地源熱泵系統(tǒng)土壤直接供冷模式運(yùn)行性能預(yù)測(cè)

李鳳勇，王恩宇，左春帥

（1.河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省熱科學(xué)與能源清潔利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300401；3.天津市清潔能源利用與污染物控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300401）

0 引言

當(dāng)前建筑業(yè)是中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中第二大能源消費(fèi)部門[1]，建筑能耗在中國(guó)的總能耗中約占20.00%[2]。伴隨經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑能耗必將隨著人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的對(duì)舒適居住環(huán)境追求的提升而增大，可再生能源利用是解決建筑綠色化的重要途徑，增大其在建筑能耗中的應(yīng)用對(duì)于可持續(xù)的發(fā)展具有重大意義[3-4]。地源熱泵是以地球表層的淺層地能為冷熱源，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物供熱、供冷及供生活熱水的熱泵系統(tǒng)，是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的可再生能源利用方式[5]。通常狀況下室外地能換熱系統(tǒng)以水為載熱介質(zhì)與淺層地能進(jìn)行能量交換，熱泵機(jī)組消耗少量電能將低品位能量轉(zhuǎn)化為高品位能量后供給室內(nèi)末端系統(tǒng)，從而滿足建筑負(fù)荷需求。前人在研究土壤熱平衡性，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行上做了很多工作，大量工程證明地源熱泵技術(shù)是非常高效的供熱空調(diào)技術(shù)[6-10]。但在北方寒冷地區(qū)夏季供冷季初期時(shí)，由于建筑冷負(fù)荷較小且土壤溫度偏低，可將室外地能換熱系統(tǒng)與室內(nèi)末端系統(tǒng)直接相連接為建筑物提供冷量（即土壤直接供冷模式），從而減少電能的消耗，進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)行，使得建筑更加節(jié)能高效，對(duì)寒冷地區(qū)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在夏季運(yùn)行有著十分重要的意義。本文以寒冷地區(qū)天津市為例，對(duì)河北工業(yè)大學(xué)節(jié)能實(shí)驗(yàn)中心地源熱泵系統(tǒng)夏季供冷前期土壤直接供冷模式運(yùn)行性能進(jìn)行模擬分析，為該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 研究系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文的建筑模型為位于天津市的河北工業(yè)大學(xué)節(jié)能實(shí)驗(yàn)中心。該建筑共有4層，高為22.70 m，建筑面積為4 953.40 m2，方向?yàn)槟掀珫|21.00°，建筑采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，保溫墻體的傳熱系數(shù)為0.40 W/（m2·K），南側(cè)為寬通道雙層玻璃幕墻。供冷季按照室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26.00℃考慮。末端、地源側(cè)水泵額定功率為7.50 kW，最大揚(yáng)程32.00 m，最大流量87.00 t/h，兩用兩備，可變頻控制。該建筑供冷方式為地源熱泵+風(fēng)機(jī)盤管供冷，供冷系統(tǒng)在供冷前期為建筑供冷時(shí)不開(kāi)啟熱泵機(jī)組，通過(guò)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)閥門使得室外地能換熱系統(tǒng)溫度較低的水直接流入室內(nèi)末端系統(tǒng)，通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)末端換熱為建筑提供冷量。地源熱泵系統(tǒng)原理如圖1所示：夏季供冷前期啟動(dòng)循環(huán)水泵P1、P2，打開(kāi)閥門F1、F5、F6、F7，關(guān)閉閥門F2、F3、F4、F8，將地埋管儲(chǔ)熱器中的冷量直接輸送到風(fēng)機(jī)盤管中為房間供冷。本文研究夏季供冷前期地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

圖1 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of ground source heat pump air-conditioning system

