長(zhǎng)春地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行研究

白 莉 沈翔歐

(吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

土壤源熱泵技術(shù)充分利用可再生能源，實(shí)現(xiàn)清潔供熱，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，該技術(shù)發(fā)展成熟，為人們所熟知，在中原地區(qū)應(yīng)用廣泛.陳曉春等[1]人從理論模擬角度對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了研究，采用土壤內(nèi)熱源法代替?zhèn)鹘y(tǒng)管群換熱模擬法來(lái)預(yù)測(cè)中長(zhǎng)期土壤平均溫度的變化，模擬結(jié)果表明，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，土壤的溫升降低；王侃宏等[2]人在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)太陽(yáng)能-土壤復(fù)合式地源熱泵供暖系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，白天采用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)供熱，減少土壤承擔(dān)的熱負(fù)荷，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)冷凝器出水溫度能夠達(dá)到43℃，而傳統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)冷凝器出水溫度只有35℃；劉業(yè)鳳等[3]人對(duì)上海某工程實(shí)例進(jìn)行測(cè)試，針對(duì)熱負(fù)荷小于冷負(fù)荷的系統(tǒng)，提出增加孔間距和間歇運(yùn)行方式來(lái)保證換熱效率的想法；李曉燕等[4]人針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于冷負(fù)荷的情況，提出增加土壤保溫層的方法，通過(guò)模擬得出增加保溫層后，土壤溫度可提高1.2℃～1.3℃；蘆子健等[5]人應(yīng)用TRNSYS軟件對(duì)蓄熱式太陽(yáng)能-土壤源耦合系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，從而避免了土壤冷堆積.

由于東北地區(qū)冷熱負(fù)荷相差較大，采用土壤源熱泵技術(shù)容易引起地溫失衡，影響系統(tǒng)的運(yùn)行效果，因此解決地溫失衡問(wèn)題是東北地區(qū)土壤源熱泵技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵[6].基于此，本文對(duì)長(zhǎng)春市某土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行研究，本文所研究的工程位于長(zhǎng)春市，該工程是一棟集辦公、會(huì)議、教室為一體的綜合教學(xué)樓，其建筑功能決定了不能采用間歇運(yùn)行方式[ 7]，結(jié)合節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性和使用年限等方面的考量，采用面積補(bǔ)償法來(lái)解決其地下土壤冷負(fù)荷堆積問(wèn)題，該系統(tǒng)于2013年10月底開(kāi)始運(yùn)行，截至2018年10月底已運(yùn)行5年.為了測(cè)試和驗(yàn)證面積補(bǔ)償法的有效性，作者在2017年冬季增加了該系統(tǒng)的冬季供暖面積，以研究在冬季供暖面積與夏季供冷面積相等條件下地下土壤溫度場(chǎng)及熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)的變化.

1 工程概況

1.1 工程背景

本工程地處嚴(yán)寒氣候B區(qū),建筑面積34 882.24m2, 建筑高度23.9m，共6層,按公共建筑節(jié)能65%標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),包括辦公室、教室、會(huì)議室等不同功能房間.因長(zhǎng)春市采暖時(shí)間為10月25日至次年4月10日計(jì)169天，其采暖期遠(yuǎn)長(zhǎng)于供冷期，故全年地下土壤源側(cè)的取熱量、排熱量差異較大，若不采取相關(guān)措施技術(shù)，地下土壤源側(cè)會(huì)產(chǎn)生冷堆積現(xiàn)象，使土壤源側(cè)供回水溫差減小，降低系統(tǒng)性能系數(shù)，因此，本工程用面積補(bǔ)償法來(lái)緩解這個(gè)問(wèn)題.建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能如表1、表2所示.

