基于建筑負荷特性的土壤源熱泵系統(tǒng)適用性研究
[摘 要] 本文提出了影響土壤源熱泵系統(tǒng)運行性能的兩個建筑負荷特性指標：建筑全年累計冷熱負荷比R和建筑峰值冷熱負荷比K，并針對寒冷氣候區(qū)一典型辦公建筑，計算了5種R值和2種K值條件下土壤源熱泵系統(tǒng)的地埋管進出口溫度、土壤溫度以及熱泵能效比的變化情況。分析得出了適用于土壤源熱泵系統(tǒng)的R值范圍為0.6~0.8，并給出了不同K值條件下地埋管換熱器的設(shè)計依據(jù)。
[關(guān)鍵詞] 土壤源熱泵系統(tǒng)，建筑全年累計冷熱負荷比，建筑峰值冷熱負荷比，土壤熱平衡，運行能效
1 引 言
土壤源熱泵系統(tǒng)作為一項建筑供暖空調(diào)節(jié)能技術(shù)近年來得到了廣泛地推廣應(yīng)用，但也出現(xiàn)了不少運行幾年后地埋管循環(huán)水溫度逐年升高或降低導(dǎo)致熱泵機組無法正常運行的項目，出現(xiàn)此類現(xiàn)象的主要原因是系統(tǒng)向土壤中的排熱量和吸熱量嚴重不平衡所致。土壤源熱泵系統(tǒng)的全年累計吸排熱量主要取決于建筑的全年累計冷熱負荷，這里基于建筑負荷對土壤源熱泵系統(tǒng)運行性能的影響提出了兩個建筑負荷特性指標：建筑全年累計冷熱負荷比（用符號R表示）和建筑峰值冷熱負荷比（用符號K表示）。分別定義為： R=∑（全年逐時冷負荷）/∑（全年逐時熱負荷）；K=最大冷負荷/最大熱負荷。
根據(jù)文獻1針對不同氣候區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)的適宜性研究，單一式土壤源熱泵系統(tǒng)在寒冷氣候區(qū)較其他氣候區(qū)更為適宜。因此，本文選取寒冷氣候區(qū)的一棟典型辦公建筑作為研究對象，采用專業(yè)軟件計算建筑的全年動態(tài)負荷，并與土壤熱物性參數(shù)、機組性能參數(shù)進行耦合計算，對土壤源熱泵系統(tǒng)連續(xù)運行多年的溫度工況及熱泵的能效比cop進行預(yù)測。首先針對北京地區(qū)典型建筑進行相同K值、不同R值的土壤源熱泵系統(tǒng)的計算，得出適用于土壤源熱泵系統(tǒng)的R值的范圍。其次針對西安地區(qū)進行土壤源熱泵系統(tǒng)的計算，并與北京地區(qū)進行比較，得出不同K值條件下地埋管換熱器的設(shè)計依據(jù)。研究結(jié)論可為建設(shè)人員在土壤源熱泵供暖空調(diào)系統(tǒng)的方案選擇和設(shè)計人員在地埋管換熱器的設(shè)計方法上給予一定的參考。
2 計算條件
2.1典型建筑及負荷計算
建筑面積為3000 m2，層高3 m，層數(shù)2層。統(tǒng)計外圍護結(jié)構(gòu)面積如表1所示。外圍護結(jié)構(gòu)熱物性參數(shù)、室內(nèi)環(huán)境設(shè)計參數(shù)、內(nèi)熱源相關(guān)參數(shù)及運行時間參照《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB500189-2005 表4.2.2-3和附錄B進行設(shè)置。
表1建筑外圍護結(jié)構(gòu)面積
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外墻
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面積m2
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外窗
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面積m2
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東墻
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118.26
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東窗
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16.27
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南墻
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478.7
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南窗
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200.4
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西墻
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118.26
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西窗
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16.72
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北墻
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478.7
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北窗
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135.96
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屋面
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1500
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采用TRNSYS軟件建立建筑動態(tài)負荷計算模型，并進行負荷計算。北京地區(qū)逐時負荷計算結(jié)果如圖1所示，西安地區(qū)逐時負荷計算結(jié)果如圖2所示。初次計算供暖期取為11月15日至次年3月15日，供冷期取為5月15日-9月15日。
圖1 北京典型建筑全年逐時冷熱負荷
圖2 西安典型建筑全年逐時冷熱負荷
表2 典型建筑冷熱負荷統(tǒng)計表
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冷負荷最大值/kW
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熱負荷最大值/kW
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全年累計冷負荷/kWh
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全年累計熱負荷/kWh
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K值
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R值
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北京
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203
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185
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117234
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108620
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1.10
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1.08
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西安
