土壤源熱泵系統(tǒng)土壤熱平衡的評價方法研究

呂 超　鄭茂余

(1 浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院　杭州　310018；2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院　哈爾濱　150090)

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土壤源熱泵系統(tǒng)土壤熱平衡的評價方法研究

呂 超1鄭茂余2

(1 浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院杭州310018；2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院哈爾濱150090)

土壤源熱泵；土壤熱平衡；評價方法；年熱平衡率；輔助冷熱源

地源熱泵(ground-source heat pump，GSHP)是以溫度較為穩(wěn)定的淺層地表作為熱源或熱匯的熱泵，是一種高效節(jié)能的能源利用技術(shù)?？煞譃槿N形式：土壤源熱泵(ground-coupled heat pump，GCHP)，地表水源熱泵和地下水源熱泵。其中，利于環(huán)保的GCHP技術(shù)被認(rèn)為是當(dāng)今世界最具發(fā)展前景的空調(diào)技術(shù)之一。

要使GCHP系統(tǒng)能夠長期高效的運(yùn)行，需要保持土壤以年為周期的熱平衡。我國地域遼闊，不同氣候區(qū)內(nèi)的冷暖程度相差很大，僅依靠GCHP系統(tǒng)就能維持土壤熱平衡的區(qū)域十分有限。對于熱負(fù)荷大于冷負(fù)荷的北方地區(qū)，需要輔助熱源向土壤中補(bǔ)充熱量，如利用太陽能，即太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)；對于冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷的南方地區(qū)，需要輔助冷源向土壤中補(bǔ)充冷量，如利用冷卻塔或蓄冷裝置。有學(xué)者將這種系統(tǒng)稱為混合地源熱泵系統(tǒng)[1]。

目前，針對GCHP及其相關(guān)的混合系統(tǒng)的研究是建筑節(jié)能和暖通空調(diào)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題，國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了廣泛深入的研究，主要集中在土壤換熱器的理論和模型、地下溫度場的模擬、回填材料的選取、設(shè)計(jì)和模擬軟件的開發(fā)、蓄熱蓄冷技術(shù)、系統(tǒng)的設(shè)備匹配和運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)的熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)分析等方面[2-5]。而對于土壤熱平衡問題，其重要性已經(jīng)逐漸被意識到，并進(jìn)行了一定程度的研究，如影響土壤熱平衡的因素(冬夏累計(jì)負(fù)荷比、埋管間距、埋管深度、土壤導(dǎo)熱系數(shù)、回填料導(dǎo)熱系數(shù)等)[6]、土壤熱失衡的解決措施(調(diào)整室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、適當(dāng)增大地埋管間距、將多余的熱量或冷量進(jìn)行利用、添加輔助冷熱源等)[7-9]。但如何定量計(jì)算熱平衡的程度、某一系統(tǒng)運(yùn)行時土壤熱平衡狀況如何、系統(tǒng)適用于哪些地區(qū)、在一個地區(qū)怎樣根據(jù)土壤熱平衡來設(shè)計(jì)高效的系統(tǒng)，目前還沒有一個便于實(shí)際工程使用、指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的土壤熱平衡評價方法。

不論是單純的GCHP系統(tǒng)，還是添加輔助冷熱源的GCHP系統(tǒng)，都需要深入研究土壤熱平衡的評價方法，并對系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，來保持土壤以年為周期的熱平衡，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。下面以實(shí)際系統(tǒng)為例，著重分析添加輔助熱源的土壤源熱泵系統(tǒng)(太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng))的土壤熱平衡問題。

1 系統(tǒng)簡介

文獻(xiàn)[10-11]詳細(xì)介紹了嚴(yán)寒地區(qū)太陽能-土壤源熱泵供熱供冷示范工程，給出了系統(tǒng)的組成和運(yùn)行原理，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了系統(tǒng)的實(shí)際供熱供冷效果、土壤溫度變化規(guī)律以及系統(tǒng)熱量的利用等問題。

