賀士晶 馬珂妍 王松慶

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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地埋管換熱器設計參數對系統能效影響及優(yōu)化分析★

賀士晶 馬珂妍 王松慶

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

以典型辦公建筑全年動態(tài)負荷為依據，對嚴寒地區(qū)土壤源熱泵系統地埋管換熱器設計參數對系統能效的影響進行研究。研究結果表明，增大地埋管換熱器間距有利于提高系統運行可靠性，在換熱能力不變的前提下增大地埋管換熱器埋深，有利于土壤溫度穩(wěn)定，降低對土壤的熱干擾。

嚴寒地區(qū)，地埋管換熱器，系統能效

地埋管換熱器是土壤源熱泵系統重要組成部分之一，是熱泵機組與土壤進行熱交換的紐帶，其換熱性能直接影響土壤源熱泵系統能效。Lim[1]和Lee[2]等通過現場熱響應測試分別對地埋管換熱器的換熱性能進行研究，測試中考慮了回填材料類型，地埋管類型等因素對地埋管換熱器換熱性能的影響；Gao等[3]對樁基式地埋管換熱器的換熱性能進行了研究；Zheng等[4]對垂直布置的U型地埋管換熱器的換熱性能進行研究，建立了鉆孔內外的熱傳遞數學模型，通過數學仿真研究得到影響熱傳遞特性的影響因素;Sanaye等[5]以土壤源熱泵系統年運行費用為優(yōu)化目標，對土壤源熱泵機組參數和地埋管換熱器設計參數的最優(yōu)值進行預測，同時對影響年運行費用的參數進行了敏感性分析；Chen等[6]基于熱阻最小化原則，對地埋管換熱器最佳換熱能力進行分析；Kjellsson等[7]分別以減少電耗和減少地下取熱量作為優(yōu)化目標，對太陽能—土壤源熱泵組成的混合系統進行了容量匹配優(yōu)化研究；Khalajzadeh等[8]運用響應面模型(RSM)，在制冷季以單個地埋管換熱器換熱性能作為優(yōu)化目標，對地埋管換熱器進口處水溫、管徑尺寸等參數進行優(yōu)化分析，尋找最佳設計參數。在我國北方地區(qū)尤其是嚴寒地區(qū)的建筑采用土壤源熱泵系統時，由于冬季采暖期較長，夏季空調期較短，冬季熱負荷遠遠大于夏季冷負荷，對土壤的取熱量和蓄熱量嚴重不平衡，冬季取熱量遠大于夏季蓄熱量，長期運行土壤溫度逐年降低，嚴重影響土壤源熱泵系統運行效率，使得土壤源熱泵技術在北方地區(qū)的應用受到了限制。實際上，地源熱泵技術的可靠性不僅僅與地域因素有關，還與地埋管換熱器的相關設計參數等因素有關。本文從土壤源熱泵系統地埋管換熱器設計參數對系統能效的影響著手，分析地埋管換熱器設計參數對嚴寒地區(qū)土壤源熱泵系統能效的影響，并對地埋管換熱器關鍵設計參數進行優(yōu)化研究，有利于土壤源熱泵技術在嚴寒地區(qū)的應用和推廣。

1 仿真模型

1.1地埋管換熱器模型

本文仿真計算選用國際通用軟件TRNSYS進行仿真計算，地埋管換熱器模型選用Type557，具體計算理論可參考TRNSYS MANUSL，本文不再贅述。

1.2熱泵機組模型

本文選取TRNSYS中Type668模型，同時選取某典型熱泵機組樣本。額定制冷工況(冷卻水進水溫度15 ℃，冷凍水出口溫度7 ℃，額定制冷量587 kW)；額定制熱工況(冷水進水溫度15 ℃，熱水出口溫度45 ℃，額定制熱量702 kW)以蒸發(fā)器和冷凝器的進口溫度為自變量，根據樣本曲線擬合該容量工況下熱泵機組的性能方程。

對于制冷工況，如式(1),式(2)所示：

Qc=16.80Tei-3.71Tci+441.7

(1)