2 TRNSYS仿真模型建立

2.1 模型搭建及負(fù)荷模擬

利用TRNSYS仿真模擬軟件建立空調(diào)系統(tǒng)模型，其中模塊包含type557-地埋管儲(chǔ)熱器、type3b-變頻水泵、type928-風(fēng)機(jī)盤管、type56-建筑模型及氣象、控制模塊等。將模型中的模塊按照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行逐時(shí)模擬，將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而完成對(duì)仿真模型的搭建。TRNSYS仿真系統(tǒng)如圖2所示。由于建筑負(fù)荷是空調(diào)系統(tǒng)仿真優(yōu)化、能耗模擬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性直接影響空調(diào)系統(tǒng)的仿真結(jié)果，本文使用TRNSYS對(duì)建筑進(jìn)行逐時(shí)冷負(fù)荷模擬。供冷前期運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為5月18日—5月31日，即3 288.00～3 624.00 h。圖3給出了供冷前期建筑冷負(fù)荷的逐時(shí)變化。在整個(gè)供冷前期，冷負(fù)荷最大值為5月30日上午10時(shí)的77.71 kW，建筑供冷量需求總和為3 389.11 kW·h。在5月18日—9月30日整個(gè)供冷期，冷負(fù)荷最大值為7月10日上午11時(shí)的300.00 kW，建筑供冷量需求總和為177 955.00 kW·h[11]。

圖2 TRNSYS仿真系統(tǒng)Fig.2 TRNSYS simulation system

2.2 系統(tǒng)模型校驗(yàn)

2.2.1 土壤溫度模型校驗(yàn)

為使系統(tǒng)模型及其仿真結(jié)果具有可信性及可用系統(tǒng)模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行決策，現(xiàn)對(duì)TRNSYS系統(tǒng)模型進(jìn)行校驗(yàn)。模型中氣象數(shù)據(jù)取用河北工業(yè)大學(xué)氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，制成tm2格式氣象文件導(dǎo)入TRNSYS中。2020年供冷前期空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為5月18日—5月31日，系統(tǒng)運(yùn)行前58 d處于停滯狀態(tài)，對(duì)比地埋管井群中心的測(cè)溫井溫度及地埋管儲(chǔ)熱器測(cè)溫點(diǎn)溫度，發(fā)現(xiàn)二者溫度趨于一致，因此認(rèn)為地埋管井群整體處于熱平衡狀態(tài)?，F(xiàn)選取5月17日監(jiān)測(cè)得到的地埋管儲(chǔ)熱器測(cè)溫點(diǎn)溫度作為系統(tǒng)排熱前的初始土壤溫度。將地埋管儲(chǔ)熱器測(cè)溫點(diǎn)溫度取平均值，得到初始土壤溫度為16.00℃，即認(rèn)為在5月18日0時(shí)初始土壤溫度為16.00℃。圖4為在初始土壤溫度為16.00℃條件下，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行期間實(shí)驗(yàn)土壤溫度與模擬土壤溫度隨時(shí)間的變化圖，其中土壤溫度為地下所有地埋管儲(chǔ)熱器測(cè)溫點(diǎn)溫度的24小時(shí)平均值。土壤溫度實(shí)測(cè)值與模擬值變化趨勢(shì)基本相似，由于空調(diào)系統(tǒng)向地下排熱，土壤溫度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，5月23日與5月25日未開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)向地下排熱，土壤溫度得到恢復(fù)，因此出現(xiàn)較大拐點(diǎn)。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行14 d，土壤溫度實(shí)驗(yàn)值由16.11℃上升至16.90℃，升溫0.79℃；系統(tǒng)模擬運(yùn)行14 d，土壤溫度模擬值由16.16℃上升至16.86℃，升溫0.70℃。土壤溫度實(shí)驗(yàn)值與模擬值相差較小。

圖3 供冷前期建筑逐時(shí)冷負(fù)荷Fig.3 Hourly cooling load of building in early cooling-supply period

2.2.2 變頻水泵模型校驗(yàn)

供冷前期建筑直接向地下排熱，不需要開(kāi)啟機(jī)組，因此通過(guò)開(kāi)啟水泵就可以開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)對(duì)建筑進(jìn)行供冷。建筑供冷前期水泵開(kāi)啟時(shí)間為每天的9：00—21：00，各日水泵的頻率、流量及功率如表1所示。水泵通過(guò)改變頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)水流量大小，水泵流量及功率的取值為系統(tǒng)運(yùn)行期間的平均值。由于水泵的流量一直在小幅度變化，所以即使在頻率設(shè)定值相同時(shí)，水泵的流量和功率也不完全相等。