示范樓于2007年秋季在哈爾濱建成，共3層外加閣樓，為獨(dú)立式住宅，占地面積165 m2，供熱供冷面積為496 m2。系統(tǒng)主要由4個子系統(tǒng)組成，分別為太陽能集熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組、地下土壤換熱系統(tǒng)和地板輻射供熱供冷系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)利用太陽能集熱器和土壤換熱器(ground heat exchanger，GHE)將春、夏、秋三季的太陽能蓄存到土壤之中，在冬季用土壤源熱泵將熱量取出對建筑進(jìn)行供熱，太陽能也能夠在冬季晴好的白天進(jìn)行直接供熱，實(shí)現(xiàn)利用全年的太陽能。另外，由于冬季取熱使土壤溫度降低，使得土壤可在夏季作為自然冷源進(jìn)行直接供冷。本文將此系統(tǒng)命名為太陽能季節(jié)性蓄熱土壤源熱泵(ground-coupled heat pump with solar seasonal heat storage，GCHPSSHS)系統(tǒng)。該示范樓全年逐月累計(jì)冷、熱負(fù)荷如圖2所示。

太陽能集熱器采用自行研制的高效平板太陽能集熱器，價格為450 元/m2。集熱器安裝于屋頂，正南方向布置，傾角為60°，總集熱面積50 m2。單位集熱器面積全年逐月累計(jì)集熱量如圖3所示，其中夏季6月、7月和8月的累計(jì)集熱量相對春秋季節(jié)要小，是因?yàn)樘柲軉訙囟仍O(shè)定的值不同，在蓄熱季的6～8月設(shè)為30 ℃，在蓄熱季的其它時間設(shè)為25 ℃，在供熱季設(shè)為24 ℃。

SC太陽能集熱器 GHE1,GHE2土壤換熱器 HP熱泵RF輻射地板 PHE1,PHE2板式換熱器 ET膨脹水箱 P1,P2,P3,P4循環(huán)泵圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the system

圖2 示范樓全年逐月累計(jì)冷、熱負(fù)荷Fig.2 Monthly accumulative cooling and heating load of the demonstration building

圖3 單位集熱器面積全年逐月累計(jì)集熱量Fig.3 Monthly accumulative heat quantity collected by unit collector area

土壤換熱器由12根垂直單U型管組成，采用高密度聚乙烯(HDPE)管，每根埋管深度為50 m，布置在建筑物正下方。鉆孔成本300 元/個，埋管成本600 元/個，鉆孔成本較低是由于采用小施工隊(duì)的小型設(shè)備進(jìn)行鉆孔，價格幾乎是成本價。當(dāng)通過土壤換熱器取熱時，單位埋深換熱量約為14 W/m；當(dāng)土壤換熱器向土壤中蓄熱時，單位埋深換熱量約為24 W/m。該示范樓當(dāng)?shù)氐叵峦寥莱跏紲囟燃s為5.4 ℃。

GCHPSSHS系統(tǒng)選定以下4種運(yùn)行模式：太陽能土壤蓄熱、太陽能直接供熱、土壤源熱泵供熱、土壤冷源直接供冷。系統(tǒng)進(jìn)行了以年為周期的蓄熱、供熱、供冷實(shí)驗(yàn)，并測試了連續(xù)運(yùn)行3年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)保持長期穩(wěn)定運(yùn)行，且高效節(jié)能，可以滿足嚴(yán)寒地區(qū)(如哈爾濱)獨(dú)立建筑的供熱供冷需求。

該系統(tǒng)初投資為90000元，年運(yùn)行費(fèi)用為3807元，年度化成本為10062元，大大低于其它常規(guī)供暖空調(diào)方式，說明該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)價值很高[12]。

2 土壤熱平衡的評價方法

2.1 土壤熱平衡方程

由于環(huán)境對土壤的熱作用以年為周期變化，可認(rèn)為總的熱作用為零，所以影響土壤熱平衡的主要是蓄熱和取熱的作用。以埋管周圍土壤作為控制體，由于控制體邊界非絕熱，當(dāng)向土壤中蓄熱或從土壤中取熱時，控制體與外界土壤之間也存在熱量的進(jìn)出，這樣可以列出控制體的熱平衡方程：

Qin-Qdi-Qex+Qas=ΔEg

(1)

式中：Qin為輸入土壤總熱量，包括太陽能蓄熱量Qst和供冷排熱量Qco，即Qin=Qst+Qco，kW·h；Qex為熱泵取熱量，kW·h；Qdi為蓄熱時的熱損失，即控制體流向外界的熱量，kW·h；Qas為取熱時的熱補(bǔ)償，即外界流向控制體的熱量，kW·h；ΔEg為土壤控制體的內(nèi)能變化，kW·h。