Pc=0.91Tei+1.39Tci+58.17

(2)

對于制熱工況，如式(3),式(4)所示：

Qh=17.29Tei-1.40Tci+506.10

(3)

Ph=1.82Tei+1.75Tci+76.30

(4)

其中，Q為熱泵機組的制冷(熱)量，kW,下標c為制冷工況，下標h為制熱工況；P為熱泵機組的制冷(熱)耗電量，kW，下標c為制冷，下標h為制熱；Tei為蒸發(fā)器入口水溫，℃；Tci為冷凝器入口水溫，℃。

1.3建筑物負荷模型

建筑物負荷模型主要通過TRNSYS中數據輸入部件type9和負荷末端部件type682來實現，將建筑物逐時負荷結果以外部文件的形式導入，從而確定整個熱泵系統逐時出力情況。

2 案例研究

本文研究選用齊齊哈爾市某一典型辦公建筑土壤源熱泵系統作為研究對象，分析地埋管換熱器設計參數對土壤源熱泵系統能效的影響。

2.1建筑動態(tài)負荷特性分析

本文選取的典型辦公建筑參照相關規(guī)范，選取和設置建筑物室外環(huán)境參數、室內計算溫度、圍護結構熱工性能參數等，相關參數如表1所示。對該典型辦公建筑進行全年動態(tài)負荷計算。逐時動態(tài)負荷結果如圖1所示。

表1 典型辦公建筑相關參數

2.2基本參數設置

本文仿真計算中關于土壤源熱泵系統主要參數設置如表2所示。

表2 土壤源熱泵系統基本參數設置

2.3埋管間距對系統能效的影響

地埋管換熱器間距是地埋管換熱器設計的重要參數之一，地埋管換熱器間距過小會引起各地埋管換熱器之間的熱干擾從而影響地埋管換熱器的換熱性能；而地埋管換熱器間距過大，則必然需要占用更大的管區(qū)面積，浪費地面資源，不利于節(jié)約土地資源和降低成本。因此對于嚴寒地區(qū)的地源熱泵應用，需探尋較為合理的地埋管間距。本研究考慮到可利用的土壤面積，地埋管換熱器布置時埋管間距一般不宜小于4 m。本研究選取4 m,5 m和6 m三個典型的間距值，在控制其他參數不變的條件下，對土壤源熱泵系統能效變化特性進行分析，優(yōu)化嚴寒地區(qū)地埋管換熱器的合理間距值。研究以10年為周期，不同管間距下的典型區(qū)域制熱COP和制冷COP變化如圖2和圖3所示。

由圖2可知，對于制熱工況，地埋管換熱器間距6 m工況時，制熱能效優(yōu)于管間距4 m工況的制熱能效。第一年運行時，間距6 m工況比間距4 m工況制熱能效高0.72%。運行10年后，間距6 m工況比間距4 m工況能效高1.75%。對于本研究中的典型建筑而言，管間距對系統制熱能效的影響不明顯，但實際工程中要綜合考慮建筑物規(guī)模，注意地埋管換熱器管間距對系統制熱能效的影響。

由圖3可知，對于制冷工況，間距4 m工況制冷能效優(yōu)于間距6 m工況的制冷能效。第一年運行時，間距4 m工況時比間距6 m工況的制冷能效高3.7%，運行10年后，間距4 m工況比間距6 m工況的能效高5.6%，由上述分析可知，管間距對系統制冷能效的影響高于對制熱工況的影響，產生上述情況的主要原因是由嚴寒地區(qū)的氣候條件導致的，與夏季相比，建筑物冬季采暖需要的熱量遠大于地源熱泵系統夏季存儲在地下的熱量，使得土壤溫度逐年降低進而降低了冷凝溫度。由于間距4 m工況土壤溫度衰減幅度大于間距6 m工況，使得間距4 m工況運行時對應的冷凝溫度低于間距6 m工況，進而得出上述結論。

