天津地區(qū)某地源熱泵系統(tǒng)土壤溫度場的分析與運(yùn)行可行性研究

□文/周大智

天津地區(qū)某地源熱泵系統(tǒng)土壤溫度場的分析與運(yùn)行可行性研究

□文/周大智

以一建筑底板下埋管的土壤源熱泵系統(tǒng)為例，針對該系統(tǒng)在熱響應(yīng)試驗(yàn)工況下長期運(yùn)行對土壤溫度場的影響作了定量研究并從理論上計(jì)算了地源側(cè)吸放熱的不平衡率。考慮到該系統(tǒng)實(shí)際場地面積和施工現(xiàn)場狀況的限制，利用eQUEST和TRNSYS模擬軟件對該系統(tǒng)改變地埋管埋深、井間距和回填材料并運(yùn)行20 a的土壤平均溫度和機(jī)組COP變化進(jìn)行了模擬。

底板；埋管；地源熱泵；土壤；溫度場

地源熱泵系統(tǒng)是一種能通過輸入少量高位能量而實(shí)現(xiàn)將低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比，它具有更高的COP值，可以大大減少建筑空調(diào)系統(tǒng)的能耗，但由于地埋管換熱器的全年冷熱負(fù)荷并不平衡，往往會(huì)引起冷量或熱量在地下積累，造成土壤溫度的不斷下降或上升。因此對于地源熱泵系統(tǒng)土壤溫度場的研究極為重要。

1　項(xiàng)目概況

某辦公建筑地上9層、地下2層，建筑高度為45.89m，地上建筑面積為25 300 m2。建筑內(nèi)首層、二層大部分區(qū)域?yàn)殚_敞接待辦公區(qū)，三層中心近650 m2挑空至頂層，為咖啡休閑區(qū)，屋面覆蓋光伏玻璃。三層及以上各層均圍繞中庭設(shè)置小開間辦公室。地下二層為人防區(qū)域，地下室范圍緊貼用地紅線。該建筑以土壤源熱泵系統(tǒng)為冷熱源，建筑底板下樁間豎直埋管。該項(xiàng)目充分利用了可再生能源，為最大限度的實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保起著重要作用，而且還創(chuàng)新性的采用了底板下樁間埋管以克服建筑占地面積不足的問題。該建筑擬申報(bào)為三星級綠色建筑并為其他項(xiàng)目的實(shí)施和相關(guān)問題的解決做出嘗試、積累經(jīng)驗(yàn)。

2　全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算

為方便進(jìn)行對地源側(cè)吸放熱平衡的計(jì)算并有效簡化下文的TRNSYS土壤源熱泵系統(tǒng)模型，減少模擬計(jì)算時(shí)間，首先利用eQUEST軟件模擬計(jì)算建筑供冷、供熱季的動(dòng)態(tài)逐時(shí)負(fù)荷。

2.1eQUEST模擬軟件介紹

以DOE-2為計(jì)算內(nèi)核，通過輸入氣象資料、室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、空調(diào)系統(tǒng)形式等，建立時(shí)間表后即可得出全年逐時(shí)負(fù)荷和能耗。

2.2建筑模型的建立

以辦公樓為目標(biāo)建筑建立模型，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。北向窗墻比為0.49，南向窗墻比為0.50，東西向窗墻比為0.43，室外計(jì)算參數(shù)按天津氣象參數(shù)設(shè)置，室內(nèi)各房間設(shè)計(jì)溫濕度以及人員、照明、設(shè)備使用時(shí)間依據(jù)DB 29-153—2010《天津市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》取值。冷熱源為2臺(tái)螺桿式地源熱泵冷熱水機(jī)組，單臺(tái)制冷量為1196kW，制熱量為950kW。主機(jī)夏季供回水溫度為7～12℃，冬季供回水溫度為45～40℃。地源側(cè)夏季進(jìn)出水溫度為25～30℃，冬季進(jìn)出水溫度為9.5～6℃。夏季空調(diào)運(yùn)行時(shí)間為5月15日—10月15日，冬季空調(diào)運(yùn)行時(shí)間為11月1日—3月31日，使用時(shí)間均為8：00—20：00。用戶側(cè)單臺(tái)循環(huán)水泵流量為216 m3/h，揚(yáng)程為34 m；地源側(cè)單臺(tái)循環(huán)水泵流量為256m3/h，揚(yáng)程為32m。