圖4 土壤溫度逐日變化Fig.4 Daily change of soil temperature

表1 水泵頻率、流量、功率變化表Tab.1 Change table of frequency,flow and power of water pump

在TRNSYS變頻泵模塊中，水泵功率由流量決定，為探討在不同流量下系統(tǒng)運(yùn)行狀況，需對(duì)水泵功率進(jìn)行精確計(jì)算。將實(shí)驗(yàn)中測(cè)得不同水泵流量條件下的水泵功率數(shù)值導(dǎo)入Origin中進(jìn)行曲線擬合如圖5所示，得到流量與功率的關(guān)系：

式中：Q為水泵流量，m3·h-1；P為水泵功率，kW，擬合結(jié)果r2=0.952 53。

將上述擬合公式輸入至TRNSYS水泵模塊進(jìn)行模擬計(jì)算，水泵功率模擬結(jié)果如圖6所示。水泵流量為控制空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的輸入?yún)?shù)，因此空調(diào)系統(tǒng)水泵流量實(shí)驗(yàn)值與模擬值相同，除去5月23日及25日系統(tǒng)停止運(yùn)行外，水泵流量在35.46～53.36 m3·h-1范圍內(nèi)變化；水泵功率實(shí)驗(yàn)值與模擬值差值最大的一天為5月24日相差0.19 kW。系統(tǒng)運(yùn)行期間，水泵總耗電量實(shí)驗(yàn)值為519.03 kW·h，模擬值為525.12 kW·h，在本文地源熱泵系統(tǒng)土壤直接供冷模式下，水泵耗電量即為空調(diào)系統(tǒng)耗電量。

圖5 水泵流量與功率關(guān)系Fig.5 Relationship between water pump flow and power

圖6 水泵功率逐日變化Fig.6 Daily change of water pump power

2.2.3 系統(tǒng)供冷量及COP運(yùn)行結(jié)果校驗(yàn)

整體上來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)值與模擬值存在偏差。原因在于建筑實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與模型模擬運(yùn)行狀態(tài)存在一定的偏差，一些內(nèi)擾因素如人員、照明及設(shè)備等散熱散濕狀態(tài)；建筑自身因素如建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱狀態(tài)；空調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)復(fù)雜的換熱狀態(tài)等都無(wú)法做到與實(shí)驗(yàn)情況完全相同。因此要對(duì)模型模塊進(jìn)行精確的校驗(yàn)，在完成模塊校驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)值與模擬值的驗(yàn)證以進(jìn)一步減少偏差。空調(diào)系統(tǒng)逐日供冷量實(shí)驗(yàn)值與模擬值的比較如圖7所示，其中空調(diào)系統(tǒng)供冷量為地埋管井群為空調(diào)房間每日提供的冷量。除5月23日與5月25日外，空調(diào)系統(tǒng)供冷量整體呈上升趨勢(shì)，由于5月25日前建筑內(nèi)人員及設(shè)備負(fù)荷較小，而5月25日后人員及設(shè)備冷負(fù)荷增加使得空調(diào)系統(tǒng)供冷量在5月25日后實(shí)驗(yàn)值大于模擬值。在整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)供冷前期時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)總供冷量實(shí)驗(yàn)值為4 640.23 kW·h，模擬值為4 692.37 kW·h，由于5月30日及31日建筑日負(fù)荷偏大，空調(diào)系統(tǒng)不能滿足建筑供冷需求，因此停止土壤直接供冷模式為建筑供冷改為熱泵機(jī)組供冷。

本文使用能效比（COP）對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能效進(jìn)行比較，系統(tǒng)COPs及系統(tǒng)平均COPa參考公式如式（2）、式（3）所示：

圖7 空調(diào)系統(tǒng)供冷量逐日變化Fig.7 Daily change of cooling capacity of air-conditioning system