2.4地埋管埋深對系統能效的影響

地埋管換熱器設計的另一重要影響因素是其施工深度(即埋深)。假如地埋管換熱器組群的換熱能力不變，如果改變鉆孔深度，就需要調整鉆孔數量。由于在實際工程中，鉆井的深度一般為30 m～180 m。本研究采用幾組典型設置相互對比，工況設置如表3所示。

表3 埋深與鉆孔數量的工況設置

采用這五組典型設置，在控制其他參數不變的條件下，對土壤源熱泵系統能效變化特性進行分析，優(yōu)化嚴寒地區(qū)地埋管換熱器的合理埋深值。

研究以10年為周期，不同管間距下的典型區(qū)域制熱COP和制冷COP變化如圖4所示。

從圖4中可以看出在10年的運行中，系統制冷制熱COP整體均為下降趨勢，而制冷COP均為上升趨勢。隨著埋管深度的增加，制熱COP的上升值和制冷COP的下降值有小幅波動，整體略有減小。制熱COP的下降值變化了0.015，而制冷COP的上升值變化了0.042，變化幅度很小。由此可見，改變地埋管的埋深與孔數對系統效能的影響較小，且由于鉆孔的加深和難度增大，系統的初投資也會提高。確定地埋管埋深時需綜合考慮土壤溫度的穩(wěn)定性和經濟性指標。

3 結語

1)地埋管換熱器間距的設置應綜合考慮埋管間的熱干擾和管區(qū)使用的土地面積，增大管間距有利于系統運行，在嚴寒地區(qū)進行地源熱泵系統設計時，應以冬季制熱工況為主，以提高地源熱泵系統的可靠性；

2)在換熱能力不變的前提下(即埋管總長度不變)，盡量增大地埋管換熱器埋深，而不是增加地埋管數量，有利于土壤溫度的穩(wěn)定，降低對土壤的熱干擾。

[1] K.Lim,S.Lee,C.H.Lee.An experimental study on the thermal performance of ground heat exchanger[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2007,31(8):1564-1571.

[2] C.Lee,M.Park,T.B.Nguyen,et al.Performance evaluation of closed-loop vertical ground heat exchangers by conducting in-situ thermal response tests[J].Renewable Energy,2012(42):77-83.

[3] J.Gao,X.Zhang,J.Liu,et al.Thermal performance and ground temperature of vertical pile-foundation heat exchangers:A case study[J].Applied Thermal Engineering,2008,28(17-18):2295-2304.

[4] Z.H.Zheng,W.X.Wang,C.Ji.A study on the thermal performance of vertical U-tube ground heat exchangers[J].Energy Procedia,2011(12):906-914.

[5] S.Sanaye,B.Niroomand.Thermal-economic modeling and optimization of vertical ground-coupled heat pump[J].Energy Conversion and Management,2009,50(4):1136-1147.

[6] L.Chen,Q.Chen,Z.Li,et al.Optimization for a heat exchanger couple based on the minimum thermal resistance principle[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2009,52(21-22):4778-4784.

[7] E.Kjellsson,G.Hellstrom,B.Perers.Optimization of systems with the combination of ground-source heat pump and solar collectors in dwellings[J].Energy,2010,35(6):2667-2673.

[8] V.Khalajzadeh,G.Heudarinejad,J.Srebric.Parameters optimization of a vertical ground heat exchanger based on response surface methodology[J].Energy and Buildings,2011,43(6):1288-1294.

Optimizationanalysisonsystemenergyefficiencywithdesignparametersforgroundheatexchanger★

HeShijingMaKeyanWangSongqing

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Based on the annual dynamic load of typical office building, the optimizationg analysis on system energy efficiency with design parameters for ground heat exchanger was carried out by a case study in severe cold region. The present study indicates that the reliability of ground source pump system could be improved by better spacing of ground heat exchangers. The more depth of ground heat exchanger, which is kept the same heat transfer capacity, is beneficial to improve the stability of soil temperature and reduce the thermal interference of soil.

severe cold region, ground heat exchanger, system energy efficiency

1009-6825(2017)29-0175-03

2017-08-09 ★：中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目(DL11BB30)

賀士晶(1983- )，女，博士,講師

TK529

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