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同部位的傳熱系數(shù)Table 1 Heat transfer coefficient of different parts of building envelope

表2 外窗參數(shù)Table 2 External window parameters

利用DeST-c軟件,對(duì)該工程進(jìn)行了能耗模擬，計(jì)算出全年冬季累計(jì)供熱量為1.350×107kW·h、夏季累計(jì)供冷量為0.714×107kW·h，二者之比為1.891∶1(近似2∶1).為了平衡冬季供熱量與夏季供冷量，該工程的供暖面積按8 386.2m2(見(jiàn)圖1中B區(qū))、供冷面積按14 999.7m2(見(jiàn)圖1中A+B區(qū))設(shè)計(jì)，其供暖與供冷的面積比為(1∶1.789)(近似1∶2)，以此維持地下土壤溫度基本恒定.而該工程其他區(qū)域的冬季供暖由城市熱力網(wǎng)承擔(dān)，夏季則不供冷，具體分區(qū)如圖1所示.

圖1 供暖、供冷分區(qū)及地下?lián)Q熱井布置平面圖Fig.1 Heating & cooling zoning and underground heat transfer well layout

1.2 土壤源熱泵系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本工程選用2臺(tái)AQSW0612-H型渦旋式地源熱泵機(jī)組(1用1備)，機(jī)組制冷劑工質(zhì)R410A、制熱量186.6kW、制冷量211.8kW、制熱輸入功率50.3kW、制冷輸入功率39.4kW；選用6臺(tái)循環(huán)水泵，其中土壤源側(cè)循環(huán)水泵和空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵各3臺(tái)，土壤源側(cè)循環(huán)水泵流量43.3m3/h、揚(yáng)程24m、功率5.5kW，空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵流量46.7m3/h、揚(yáng)程28m、功率7.8kW；土壤源側(cè)設(shè)地下?lián)Q熱井120個(gè)，分區(qū)布置(見(jiàn)圖1),井間距3m～6m(即3,4,5和6m)，井深100m.系統(tǒng)由土壤源側(cè)及其循環(huán)泵、熱泵機(jī)組和空調(diào)側(cè)及其循環(huán)泵組成.冬季系統(tǒng)工作過(guò)程：土壤源側(cè)水+防凍液混合物流經(jīng)地下?lián)Q熱器提取土壤熱量，在熱泵機(jī)組蒸發(fā)器內(nèi)向液態(tài)工質(zhì)放熱，放熱后水+防凍液混合物返回地下?lián)Q熱器，至此完成1個(gè)能量收集過(guò)程；熱泵機(jī)組蒸發(fā)器內(nèi)液態(tài)工質(zhì)從土壤源側(cè)水+防凍液混合物中吸熱后，蒸發(fā)成氣態(tài)工質(zhì)，該工質(zhì)流經(jīng)壓縮機(jī)升壓后進(jìn)入機(jī)組冷凝器，在冷凝器內(nèi)冷凝放熱變成液態(tài)工質(zhì)，流經(jīng)膨脹閥降壓后返回蒸發(fā)器，至此完成1個(gè)能量提升過(guò)程；空調(diào)(用戶(hù))側(cè)水在冷凝器內(nèi)從氣態(tài)工質(zhì)中吸熱升溫后進(jìn)入用戶(hù)末端裝置放熱，然后再返回冷凝器，至此完成1個(gè)能量釋放過(guò)程.上述過(guò)程如此反復(fù)形成系統(tǒng)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)取熱供熱目的，系統(tǒng)流程如圖2所示.

該系統(tǒng)配有完善的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)包括室內(nèi)外數(shù)據(jù)采集，以監(jiān)測(cè)室外溫濕度、土壤溫度、熱泵機(jī)組及水泵的供回水溫度、流量及耗電量等參數(shù).

2 系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

2.1 地溫變化

圖2 系統(tǒng)流程Fig.2 System process

通過(guò)在換熱井內(nèi)布置三線溫度傳感器實(shí)現(xiàn)不同深度處地溫的監(jiān)測(cè)，在地下2.5m處設(shè)第1個(gè)溫度傳感器測(cè)點(diǎn)以監(jiān)測(cè)地下2.5m處的地溫，在地下10m處設(shè)第2個(gè)溫度傳感器測(cè)點(diǎn)以監(jiān)測(cè)地下10m處的地溫，自第2測(cè)點(diǎn)起沿地下豎向每隔10m設(shè)1個(gè)溫度傳感器測(cè)點(diǎn)以分別監(jiān)測(cè)地下20m,30m,40m,50m,60m,70m,80m,90m和100m等9處的地溫，地下共設(shè)11個(gè)溫度傳感器測(cè)點(diǎn)，所有測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)經(jīng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集輸出.為了分析該系統(tǒng)的實(shí)用效果，本研究對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)期持續(xù)監(jiān)測(cè)，并對(duì)2014-2017年采暖期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理、對(duì)比和分析，其結(jié)果如圖3所示.