式中：Q0為系統(tǒng)每天的供冷量，kW·h；P0為系統(tǒng)每天的耗電量，kW·h。

式中：Q1為供冷前期系統(tǒng)總供冷量，kW·h；P1為供冷前期系統(tǒng)總耗電量，kW·h。

空調(diào)系統(tǒng)COPs在供冷前期變化如圖8所示，系統(tǒng)COPs實(shí)驗(yàn)值及模擬值變化趨勢(shì)相似。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間，系統(tǒng)COPs最小值為4.61，最大值為21.55，整個(gè)運(yùn)行期間系統(tǒng)平均COPa為8.58，遠(yuǎn)大于在供冷期開(kāi)啟地源熱泵機(jī)組時(shí)測(cè)得系統(tǒng)平均COPa4.25[11]，具有較大節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

本文使用相對(duì)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，相對(duì)誤差參考公式如式（4）所示：

圖8 空調(diào)系統(tǒng)COPs逐日變化Fig.8 Daily change of COPs of air-conditioning system

式中：δ為相對(duì)誤差；μ為實(shí)驗(yàn)值；x為模擬值。

表2整個(gè)供冷前期各項(xiàng)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差。表中，耗電量和供冷量為供冷前期變量總量的相對(duì)誤差，COP為供冷前期系統(tǒng)平均COPa的相對(duì)誤差，土壤溫度為供冷前期土壤溫度的最大相對(duì)誤差。從結(jié)果上來(lái)看，供冷前期各項(xiàng)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差遠(yuǎn)小于《實(shí)用建筑能耗模擬手冊(cè)》中規(guī)定的誤差范圍，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的偏差均在1.47%以下，因此認(rèn)為研究所采用的仿真模型是可靠的。

表2 供冷前期各項(xiàng)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差Tab.2 Relative error of each data in early cooling-supply period

3 模擬結(jié)果分析

3.1 變流量空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行分析

在地源熱泵作為空調(diào)系統(tǒng)冷源為建筑供冷時(shí)，水泵流量對(duì)建筑供冷量及系統(tǒng)平均COPa都有較大的影響，現(xiàn)分析水泵流量為30.00 m3·h-1、35.00 m3·h-1、40.00 m3·h-1、45.00 m3·h-1、50.00 m3·h-1、55.00 m3·h-1條件下，土壤溫度、空調(diào)系統(tǒng)供冷量和系統(tǒng)平均COPa的變化規(guī)律，得出空調(diào)系統(tǒng)供冷前期最佳運(yùn)行參數(shù)。

圖9為不同水泵流量條件下土壤溫度變化圖，隨著空調(diào)系統(tǒng)不斷向地下排熱，在不同水泵流量運(yùn)行條件下土壤溫度都呈上升趨勢(shì)。隨著水泵流量的增大，地埋管儲(chǔ)熱器換熱前后溫差即土壤溫度5月18日與5月31日的溫度差值也在增大，在水泵流量為30.00 m3·h-1時(shí)，溫差為0.67℃，流量為55.00 m3·h-1時(shí)，溫差為0.74℃，但不同水泵流量條件下地埋管儲(chǔ)熱器換熱前后土壤溫差并不大，水泵流量為30.00 m3·h-1與55.00 m3·h-1溫差的差值僅為0.07℃，原因在于建筑處于供冷前期空調(diào)系統(tǒng)供冷量較少，地埋管井群土壤蓄冷能力及土壤恢復(fù)能力較強(qiáng)，因此出現(xiàn)換熱前后土壤溫度變化較小的狀況。從流量相差較大但土壤溫差的差值較小的情況，可以推斷出空調(diào)系統(tǒng)供冷前期不同的水泵流量對(duì)地下土壤溫度影響相差不大的結(jié)論?？傮w來(lái)看，在不同水泵流量條件下，空調(diào)系統(tǒng)供冷前期土壤溫度升溫較小，對(duì)供冷中后期空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行影響不大。