所謂的土壤以年為周期的熱平衡，就是指土壤在經(jīng)歷一年的吸熱放熱之后，土壤溫度基本保持不變，即ΔEg基本為零。如果內(nèi)能略有增加，就會提高土壤的溫度，從而使熱泵供熱的效果更好；如果內(nèi)能增加的過多，由于熱泵自身的特性，COP不會無限制的提高，而且蓄熱熱損失也會更大，多耗費(fèi)的蓄熱的電量得不到相應(yīng)的更好的供熱效果；如果內(nèi)能減小，土壤的溫度就會隨之降低，這就會導(dǎo)致熱泵的蒸發(fā)溫度降低，使供熱效果變差。綜上所述，應(yīng)使ΔEg約等于零。

如果用Qgl表示蓄熱和取熱總的熱損失，即Qgl=Qdi-Qas，則在土壤保持以年為周期的熱平衡時，式(1)可以表示為：

Qin-Qex-Qgl≈0

(2)

在北方地區(qū)，由于環(huán)境(空氣、土壤)溫度較低，且季節(jié)性蓄熱的時間跨度較大、距離冬季取熱的時間也較長，這就會使得蓄熱的熱損失要遠(yuǎn)大于取熱的熱補(bǔ)償，二者總的作用效果Qgl應(yīng)為正值?？梢远x有效輸入土壤總熱量Qef和熱損失率Δgl分別為：

Qef=Qin-Qgl

(3)

(4)

2.2 土壤年熱平衡率

將取熱量Qex與輸入土壤總熱量Qin的比值定義為土壤年熱平衡率Δg，即：

(5)

(6)

(7)

對于GCHPSSHS系統(tǒng)，在滿足建筑冷熱負(fù)荷要求的情況下，有如下關(guān)系式：

Qh=Qhp+Qso=Qex+Whp+Qso

(8)

Qc=Qco

(9)

式中：Qh為建筑的熱負(fù)荷，kW·h；Qc為建筑的冷負(fù)荷，kW·h；Qhp為熱泵供熱量，kW·h；Qso為太陽能供熱量，kW·h；Whp為熱泵供熱耗電量，kW·h。

將式(8)和式(9)分別代入式(6)和式(7)，可得：

(10)

(11)

土壤年熱平衡率Δg可作為衡量土壤熱平衡的指標(biāo)，主要有以下兩方面的應(yīng)用：根據(jù)年熱平衡率Δg的范圍來評價得出GCHPSSHS系統(tǒng)的適用地區(qū)；對于某一個地區(qū)，以年熱平衡率Δg的范圍作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)時的控制條件，從而設(shè)計(jì)出能夠保持土壤熱平衡的高效系統(tǒng)。

3 實(shí)例計(jì)算及應(yīng)用

3.1 土壤年熱平衡率的實(shí)例計(jì)算

文獻(xiàn)[11]根據(jù)3年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出GCHPSSHS系統(tǒng)的土壤年周期溫變不大，所以土壤保持了以年為周期的熱平衡，即實(shí)際向土壤輸入的熱量與從土壤中取出的熱量在長期應(yīng)該大致相等。由于蓄熱時間周期較長，必然會有一定的熱損失。本系統(tǒng)在蓄熱前進(jìn)行了短期的供熱實(shí)驗(yàn)，從土壤中取熱有利于之后的蓄熱，可使向周圍土壤擴(kuò)散的熱損失率不至于過高。表1給出了3年的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，可以看出，3年的總?cè)崃縌ex為49258 kW·h，3年的輸入土壤總熱量Qin為61261 kW·h，兩者之比為0.8，則可認(rèn)為熱損失率Δgl為20%。另外可以看出，系統(tǒng)的供冷排熱量很小，不到取熱量的10%，這說明向土壤蓄熱是十分必要的。

表1 3年的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

3.2 土壤年熱平衡率的應(yīng)用

下面介紹如何利用年熱平衡率評價GCHPSSHS系統(tǒng)的地區(qū)適用性。

系統(tǒng)的運(yùn)行采用動態(tài)模擬軟件TRNSYS進(jìn)行計(jì)算，所建立的GCHPSSHS系統(tǒng)計(jì)算模型的正確性已經(jīng)得到了示范工程測試數(shù)據(jù)的驗(yàn)證[14]。以下內(nèi)容的具體計(jì)算過程將在后續(xù)文章中予以詳細(xì)闡述，本文只給出計(jì)算方法和結(jié)果，來說明年熱平衡率在計(jì)算系統(tǒng)的地區(qū)適用性時的應(yīng)用方法。