(a) 2014

(b) 2015

(c) 2016

(d) 2017

由圖3可見(jiàn),2014-2016年地溫變化基本穩(wěn)定，系統(tǒng)每年運(yùn)行，10m～100m范圍內(nèi)的地溫變化為±1℃；不同年限同期溫度變化穩(wěn)定在0.1℃～0.38℃，說(shuō)明土壤源熱泵并未造成地下溫度場(chǎng)失衡，通過(guò)兩個(gè)過(guò)渡季能夠維持地溫的穩(wěn)定，充分表明采用面積補(bǔ)償法能夠很好地避免地下土壤冷堆積的問(wèn)題.在2017年冬季加大供暖面積后，冬季溫度降低程度明顯大于前兩年，僅12月份不同地層溫降在0.39℃～0.81℃.2017年主要在12月增加供暖面積及熱負(fù)荷，完成對(duì)比研究實(shí)驗(yàn)，為研究在加大熱負(fù)荷后地溫的變化，將2014-2017年12月份的地下土壤溫度變化單獨(dú)列出，取每天以12時(shí)刻溫度為代表，如圖4所示.

(a) Temperature change at 2.5m (b) Temperature change at 10m圖4 2014-2017年12月2.5、10m處地土溫變化Fig.4 Underground soil temperature change at 2.5 and 10 m in December 2014-2017

在淺層2.5m處，2014年12月份的溫度最低，因?yàn)樵?014年有幾次較大的寒流，地層不僅受到熱負(fù)荷的影響，還在一定程度上受到了地表溫度的影響；而在地下10m處，2017年地溫與2014-2016年相比有所下降，同期相比下降0.09℃～0.34℃.預(yù)測(cè)在2018年同期地溫降幅能達(dá)到0.2℃～0.6℃，不采取相應(yīng)的調(diào)控技術(shù)手段，勢(shì)必會(huì)對(duì)整個(gè)地下土壤溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響.

2.2 系統(tǒng)性能系數(shù)

系統(tǒng)性能系數(shù)是反映整個(gè)土壤源熱泵系統(tǒng)(機(jī)組)性能的重要參數(shù)[3]，其值用每個(gè)計(jì)算數(shù)據(jù)采集時(shí)段系統(tǒng)(機(jī)組)輸出熱量與同一時(shí)段運(yùn)行熱泵系統(tǒng)的總耗電量(運(yùn)行熱泵機(jī)組的耗電量)之比表示，其大小直接反映系統(tǒng)(機(jī)組)產(chǎn)熱量與所用的電能之間的轉(zhuǎn)換比率也即按下式計(jì)算：

COP=Qh/W

COPu=Qh/Wu

W=Wu+Ww,j

Qh=CpVρΔtΔτ/3 600

式中,COP為土壤源熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù);Qh為數(shù)據(jù)采集時(shí)段的系統(tǒng)輸出熱量,kW·h;W為同一時(shí)段內(nèi)運(yùn)行熱泵系統(tǒng)的耗電量,kWh;COPu為土壤源熱泵機(jī)組的性能系數(shù)；Wu為運(yùn)行熱泵機(jī)組的耗電量，kW·h;Ww,j為同一時(shí)段內(nèi)每臺(tái)運(yùn)行水泵的耗電量,kW·h;CP為水的定壓比熱容,按4.17kJ/(kg·℃)計(jì)取;V為水流量,m3/h；ρ為水的密度，按993kg/m3計(jì)取;Δt為供回水溫差,℃;Δτ為計(jì)算時(shí)段，h,計(jì)算數(shù)據(jù)采集時(shí)段按2h計(jì)取、計(jì)算每天時(shí)段按24h計(jì)取.