表1　圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法

通過對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)和空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，建立eQUEST建筑模型，見圖1。

圖1　eQUEST建筑模型

2.3全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

經(jīng)模擬計(jì)算，得全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷見圖2。將冷負(fù)荷及熱負(fù)荷分別累加并乘以小時(shí)數(shù)，得出夏季全年耗冷量為2.53×106kW·h，冬季全年耗熱量為3.32×106kW·h。

圖2　全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷

3　吸放熱不平衡率分析

3.1地源側(cè)年放熱量計(jì)算

夏季向地源側(cè)的總放熱量包括機(jī)組、水泵的釋熱及輸送過程中的得熱量，可用式（1）表示

式中：Qs為夏季地源側(cè)總放熱量，kW·h；Qus為機(jī)組釋熱量，kW·h；Qts為輸送過程得熱量，kW·h；Qps為水泵釋熱量，kW·h。

其中，機(jī)組釋熱量可按式（2）計(jì)算

式中：Qus為機(jī)組釋熱量，kW·h；Qc為夏季全年耗冷量，kW·h；EER為熱泵機(jī)組制冷工況下的性能系數(shù)。

輸送過程的熱量取機(jī)組釋熱量的1%，水泵釋熱量則通過計(jì)算由于水溫升形成的負(fù)荷附加率[1]得出

式中：α為水泵負(fù)荷附加率；H為水泵揚(yáng)程，m；η為水泵效率；th為回水溫度，℃；tg為供水溫度，℃。

表2列出了各計(jì)算參數(shù)。

表2　地源側(cè)年放熱量計(jì)算參數(shù)

將表2中參數(shù)代入式（1）～式（5），得該土壤源熱泵系統(tǒng)年放熱量為3.03×106kW·h。

3.2地源側(cè)年吸熱量計(jì)算

冬季從地源側(cè)的吸熱量包括機(jī)組的吸熱，輸送過程的失熱，折減水泵的放熱量。用式（6）表示

式中：Qw為冬季地源側(cè)總吸熱量，kW·h；Qh為冬季全年耗熱量，kW·h；COP為熱泵機(jī)組制熱工況下的性能系數(shù)；Qtw為輸送過程失熱量，kW·h；Qpw為水泵釋熱量，kW·h。

冬季全年耗熱量為3.55×106kW，熱泵機(jī)組制熱工況下性能系數(shù)為4.6，與年放熱量計(jì)算類似，將各參數(shù)代入式（6），得該土壤源熱泵系統(tǒng)年吸熱量為2.73×106kW·h。

3.3不平衡率計(jì)算

土壤吸放熱不平衡率可按式（7）計(jì)算

式中：i為土壤吸放熱不平衡率，%；Qs為夏季地源側(cè)總放熱量，kW·h；Qw為冬季地源側(cè)總吸熱量，kW·h。

將源側(cè)總放熱量和吸熱量代入式（7），i為10.99%，根據(jù)規(guī)范和實(shí)際工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，熱不平衡率＜20%時(shí)，系統(tǒng)可長期穩(wěn)定運(yùn)行。

4　熱響應(yīng)試驗(yàn)工況下運(yùn)行20 a對土壤溫度場影響

為獲取土壤初始溫度和設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的理論換熱量值，進(jìn)行熱響應(yīng)試驗(yàn)。試驗(yàn)測得，土壤初始溫度為16.3℃，導(dǎo)熱系數(shù)為1.64W/(m·K)。地源側(cè)埋管采用閉式雙U管，埋深120 m，埋管間距為4.2 m，井徑為250 mm，所使用的回填材料為膨潤土、水泥和細(xì)砂的混合漿，導(dǎo)熱系數(shù)為1.55W/(m·K)。

為研究該地源熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行后對土壤溫度場的影響，針對該系統(tǒng)在熱響應(yīng)試驗(yàn)工況下，利用TRN-SYS模擬軟件對系統(tǒng)運(yùn)行20a的土壤平均溫度進(jìn)行模擬。