由于GCHPSSHS系統(tǒng)屬于添加輔助熱源的土壤源熱泵系統(tǒng)，所以其適用于熱負(fù)荷大于冷負(fù)荷的北方地區(qū)?！秶?yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》將我國北方的嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)分成5個氣候子區(qū)，即嚴(yán)寒A區(qū)、嚴(yán)寒B區(qū)、嚴(yán)寒C區(qū)、寒冷A區(qū)和寒冷B區(qū)。本文選取海拉爾、哈爾濱、沈陽、敦煌和北京分別作為這5個氣候子區(qū)的代表城市進(jìn)行研究。

由于不同地區(qū)的影響因素(如氣候條件)不同，所以熱平衡點(diǎn)和浮動范圍也應(yīng)有所差別。但此問題較為復(fù)雜，為便于計(jì)算和分析，本文進(jìn)行統(tǒng)一取值，即取熱平衡點(diǎn)為80%，浮動范圍為65%～95%。

各代表城市蓄熱季時間的選取應(yīng)根據(jù)土壤的熱平衡來確定，盡量使其保持在熱平衡點(diǎn)80%左右，且宜選取在靠近供熱季開始之前并空余幾天，這樣可減少熱量的擴(kuò)散損失，同時為系統(tǒng)在不同運(yùn)行季之間的轉(zhuǎn)換留出充分的時間。另外，在冷負(fù)荷較大的地區(qū)，還應(yīng)根據(jù)供冷排熱量的大小適當(dāng)縮短蓄熱季，在排熱量很大時，甚至可以取消蓄熱。供熱季和供冷季時間的選取一方面可參照各地法定的時間，另外也可結(jié)合本建筑的實(shí)際冷熱負(fù)荷。TRNSYS模型中關(guān)于建筑的TRNBuild模型，可以模擬出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的建筑在不同氣候條件下的逐時冷熱負(fù)荷。

表2列出了5個城市的總負(fù)荷值及運(yùn)行季時間。可以看出，北京的建筑熱負(fù)荷已經(jīng)小于冷負(fù)荷，則可以判斷出它已經(jīng)超出了熱臨界地區(qū)的范圍，所以下文不對北京進(jìn)行計(jì)算。

各代表城市所采用的系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取合適的設(shè)備容量，并予以優(yōu)化。另外，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)也應(yīng)有所調(diào)整，以適應(yīng)各地區(qū)的居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

表3列出了5個城市的系統(tǒng)運(yùn)行熱量參數(shù)及年熱平衡率的數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯＠瓲栐跓o供冷的情況下，將全年除供熱季外的所有時間都用來蓄熱，使得土壤年熱平衡率為74.4%，并沒有達(dá)到95%，甚至還處于熱平衡點(diǎn)80%以下，這說明海拉爾并未達(dá)到冷臨界地區(qū)，系統(tǒng)仍完全有能力使此地區(qū)的土壤保持熱平衡。哈爾濱通過適當(dāng)選擇蓄熱季的時間，使土壤年熱平衡率達(dá)到80.1%，基本為土壤的熱平衡點(diǎn)。沈陽由于冷熱負(fù)荷差距的縮小，使得所需的蓄熱量更少，蓄熱季的時間還不到1個月，這樣即可使土壤年熱平衡率達(dá)到79.7%。敦煌在取消蓄熱的情況下，僅靠冷熱負(fù)荷使土壤年熱平衡率為64.6%，基本已經(jīng)處于下限65%，這說明敦煌已經(jīng)屬于熱臨界地區(qū)，所以比它更為炎熱的北京必然超出了熱臨界地區(qū)的范圍。從這里也可以看出，之所以選擇敦煌這一傳統(tǒng)意義上的非典型城市作為寒冷A區(qū)的代表城市來研究，正是因?yàn)槠淝『锰幱跓崤R界地區(qū)，作為分界點(diǎn)具有代表性，這也是筆者通過對許多城市進(jìn)行計(jì)算之后所得出的。

表2 各代表城市的負(fù)荷值及運(yùn)行季時間

表3 各代表城市的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

通過以上對各地區(qū)土壤熱平衡的分析不難看出，GCHPSSHS系統(tǒng)可應(yīng)用于嚴(yán)寒地區(qū)以及部分寒冷A區(qū)。海拉爾已經(jīng)是我國最為寒冷的城市之一，這說明該系統(tǒng)有能力承擔(dān)這些地區(qū)的供熱需求；將不再適用于比敦煌更炎熱的地區(qū)，需要輔助冷源(散熱設(shè)備)來維持土壤的熱平衡。