圖10為不同水泵流量條件下系統(tǒng)供冷量及建筑負(fù)荷隨時(shí)間變化圖，圖中每日的數(shù)值柱從左到右分別為30.00 m3·h-1至55.00 m3·h-1水泵流量逐漸增加的各工況的空調(diào)系統(tǒng)供冷量數(shù)值，圖中曲線表示建筑日負(fù)荷值（各日的累積需冷量值，以下簡(jiǎn)稱建筑負(fù)荷）。在不同水泵流量條件下，5月18日至5月31日系統(tǒng)供冷量呈上升趨勢(shì)，且變化趨勢(shì)與建筑負(fù)荷變化趨勢(shì)相似，5月18日至5月28日系統(tǒng)供冷量要遠(yuǎn)大于建筑負(fù)荷，5月29日系統(tǒng)供冷量與建筑負(fù)荷相差不大而5月30日、31日建筑負(fù)荷大于系統(tǒng)供冷量。建筑負(fù)荷由于受到外界空氣溫度及太陽(yáng)輻照的影響逐日變化量較大，但空調(diào)系統(tǒng)與換熱條件穩(wěn)定的地下土壤直接換熱使得空調(diào)系統(tǒng)逐日供冷量變化相對(duì)平緩。由于系統(tǒng)中水溫度較高且地埋管儲(chǔ)熱器換熱溫差小，導(dǎo)致?lián)Q熱效果較差，出現(xiàn)不能滿足建筑負(fù)荷的情況。在某一日期內(nèi)，隨著水泵流量的增大，空調(diào)日供冷量也在增大，但不同水泵流量下空調(diào)日供冷量差值很小，在供冷前期選取水泵允許范圍內(nèi)的流量值對(duì)建筑供冷效果差別不大。在整個(gè)供冷前期水泵流量為30.00 m3·h-1，空調(diào)系統(tǒng)供冷負(fù)荷（空調(diào)系統(tǒng)日供冷量的最大值與供冷時(shí)間的比值）為48.87 kW，建筑設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為300.00 kW，供冷前期空調(diào)系統(tǒng)供冷負(fù)荷與建筑設(shè)計(jì)冷負(fù)荷的比值約為1/6，即當(dāng)供冷前期空調(diào)系統(tǒng)供冷負(fù)荷與建筑設(shè)計(jì)冷負(fù)荷的比值小于1/6時(shí)，可采用土壤直接供冷模式為建筑供冷。

圖9 不同流量條件下土壤溫度逐日變化Fig.9 Daily change of soil temperature under different flow conditions

圖10 不同流量條件下空調(diào)系統(tǒng)供冷量及建筑負(fù)荷Fig.10 Cooling capacity of air-conditioning system and building load under different flow conditions

圖11不同流量條件下空調(diào)系統(tǒng)總供冷量、總耗電量及COPaFig.11 Total cooling capacity,total power consumption and COPa of airconditioning system under different flow conditions

圖11 給出了空調(diào)系統(tǒng)總供冷量、總耗電量及系統(tǒng)平均COPa隨水泵流量的變化。隨著水泵流量的增大空調(diào)總供冷量也在增大，但增加的趨勢(shì)逐漸變緩。原因在于隨著水泵流量的增加，空調(diào)系統(tǒng)中末端風(fēng)機(jī)盤管及地埋管儲(chǔ)熱器換熱能力增強(qiáng)，因此總供冷量增大，但由于地源熱泵機(jī)組未啟動(dòng)，空調(diào)系統(tǒng)中原本較高的水溫隨著換熱的增強(qiáng)溫度再次升高，降低空調(diào)系統(tǒng)換熱能力，因此供冷量增加趨勢(shì)變緩。在30.00 m3·h-1與55.00 m3·h-1流量下的供冷量差值為88.73 kW·h，與整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)供冷前期供冷量相比較變化較小。經(jīng)計(jì)算在流量為30.00 m3·h-1與55.00 m3·h-1的條件下，空調(diào)系統(tǒng)的雷若數(shù)分別為2 812.27和5 155.35，2種工況下流體流動(dòng)狀態(tài)已處于湍流狀態(tài)，此時(shí)，土壤溫差及空調(diào)系統(tǒng)的供冷量相差不大，但空調(diào)系統(tǒng)耗電量相差較大。因此可以認(rèn)為管道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)處于湍流流動(dòng)區(qū)間時(shí)，流量越小系統(tǒng)運(yùn)行能效比越高。隨著水泵流量的增加空調(diào)系統(tǒng)總耗電量也在增加且增加趨勢(shì)逐漸變陡，因此空調(diào)系統(tǒng)平均COPa隨著水泵流量的增大其值在不斷變小，在水泵流量為30.00 m3·h-1時(shí)系統(tǒng)平均COPa達(dá)到24.35，而水泵流量為55.00 m3·h-1時(shí)系統(tǒng)平均COPa僅有5.32。在滿足建筑負(fù)荷的情況下，減小水泵流量運(yùn)行非常有利于建筑節(jié)能。

