jì)算運(yùn)行費(fèi)用時(shí)，近似認(rèn)為各方案中用戶側(cè)水泵和末端風(fēng)機(jī)的總運(yùn)行費(fèi)用相等，不會(huì)導(dǎo)致費(fèi)用年值的差異，只考慮地源側(cè)循環(huán)水泵和熱泵機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用；A為遼寧省阜新市居住建筑的電價(jià)，為0.5元/(kW·h)；τ為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，h；ε為概算指標(biāo)，取5%。

2.1 影響因素分析

本文討論的影響因素有4個(gè)：地源側(cè)流量、地埋管公稱直徑、鉆孔間距、折合熱阻，且每個(gè)因素分別有4種水平，表2為試驗(yàn)因素水平表。

表2 試驗(yàn)因素水平

在建筑負(fù)荷一定的情況下，地源側(cè)流量變化將直接影響地源側(cè)進(jìn)出水溫差，地源側(cè)溫差過(guò)大會(huì)導(dǎo)致溫度衰減快，地源側(cè)溫差過(guò)小則影響溫度傳遞。本文選取地源側(cè)溫差為3.0～4.5 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的流量；中深層系統(tǒng)地埋管埋深較深，需要承壓能力更強(qiáng)的U形管，選取地埋管公稱直徑DN50～DN90；因?yàn)槁窆芫哂?.3～0.5°傾斜度，所以中深層地埋管系統(tǒng)所需鉆孔間距較淺層系統(tǒng)更大，且為避免占地面積過(guò)大，選取鉆孔間距為6～9 m；本文的折合熱阻是指U形管管壁熱阻與鉆孔灌漿回填材料熱阻兩者的折合熱阻，在常見(jiàn)的導(dǎo)熱系數(shù)范圍內(nèi)選取數(shù)值[12]，折合熱阻為0.10～0.13 m·K/W。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了更加科學(xué)合理地分析不同因素的影響程度，下面采用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行分析。選用正交表L16(45)，試驗(yàn)指標(biāo)為費(fèi)用年值，表3給出了正交試驗(yàn)結(jié)果。

表3 直觀分析表

根據(jù)表3，系統(tǒng)費(fèi)用年值影響因素主次順序依次是鉆孔間距、地埋管公稱直徑、折合熱阻、地源側(cè)流量。根據(jù)模擬結(jié)果分析，運(yùn)行費(fèi)用僅占系統(tǒng)費(fèi)用年值的10%左右，維護(hù)費(fèi)用由初投資決定，可見(jiàn)影響費(fèi)用年值的主要組成成分為投資費(fèi)用。鉆孔間距影響鉆孔間熱干擾程度，折合熱阻影響土壤熱存儲(chǔ)區(qū)域和周圍土壤的換熱能力，地埋管公稱直徑影響換熱能力和管內(nèi)流速，地源側(cè)流量影響換熱器內(nèi)介質(zhì)溫差和水泵功率，四者均間接決定系統(tǒng)能效大小，在運(yùn)行費(fèi)用方面影響費(fèi)用年值。根據(jù)換熱器設(shè)計(jì)方法，鉆孔間距、地埋管公稱直徑和折合熱阻在不同程度上決定鉆孔數(shù)量，同時(shí)地埋管公稱直徑與鉆孔直徑呈正比變化，單位深度鉆孔造價(jià)與鉆孔直徑有關(guān)。鉆孔間距增加1 m，鉆孔數(shù)量減少約6%；地埋管管徑增大1號(hào)，鉆孔數(shù)量減少約4%，綜合單價(jià)增大約9%；折合熱阻減小0.01 m·K/W，鉆孔數(shù)量減少約2%；根據(jù)熱存儲(chǔ)區(qū)域當(dāng)量半徑計(jì)算法，鉆孔間距增加1 m，埋管面積增加約31%，鉆孔數(shù)量增加1口，埋管面積增加約2%，三者在投資費(fèi)用方面影響費(fèi)用年值。

根據(jù)方差分析表(見(jiàn)表4)，鉆孔間距和地埋管公稱直徑對(duì)費(fèi)用年值有較大影響，影響程度占比分別為42.03%和38.10%，而其他因素對(duì)費(fèi)用年值無(wú)顯著影響。因此在考慮系統(tǒng)適用性問(wèn)題時(shí)需要考慮的主要因素是鉆孔間距和地埋管公稱直徑。綜合上述分析，雖然折合熱阻和地源側(cè)流量對(duì)費(fèi)用年值有一定的影響，但是由于地埋管和回填料導(dǎo)熱系數(shù)及介質(zhì)換熱溫差變化范圍相對(duì)較小，因此這種影響并不顯著，影響程度占比分別為11.61%和8.26%。