4 添加輔助冷源的土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤熱平衡評價方法

以上是針對添加輔助熱源的土壤源熱泵系統(tǒng)來分析土壤熱平衡問題，如果將這一評價方法擴(kuò)展到添加輔助冷源的土壤源熱泵系統(tǒng)，原理是相同的，具體的熱平衡公式形式也一致，只是有些參數(shù)的含義發(fā)生了變化。

對熱平衡方程式(1)，Qin只包括供冷排熱量Qco；而Qex不僅包含熱泵取熱量(或供熱時直接取熱量)，還包含蓄冷量(或輔助散熱量)。在南方地區(qū)，由于環(huán)境(空氣、土壤)溫度較高，這就會使得取熱(蓄冷)的熱補(bǔ)償要遠(yuǎn)大于排熱的熱損失，二者總的作用效果Qgl應(yīng)為負(fù)值。

5 結(jié)論

2)應(yīng)用土壤年熱平衡率這一評價指標(biāo)，得出GCHPSSHS系統(tǒng)適用于我國的嚴(yán)寒地區(qū)以及部分寒冷A區(qū)。海拉爾是我國最為寒冷的城市之一，說明該系統(tǒng)有能力承擔(dān)這些地區(qū)的供熱需求；而比敦煌更炎熱的地區(qū)將不再適用，需要輔助冷源(散熱設(shè)備)來維持土壤的熱平衡。

3)土壤年熱平衡率主要有以下兩方面的應(yīng)用：根據(jù)年熱平衡率的范圍來評價得出GCHPSSHS系統(tǒng)的適用地區(qū)；對于某一個地區(qū)，以年熱平衡率的范圍作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)時的控制條件，設(shè)計(jì)能保持土壤熱平衡的高效系統(tǒng)。

4)添加輔助冷源和熱源的土壤源熱泵系統(tǒng)，都可采用該土壤熱平衡評價方法來進(jìn)行分析，兩者原理是一樣的，具體的熱平衡公式形式也一致，只是有些參數(shù)的含義發(fā)生了變化。

本文受浙江理工大學(xué)科研啟動基金(1205828-Y)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the Science Foundation of Zhejiang Sci-Tech University (No. 1205828-Y).)

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About the corresponding author

Lü Chao, male, Ph.D. / lecturer, School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang Sci-Tech University, +86 571-86843374, E-mail: lvchao-929@163.com. Research fields: building energy saving, ground source heat pump, indoor air quality.

Research on Evaluation Method of Soil Heat Balance of Ground-coupled Heat Pump System

Lü Chao1Zheng Maoyu2

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou, 310018, China; 2.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150090, China)

In order to make ground-coupled heat pump system operate efficiently in long term, soil needs to be maintained heat balance in an annual cycle. Auxiliary cold source or heat source is needed if necessary. An evaluation method of soil heat balance was proposed, heat balance equation was given, and annual heat balance rate of soil was also defined. Soil heat balance pointΔ0gand floating range 80%Δ0g～120%Δ0gwere derived, where the upper and lower limit correspond to the cold critical region and hot critical region, respectively. According to field data of heat storage, heating and cooling experiments based on the demonstration project, heat balance point was 80% and floating range was 65%～95%, which can be used as indices to measure soil heat balance. Based on the indices, it is evaluated that the ground-coupled heat pump with solar seasonal heat storage (GCHPSSHS) system could be applied to severe cold zone and a part of cold zone A of China. The evaluation method of soil heat balance based on annual heat balance rate can be used to analyze soil heat balance problem of ground-coupled heat pump system with auxiliary cold source or heat source, evaluate the regional applicability of the system, and design an efficient system which can keep soil heat balance.

ground-coupled heat pump; soil heat balance; evaluation method; annual heat balance rate; auxiliary cold source or heat source

0253- 4339(2016) 03- 0042- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.042

2015年8月25日

TQ051.5; TK523

A

簡介

呂超，男，博士，講師，浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，(0571)86843374，E-mail: lvchao-929@163.com。研究方向：建筑節(jié)能，地源熱泵，室內(nèi)空氣品質(zhì)。