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201
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160
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116541
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85758
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1.26
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1.36
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2.2土壤熱物性參數(shù)的選取
本次研究采用TRNSYS軟件建立土壤源熱泵系統(tǒng)模型進行耦合計算，地埋管區(qū)域土壤選取砂土地質(zhì)條件，導(dǎo)熱系數(shù)取為1.9 W/(m·K)，容積比熱容為1940 kJ/(m3·K)，地表面以下100 m范圍內(nèi)土壤初始平均溫度為15 ℃。回填材料采用原漿回填。
3 不同R值地埋管溫度工況及熱泵cop的計算
3.1地埋管換熱器的計算
北京地區(qū)典型建筑的峰值冷負荷高于峰值熱負荷，并且相差不大，地埋管換熱器以滿足冬季熱負荷需求進行設(shè)計，參照文獻2條文4.3.5A：冬季運行期間，地埋管換熱器進口最低溫度宜高于4℃進行設(shè)計。將全年逐時負荷、土壤熱物性參數(shù)及熱泵的制冷制熱性能參數(shù)輸入計算模型，計算的地埋管換熱器參數(shù)為：采用DN25雙U型高密度聚乙烯PE管，鉆孔間距為5 m、鉆孔深度為100 m，地埋管換熱器鉆孔數(shù)量為37個。第一年地埋管進、出口溫度、土壤溫度以及熱泵COP的運行工況如圖3所示，冬季地埋管進口最低溫度為4.4℃，夏季地埋管出口最高溫度為29.3℃，運行1年后土壤的溫度上升至16.2℃，說明地埋管的全年累計排熱量高于累計吸熱量。
圖3 運行第一年地埋管及土壤的溫度及熱泵COP
3.2地埋管溫度工況及熱泵cop的計算
通過調(diào)整夏季制冷系統(tǒng)開啟時間和結(jié)束時間來得到不同的建筑累計冷熱負荷比例，使R值分別達到0.9、0.8、0.7和0.6。計算五種R值的土壤源熱泵系統(tǒng)運行15年的溫度工況如圖4~圖8所示。
圖4 R=1.08時運行15年地埋管及土壤的溫度及熱泵COP
圖5 R=0.9時運行15年地埋管及土壤的溫度及熱泵COP
圖6 R=0.8時運行15年地埋管及土壤的溫度及熱泵COP
圖7 R=0.7時運行15年地埋管及土壤的溫度及熱泵COP
圖8 R=0.6時運行15年地埋管及土壤的溫度及熱泵COP
表2 不同R值條件下土壤源熱泵系統(tǒng)的溫度工況統(tǒng)計表
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建筑全年累計冷熱負荷比
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第1年
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第15年
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地埋管出口最高溫度/℃
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地埋管出口最低溫度/℃
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地埋管出口最高溫度/℃
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地埋管出口最低溫度/℃
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土壤終溫
/℃
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1.08
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29.0
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7.5
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34.3
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12.5
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20.5
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0.9
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29.0
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7.5
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32.2
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10.6
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18.4
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0.8
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28.8
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7.5
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31
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9.6
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17.4
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0.7
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28.7
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7.5
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30
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8.6
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16.3
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0.6
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28.6
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7.5
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29
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7.8
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15.3
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由表2可以看出，運行至第15年，R為1.08和0.9時，地埋管夏季出口溫度均高于冷卻塔的溫度工況，土壤溫度分別上升了5.5℃和3.4℃；R為0.8時，地埋管夏季出口溫度低于冷卻塔的溫度工況，即地埋管散熱優(yōu)于冷卻塔散熱，土壤溫度上升了2.4℃；R為0.7時，地埋管夏季出口溫度均低于熱泵夏季制冷額定工況，熱泵運行期間均可實現(xiàn)高效運行，土壤溫度上升了1.3℃；R為0.6時，土壤的吸、排熱基本實現(xiàn)了完全平衡，土壤溫度僅上升了0.3℃。