4.1TRNSYS模擬軟件介紹

文中所使用的TRNSYS Simulation Studio系統(tǒng)包含若干個(gè)不同的模塊，每個(gè)模塊都代表一個(gè)系統(tǒng)或有特定的功能，將這些模塊進(jìn)行合理的連接并輸入相對應(yīng)的參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的分析。

4.2TRNSYS模擬模型建立

經(jīng)eQUEST模擬軟件導(dǎo)出逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果后，再通過TRN-SYS軟件中的Data Reader模塊導(dǎo)入到TRNSYS系統(tǒng)中模擬計(jì)算，在Simulation Studio中建立的土壤源熱泵系統(tǒng)見圖3。

圖3　土壤源熱泵系統(tǒng)

4.3系統(tǒng)運(yùn)行對土壤溫度場影響分析

經(jīng)TRN-SYS軟件模擬，得到該地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行20 a的地埋管區(qū)域土壤平均溫度變化曲線，見圖4。

圖4　土壤平均溫度隨運(yùn)行時(shí)間變化

從圖4可以看出，隨著土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長，土壤平均溫度逐漸升高。第一年冬季采暖期，土壤平均溫度從16.30℃下降到15.32℃，過渡季土壤溫度緩慢回升至15.36℃，到5月15日進(jìn)入夏季供冷期，系統(tǒng)開始向土壤排熱，至10月15日供冷期結(jié)束，土壤溫度上升至17.82℃。該系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行20 a后，地埋管區(qū)域的土壤平均溫度從16.30℃上升到22.45℃，升高了6.15℃，而且在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，土壤平均溫度變化逐漸趨于平緩，說明該地源熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行對土壤溫度場的影響尚在良好運(yùn)行的控制溫度范圍內(nèi)。

5　底板下埋管的特殊性對土壤溫度場和機(jī)組性能系數(shù)影響的研究

由于本辦公建筑地下室外圍緊貼用地紅線，沒有場地埋管的條件。采用底板下埋管有水平埋管和豎直埋管兩種形式可供選擇。用地紅線內(nèi)面積為15 594.1 m2，難以滿足水平埋管對換熱面積的需求，故考慮采用底板下豎直埋管的方式。為盡量減少對樁的擾動(dòng)，將每口換熱井設(shè)置于4根樁圍成的四邊形中間部位，即采用樁間埋管。前文所提到的地埋管埋深、井間距以及回填材料是根據(jù)場地?zé)犴憫?yīng)試驗(yàn)所作的模擬分析，然而實(shí)際現(xiàn)場環(huán)境卻稍有不同，局部地埋管埋深、井間距以及回填材料根據(jù)實(shí)際施工現(xiàn)場情況作了調(diào)整，為研究其對土壤溫度場的影響，本文進(jìn)行了對比分析。

5.1減小地埋管埋深對土壤溫度場影響

根據(jù)施工現(xiàn)場情況，最后20 m耗時(shí)耗工嚴(yán)重，故本文對埋深減小到100 m之后運(yùn)行該地源熱泵系統(tǒng)對土壤溫度場的影響作了模擬分析，見圖5。

圖5　減小地埋管埋深對土壤溫度場影響

從圖5可以看出，當(dāng)井深降到100 m時(shí)，土壤溫度會(huì)緩慢上升，當(dāng)該系統(tǒng)運(yùn)行20 a之后，土壤平均溫度從16.3℃上升到23.07℃，與熱響應(yīng)試驗(yàn)工況比，最終土壤溫度上升0.62℃，對土壤溫度場影響顯著。

5.2減小井間距對土壤溫度場影響

由于受到場地面積的限制，打井?dāng)?shù)量受限，為研究是否可以通過減小井間距來換取更多的打井?dāng)?shù)量，本文對井間距減小到3.5 m之后運(yùn)行該地源熱泵系統(tǒng)對土壤溫度場的影響作了模擬分析，見圖6。

圖6　減小井間距對土壤溫度場影響

從圖6可以看出，當(dāng)井間距減小到3.5 m時(shí)，土壤溫度有了明顯的上升。運(yùn)行20 a之后，土壤平均溫度從16.3℃上升到23.80℃，與熱響應(yīng)試驗(yàn)工況比，最終土壤溫度上升1.35℃。顯然降低井間距也加大了土壤溫升，但升幅也在7.5℃左右，對土壤溫度場影響顯著。