表4 方差分析

2.3 模擬運(yùn)行結(jié)果

根據(jù)中深層雙U形地埋管熱泵系統(tǒng)模型和正交試驗(yàn)最優(yōu)方案A1B1C3D4，模擬系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行30 a 的土壤平均溫度、地埋管進(jìn)出水溫度及系統(tǒng)能效，結(jié)果如圖5所示。盡管熱冷負(fù)荷不平衡造成地下土壤和換熱器內(nèi)介質(zhì)溫度逐年降低，系統(tǒng)能效冬季稍有下降，夏季略有上升。但由于中深層土壤有較好的補(bǔ)熱能力，單井換熱量為22.30 kW，在運(yùn)行周期內(nèi)，土壤平均溫度僅下降3.77 ℃，換熱器內(nèi)循環(huán)水最低溫度為8.91 ℃，不會(huì)引起機(jī)組結(jié)冰和循環(huán)水凍結(jié)，換熱器內(nèi)循環(huán)水最高溫度為30.24 ℃，不會(huì)降低供冷節(jié)能效果[16]。在運(yùn)行周期內(nèi)，冬季平均系統(tǒng)能效為3.63，夏季平均系統(tǒng)能效為4.52，系統(tǒng)逐年運(yùn)行比較穩(wěn)定。

圖5 中深層雙U形地埋管熱泵系統(tǒng)30 a運(yùn)行效果

3 中深層系統(tǒng)與太陽(yáng)能輔助系統(tǒng)對(duì)比

針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)居住建筑的冷熱需求，將現(xiàn)有的能保證供暖供冷的太陽(yáng)能輔助地埋管地源熱泵系統(tǒng)與本文系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。

3.1 太陽(yáng)能復(fù)合地源熱泵蓄熱系統(tǒng)

利用TRNSYS建立太陽(yáng)能復(fù)合地源熱泵蓄熱系統(tǒng)模型并進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，該系統(tǒng)利用太陽(yáng)能供暖季和過(guò)渡季向土壤補(bǔ)熱，系統(tǒng)模型如圖6所示。集熱側(cè)控制策略：當(dāng)集熱器內(nèi)平均水溫與蓄熱水箱平均水溫之差大于5 ℃時(shí)，集熱泵開(kāi)啟；否則集熱泵關(guān)閉。蓄熱側(cè)控制策略：當(dāng)蓄熱水箱平均水溫與土壤平均溫度之差大于3 ℃時(shí)，蓄熱泵開(kāi)啟；當(dāng)溫差小于1 ℃時(shí)，蓄熱泵關(guān)閉。在相同建筑負(fù)荷條件下，模擬得到全年累計(jì)集熱量為410.754 MW·h，累計(jì)蓄熱量為407.031 MW·h，累計(jì)土壤吸釋熱量差值為414.593 MW·h。

圖6 太陽(yáng)能復(fù)合地源熱泵蓄熱系統(tǒng)模型

3.2 適用性對(duì)比

中深層雙U形地埋管熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)最優(yōu)方案的設(shè)備參數(shù)如表5所示。利用TRNSYS模擬運(yùn)行30 a，最優(yōu)方案的費(fèi)用年值為157.51萬(wàn)元。太陽(yáng)能復(fù)合地源熱泵蓄熱系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)如表6所示。利用TRNSYS模擬其30 a運(yùn)行，得到費(fèi)用年值為283.98萬(wàn)元。

表5 中深層雙U形地埋管熱泵系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

4 結(jié)論

本文提出了中深層雙U形地埋管系統(tǒng)，通過(guò)TRNSYS軟件仿真模擬了阜新市某居住小區(qū)中深層雙U形地埋管系統(tǒng)，依據(jù)模擬結(jié)果，此系統(tǒng)適用于熱負(fù)荷占優(yōu)地區(qū)。

1) 通過(guò)正交試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于系統(tǒng)費(fèi)用年值的影響占比，主次順序依次為鉆孔間距42.03%，地埋管公稱直徑38.10%，折合熱阻11.61%，地源側(cè)流量8.26%。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)首先考慮增大鉆孔間距，當(dāng)間距受埋管區(qū)域限制不能增大時(shí)，則應(yīng)考慮增大地埋管公稱直徑等措施，以保證壽命周期內(nèi)系統(tǒng)適用性。本文提到的影響因素的作用規(guī)律不一定適用于常規(guī)地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

2) 中深層雙U形地埋管熱泵系統(tǒng)與常見(jiàn)的太陽(yáng)能復(fù)合地源熱泵蓄熱系統(tǒng)相比，系統(tǒng)費(fèi)用年值降低了44.53%，在壽命周期內(nèi)體現(xiàn)出更佳的適用性。