根據(jù)計算結(jié)果，還可以看出土壤源熱泵系統(tǒng)向土壤中的排熱量高于吸熱量，地埋管循環(huán)水溫度逐年升高，冬季制熱熱泵COP逐年升高，耗功減少；夏季制冷熱泵COP逐年下降，耗功增加。即土壤溫度的升高對夏季運行不利，但對冬季運行有利。因此，在實際工程應(yīng)用中并不要求向土壤中的吸排熱量達到完全平衡，文獻4認為這種不平衡率在20%以內(nèi)，就不會出現(xiàn)土壤源熱泵系統(tǒng)運行工況極端惡化的現(xiàn)象。
本文從兩方面分析這個問題，首先應(yīng)保證土壤溫度不應(yīng)有較大的變化，連續(xù)運行15年工況穩(wěn)定后，土壤溫度高于初始溫度不宜超過3℃。其次應(yīng)保證熱泵在冬季運行工況逐年變好的同時，夏季運行工況應(yīng)始終保持優(yōu)于冷卻塔的運行工況。綜合土壤溫升和機組運行能效兩方面因素，建議適合采用土壤源熱泵系統(tǒng)的R值范圍為0.6~0.8。
4不同K值地埋管溫度工況的計算
根據(jù)第2節(jié)的負荷計算結(jié)果，西安地區(qū)典型建筑的K值高于北京地區(qū)。調(diào)整西安地區(qū)制冷系統(tǒng)的開啟時間使西安典型建筑的R值為0.8，選取2種不同的計算依據(jù)進行地埋管換熱器設(shè)計參數(shù)及地埋管溫度工況的計算。方案1為冬季第一年運行地埋管進口最低溫度不低于4℃，方案2為夏季第一年運行地埋管出口最高溫度不高于30℃，限于篇幅這里僅給出計算結(jié)果，如表3所示。
表3 2種方案的土壤源熱泵系統(tǒng)的地埋管數(shù)量及溫度工況統(tǒng)計表
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R=0.8
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地埋管換熱器鉆孔數(shù)量
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第1年
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第15年
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地埋管出口最高溫度/℃
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地埋管出口最低溫度/℃
|
地埋管出口最高溫度/℃
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地埋管出口最低溫度/℃
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土壤終溫
/℃
|
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方案1
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32
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31.8
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8.2
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34
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10.2
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17.3
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方案2
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36
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29.6
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8.9
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31.7
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10.9
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17.2
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注：地埋管換熱器的其它參數(shù)同北京地區(qū)。
根據(jù)表2和表3可以看出，當(dāng)R值為0.8時，同樣以冬季地埋管進口最低溫度不低于4℃為地埋管換熱器的設(shè)計依據(jù)，K值為1.10的北京地區(qū)可實現(xiàn)熱泵連續(xù)15年高效運行，K值為1.26的西安地區(qū)第二年地埋管出口最高溫度便超過了32℃，無法實現(xiàn)熱泵連續(xù)高效運行。當(dāng)以第一年地埋管出口最高溫度不高于30℃為依據(jù)進行地埋管換熱器計算時，西安地區(qū)第15年地埋管出口最高溫度未超過32℃，優(yōu)于冷卻塔工況，可實現(xiàn)熱泵持續(xù)高效運行。
5 結(jié) 論
本文通過對寒冷氣候區(qū)一典型辦公建筑在不同的建筑負荷特性指標下土壤源熱泵系統(tǒng)的地埋管溫度工況及熱泵cop的計算，得出了適用于土壤源熱泵系統(tǒng)的建筑負荷特性指標值的范圍及地埋管換熱器的設(shè)計依據(jù)。
1）當(dāng)建筑累計冷熱負荷比為0.6時，土壤源熱泵系統(tǒng)向土壤中的吸熱量和排熱量基本可實現(xiàn)完全平衡，地埋管進、出口溫度及土壤溫度工況最為穩(wěn)定。
2）土壤溫度的升高使得夏季熱泵制冷COP下降，但冬季熱泵制熱COP上升，因此并不要求土壤源熱泵系統(tǒng)向土壤中的吸、排熱量實現(xiàn)完全平衡。
3）綜合考慮土壤溫升和熱泵的運行能效兩方面因素，得出了適用于土壤源熱泵系統(tǒng)的建筑的全年累計冷熱負荷比范圍為0.6~0.8。
4）建筑的全年累計冷熱負荷比在適宜的范圍內(nèi)，當(dāng)峰值冷熱負荷比大于1.1時，建議地埋管換熱器以滿足夏季冷負荷需求進行設(shè)計，第一年地埋管出口最高溫度不超過30℃。設(shè)計人員也可根據(jù)具體項目的負荷特性，以初投資和運行費用相結(jié)合的綜合效益指標最低為原則來選取地埋管出口的最高溫度值。
5）當(dāng)建筑的R值大于0.8（或小于0.6）時，可考慮采用增加輔助冷源（或輔助熱源）的復(fù)合式土壤源熱泵系統(tǒng)，應(yīng)通過經(jīng)濟計算來確定。
6）由于不同廠家熱泵機組的性能系數(shù)會有一定差別，并且土壤中的含水量及流動速度對土壤的溫升有一定影響。因此，在項目設(shè)計階段應(yīng)進行建筑全年動態(tài)負荷計算，根據(jù)所選機組的性能系數(shù)以及當(dāng)?shù)氐耐寥罒嵛镄詤?shù)，進行耦合設(shè)計計算，以確保土壤源熱泵的持續(xù)高效運行。
參考文獻
[1]土壤源熱泵技術(shù)適宜性研究報告. 十一五課題“水源地源熱泵高效應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”，2010.
[2] 中國建筑科學(xué)研究院. GB50189-2005, 公共建筑節(jié)能設(shè)計標準, 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.
[3] 中國建筑科學(xué)研究院. GB 50366-2005，地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S]. 2009年版，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.
[4]何雪冰，丁勇，劉憲英．地源熱泵埋管換熱器傳熱模型及其應(yīng)用．重慶建筑大學(xué)學(xué)報．2004，26(2).