通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實(shí)時(shí)測(cè)取土壤源側(cè)流體(水+防凍液)的進(jìn)出口溫度及流量、空調(diào)側(cè)水的進(jìn)出口溫度及流量、熱泵機(jī)組及水泵的耗電量，據(jù)此采集該系統(tǒng)當(dāng)天各時(shí)段內(nèi)的上述參數(shù),進(jìn)而整理計(jì)算出當(dāng)天(24h)的平均每小時(shí)流量、當(dāng)天平均供回水溫度及當(dāng)天耗電量，最后整理計(jì)算出計(jì)算年度采暖期內(nèi)的平均每小時(shí)流量、平均每天供回水溫度及平均每天的耗電量具體結(jié)果如表3所示.

表3 系統(tǒng)各指標(biāo)測(cè)試平均值Table 3 System average test average

(a) System COP in the winter of 2014

(b) System COP in the winter of 2015

(c) System COP in the winter of 2016

(d) System COP in the winter of 2017

在測(cè)試中，每2h對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集1次空調(diào)側(cè)水流量及供回水溫度、電表讀數(shù)，每2次采集的流量及溫度分別取其算術(shù)平均值、電表讀數(shù)取其差值(即當(dāng)次讀數(shù)減去上次讀數(shù))，以流量及溫度的各自平均值、電表讀數(shù)差值作為這2h的計(jì)算值，計(jì)算系統(tǒng)在這2h內(nèi)的輸出熱量、耗電量和COP值，以每天(24h)算得的12個(gè)COP的算術(shù)平均值作為當(dāng)天(24h)的COP值，如此重復(fù)得出計(jì)算年度采暖期內(nèi)平均每天的COP值即每天(24h)的COP值之和與采暖期計(jì)算天數(shù)之比，并將該COP值作為系統(tǒng)計(jì)算年度采暖期COP的平均值，結(jié)果如圖5所示.

經(jīng)計(jì)算2014年采暖期內(nèi)的COP在2.34～4.18區(qū)間變化，其平均值為3.33；2015年采暖期內(nèi)的COP在2.21～4.2區(qū)間變化，其平均值為3.36；2016年采暖期內(nèi)的COP在2.19～4.12區(qū)間變化，其平均值為3.44；2017年采暖期內(nèi)的COP在2.29～4.16區(qū)間變化，其平均值為3.32.2014年～2017年中12月的系統(tǒng)COP值如表3所示.

表3 2014-2017年12月系統(tǒng)COP平均值Table 3 COP average value for system in December 2014-2017

由于2017年采暖期加大了供暖面積，導(dǎo)致系統(tǒng)COP有小幅降低，尤其12月份系統(tǒng)COP與往年相比有明顯降低，為保證室溫能夠維持原有水平，系統(tǒng)耗電量有所增加.由此可見(jiàn)，盲目加大供熱面積會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)處于“超載”運(yùn)行狀態(tài)，在土壤源供熱能力有限的情況下，若想維持室溫，只能靠提高循環(huán)水量、增加水泵電耗來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，若想充分發(fā)揮熱泵系統(tǒng)的節(jié)能作用，應(yīng)盡量保證系統(tǒng)在COP值較高的區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，以避免盲目加大熱泵機(jī)組負(fù)荷.

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)長(zhǎng)春市某土壤源熱泵系統(tǒng)2014-2017年連續(xù)運(yùn)行數(shù)據(jù)的研究，發(fā)現(xiàn)面積補(bǔ)償法的確可緩解嚴(yán)寒地區(qū)冷堆積問(wèn)題，能夠?qū)⑼寥涝礈囟茸兓瓤刂圃凇?.5℃以?xún)?nèi).通過(guò)在2017年進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，增加供熱面積，計(jì)算得出的系統(tǒng)COP有所降低，不利于系統(tǒng)高效運(yùn)行，且不能保證地溫的平衡，預(yù)測(cè)同期地溫降幅度為0.4℃～0.8℃.