宮克勤， 楊子昱， 呂松炎， 張 楠

（東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)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(yán)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(jìn)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(yán)寒地區(qū)使用土壤源熱泵難以通過土壤自恢復(fù)實現(xiàn)熱平衡. 張玉瑾等［3］通過對黏土地質(zhì)條件下土壤源熱泵系統(tǒng)連續(xù)運行10年內(nèi)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡量增大地埋管間距.

隨著計算機技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)值模擬越來越多被應(yīng)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(jìn)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(shè)計對土壤溫度場的影響進(jìn)行分析，對土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)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(nèi)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(jìn)行冷暖兩聯(lián)供的辦公建筑進(jìn)行模擬，結(jié)合連續(xù)性試驗，利用實驗數(shù)據(jù)與軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對比，提出土壤源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法.

1 模擬設(shè)置

1.1 建筑模型

研究對象為大慶地區(qū)某辦公建筑的標(biāo)準(zhǔn)層. 建筑南北朝向，實驗室圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)：①傳熱介質(zhì)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(nèi)流體的流速和溫度在同一截面上分布均勻一致. ③所有設(shè)備參數(shù)穩(wěn)定，忽略設(shè)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(dǎo)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(zhì).

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(jìn)行連接，構(gòu)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(yán)寒地區(qū)全年冷熱負(fù)荷嚴(yán)重不均，長期運行會導(dǎo)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(jìn)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(zhǔn)確性進(jìn)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(nèi)，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(nèi)，1臺放置在土壤源側(cè). 室內(nèi)循環(huán)泵容積流量1.2 m3/h，轉(zhuǎn)速1500 r/min，揚程32 m，軸功率0.45 kW；土壤源側(cè)循環(huán)泵容積流量1.5 m3/h，轉(zhuǎn)速1500 r/min，揚程40 m，軸功率0.55 kW. 地埋管外徑32 mm，內(nèi)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(zhì).

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(nèi). 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(jìn)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(jìn)出口溫差進(jìn)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(fù)荷可以通過計算輻射盤管進(jìn)出口內(nèi)能差得到.

圖3 蒸發(fā)器進(jìn)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(jié)果對比

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

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

圖4 冷凝器進(jìn)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(shè)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(nèi)溫度又平穩(wěn)回升. 到第一個供冷期時溫度上升較快，達(dá)到13.3 ℃，在第二個供暖期溫度開始下降，并在第一年結(jié)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(jìn)行模擬時各參數(shù)設(shè)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(fù)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(fù)荷差值與機組選型之間沒有關(guān)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(dāng)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(fù)荷沒有影響，因此建筑負(fù)荷保持不變的情況下增加機組容量會導(dǎo)致機組的運行時間減少，且通過室內(nèi)散熱末端向室內(nèi)傳遞熱量的過程存在延遲性，因此室內(nèi)溫度傳感器無法準(zhǔn)確判斷輸入能量是否滿足室內(nèi)設(shè)計熱負(fù)荷而增加能量輸入，最終導(dǎo)致輸入能量大于設(shè)計熱負(fù)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(cè). 綜上所述，當(dāng)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(dāng)機組容量小于設(shè)計負(fù)荷30 kW時，則無法滿足最低溫度時的室內(nèi)設(shè)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(dǎo)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(nèi)部的熱傳遞規(guī)律導(dǎo)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(yīng)選用大于最大熱負(fù)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(nèi)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(jìn)行設(shè)計：

式中：?Q 為土壤換熱量，W；Q 為冬季最大運行負(fù)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(jìn)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(yīng)在資金許可的條件下盡可能多地設(shè)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(dāng)鉆孔達(dá)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(dāng)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(dāng)鉆孔數(shù)在15個以上時，能夠保證大部分時間內(nèi)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(jìn)行考慮認(rèn)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(rèn)為，其在18～24 W范圍內(nèi)時更符合節(jié)能要求.

5 結(jié)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(jìn)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(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，并得出如下結(jié)論：

1）對土壤源熱泵連續(xù)運行5年的情況進(jìn)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(jìn)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(shè)計熱負(fù)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(nèi)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(jìn)行模擬，綜合多方面現(xiàn)實因素進(jìn)行考慮認(rèn)為，對嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵地埋管換熱器進(jìn)行設(shè)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(dá)到更高的平均COP和減小對土壤溫度場的影響.