供冷前期水泵流量為30.00 m3·h-1時(shí)，系統(tǒng)總供冷量為5 723.48 kW·h，總耗電量為233.41 kW·h，系統(tǒng)平均COPa為24.52，遠(yuǎn)高于在供冷期開(kāi)啟地源熱泵機(jī)組時(shí)測(cè)得系統(tǒng)平均COPa為4.25。若在供冷前期開(kāi)啟地源熱泵機(jī)組，空調(diào)系統(tǒng)供冷為5 723.48 kW·h，需耗電1 334.14 kW·h，比不開(kāi)啟機(jī)組多耗電1 100.73 kW·h，因此在空調(diào)系統(tǒng)供冷前期即建筑冷負(fù)荷需求較小的情況下，宜采用水泵流量為30.00 m3·h-1對(duì)建筑進(jìn)行供冷，直到空調(diào)系統(tǒng)不能滿足建筑負(fù)荷為止。

3.2 變初始土壤溫度空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行分析

河北工業(yè)大學(xué)節(jié)能樓地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)2012年供冷前地下土壤溫度約為13.00℃，經(jīng)過(guò)8 a運(yùn)行后，2020年供冷前地下土壤溫度為16.00℃，土壤溫度呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)。由于初始土壤溫度對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效果有著較大的影響，因此研究水泵流量為30.00 m3·h-1，初始土壤溫度分別為13.00℃、14.00℃、15.00℃、16.00℃、17.00℃、18.00℃、19.00℃、20.00℃、21.00℃、22.00℃條件下，土壤溫度、空調(diào)系統(tǒng)供冷量和系統(tǒng)平均COPa的變化規(guī)律，分析空調(diào)系統(tǒng)在不同初始土壤溫度條件下運(yùn)行效果，探究獲得怎樣的初始土壤溫度，可以采用土壤直接供冷運(yùn)行模式。

圖12為不同初始土壤溫度條件下土壤溫度隨空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行變化圖。隨著空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，土壤溫度整體呈上升趨勢(shì)。在初始土壤溫度較低時(shí)地埋管儲(chǔ)熱器換熱前后土壤換熱溫差大于初始土壤溫度較高時(shí)的溫差。原因在于隨著初始土壤溫度升高，空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水溫度升高，空調(diào)末端與建筑室內(nèi)溫差變小導(dǎo)致供冷量減小，空調(diào)系統(tǒng)向地下排熱量減小，結(jié)果導(dǎo)致地埋管儲(chǔ)熱器換熱效果變差，換熱前后溫差變小。不過(guò)，在不同初始土壤溫度條件下，土壤換熱前后溫差差值并不大。在初始土壤溫度為13.00℃與22.00℃時(shí)，土壤換熱前后溫差分別為0.74℃和0.58℃。總體來(lái)看，在供冷前期空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，不同初始土壤溫度條件下土壤溫度升溫趨勢(shì)平緩，土壤換熱前后溫差較小。

圖12 不同初始土壤溫度條件下土壤溫度逐日變化Fig.12 Daily change of soil temperature under different initial soil temperature conditions

圖13不同初始土壤溫度條件下空調(diào)系統(tǒng)供冷量及建筑負(fù)荷Fig.13 Cooling capacity of air-conditioning system and building load under different initial soil temperature conditions