5.3改變回填材料對土壤溫度場影響

由于受到地下水位的影響，回填材料實(shí)際使用的是中砂，其導(dǎo)熱系數(shù)為1.47W/(m·K)。本文對改變回填材料之后運(yùn)行該地源熱泵系統(tǒng)對土壤溫度場的影響作了模擬分析，見圖7。

從圖7可以看出，改變回填材料之后，土壤平均溫度從16.3℃上升到22.58℃，與熱響應(yīng)試驗(yàn)工況比，最終土壤溫度上升0.13℃。雖然地埋管換熱能力會(huì)受到回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，但由于回填材料僅僅是傳熱的中間介質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)的改變在一定范圍內(nèi)對地埋管換熱器換熱能力的影響是有限的。因此使用中砂后，回填材料導(dǎo)熱系數(shù)從原來的1.55 W/(m·K)降為1.47 W/(m·K)，土壤溫度雖有上升，但尚在長期穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)。

5.4底板下埋管特殊性對機(jī)組性能系數(shù)影響

該系統(tǒng)能否滿足正常使用功能，除了要對土壤溫度場的變化進(jìn)行研究，還需對機(jī)組性能系數(shù)變化進(jìn)行分析。土壤溫度的上升主要會(huì)影響機(jī)組夏季制冷工況的性能系數(shù)，而且冬季性能系數(shù)還會(huì)有少量的增加。因此本節(jié)主要對該地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行20 a的夏季制冷工況下機(jī)組COP進(jìn)行了對比分析，見圖8。

圖8　底板下埋管特殊性對機(jī)組制冷工況下COP影響

從圖8可以看出，在機(jī)組連續(xù)運(yùn)行20 a之后，機(jī)組制冷工況下COP從5.86緩慢下降到了4.84，降低了1.02。減小地埋管埋深和減小井間距對機(jī)組COP影響較大，第一年機(jī)組COP分別降至5.10和5.47，運(yùn)行20 a后，機(jī)組COP降至4.47和4.51。改變回填材料則相對前兩者影響較小，COP從5.71降為4.76。

6　結(jié)論

本文以該建筑底板下埋管地源熱泵系統(tǒng)為例，經(jīng)模擬計(jì)算分析，土壤吸放熱不平衡率為10.99%，系統(tǒng)運(yùn)行20 a后，土壤平均溫度升高6.15℃，機(jī)組夏季制冷性能系數(shù)降低1.02，說明該地源熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行，土壤平均溫度和機(jī)組性能系數(shù)均變化比較平緩且對土壤溫度場的影響也在允許范圍內(nèi)，所以該地源熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行是可行的。

由于受到場地面積和實(shí)際施工現(xiàn)場狀況的限制，地埋管埋深、井間距和回填材料均有所變化。本文針對該底板下埋管的特殊性作了對比分析，研究表明：

1）地埋管埋深從120 m減小到100 m，土壤平均溫度較熱響應(yīng)試驗(yàn)工況下增加，而且會(huì)極大降低機(jī)組制冷能力，故應(yīng)確保埋管深度120m；

2）井間距從4.2 m減小到3.5 m，不僅對土壤溫度場的影響較大，而且也會(huì)顯著影響機(jī)組的制冷性能，故在實(shí)際施工中應(yīng)盡量避免為增加打井?dāng)?shù)量而一味減小井間距；

3）回填材料由膨潤土、水泥和細(xì)砂的混合漿改為中砂，導(dǎo)熱系數(shù)從1.55 W/(m·K)降為1.47 W/(m·K)，對土壤溫度場和機(jī)組性能系數(shù)的影響均在可接受的范圍內(nèi)，為保證結(jié)構(gòu)安全及施工進(jìn)度可將回填材料變?yōu)橹猩?，但?yīng)保證回填密實(shí)。

[1]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.02.002

□TU83

□C

□1008-3197（2015）02-03-04

□2015-03-16

□周大智/男，1962年出生，高級工程師，天津市安居工程辦公室，從事大型工程實(shí)施組織管理工作。