圖13 為不同初始土壤溫度條件下空調(diào)系統(tǒng)供冷量、建筑負(fù)荷隨空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行變化圖。在不同初始土壤溫度條件下，空調(diào)系統(tǒng)供冷量的變化趨勢(shì)相同，與建筑負(fù)荷變化趨勢(shì)相似，整體上呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。在同一日期內(nèi)，空調(diào)系統(tǒng)供冷量隨初始土壤溫度的升高而減少，原因在于土壤溫度升高導(dǎo)致地埋管儲(chǔ)熱器換熱溫差減小，在水泵流量確定的條件下，出現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)供冷量減少的情況。在不同初始土壤溫度條件下適用于直接供冷模式的持續(xù)時(shí)間不同，在為期14 d的供冷期內(nèi)，初始土壤溫度13.00～16.00℃時(shí)可滿足12 d供冷需求，17.00～21.00℃可滿足11 d，22.00℃可滿足10 d。初始土壤溫度從13.00℃增加到20.00℃的過(guò)程中空調(diào)系統(tǒng)日均供冷量要大于建筑日均冷負(fù)荷，但初始土壤溫度為21.00℃與22.00℃時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)日均供冷量分別為239.71 kW·h和221.12 kW·h，小于建筑日均冷負(fù)荷242.08 kW·h。由圖13可知，空調(diào)系統(tǒng)供冷量逐日變化穩(wěn)定，增加趨勢(shì)平緩，建筑負(fù)荷由于受到外擾因素的影響圖像變換波動(dòng)較大，因此若初始土壤溫度為21.00℃或22.00℃時(shí)，在供冷前期靠后的階段會(huì)出現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)供冷量不能滿足建筑負(fù)荷的情況。綜合直接供冷模式持續(xù)時(shí)間和建筑負(fù)荷的滿足性可知，初始土壤溫度對(duì)空調(diào)系統(tǒng)供冷量有著較大的影響，在供冷前期房間設(shè)點(diǎn)溫度為26.00℃的條件下，不同初始土壤溫度為13.00～22.00℃的模擬研究中最少可滿足10 d的建筑供冷需求。但在實(shí)際情況下，若初始土壤溫度達(dá)到21.00℃或22.00℃時(shí)，即空調(diào)系統(tǒng)日均供冷量小于建筑日均冷負(fù)荷，則要根據(jù)當(dāng)日的供冷需求選擇采用直接供冷模式或開(kāi)啟熱泵機(jī)組模式為建筑供冷。

圖14為不同初始土壤溫度條件下空調(diào)系統(tǒng)總供冷量及系統(tǒng)平均COPa的變化圖。隨著初始土壤溫度的升高空調(diào)系統(tǒng)總供冷量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)初始土壤溫度達(dá)到21.00℃時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)總供冷量小于建筑總供冷需求。對(duì)比圖11發(fā)現(xiàn)，水泵流量為30.00 m3·h-1與55.00 m3·h-1時(shí)空調(diào)總供冷量差值為88.73 kW·h，初始土壤溫度為13.00℃與22.00℃時(shí)空調(diào)系統(tǒng)總供冷量差值3 952.16 kW·h，顯然初始土壤溫度比水泵流量對(duì)空調(diào)系統(tǒng)供冷量影響更大。對(duì)不同初始土壤溫度空調(diào)系統(tǒng)模擬計(jì)算時(shí)，設(shè)置水泵運(yùn)行流量為30.00 m3·h-1，運(yùn)行時(shí)間為12.00 h，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行總耗電量為233.41 kW·h。空調(diào)系統(tǒng)平均COPa隨著初始土壤溫度值的增大而單調(diào)降低，初始土壤溫度為13.00℃時(shí)，COPa為30.19，初始土壤溫度為22.00℃時(shí)COPa為13.38，但總體來(lái)說(shuō)在初始土壤溫度逐漸升高的過(guò)程中，空調(diào)系統(tǒng)平均COPa均遠(yuǎn)高于供冷期開(kāi)啟地源熱泵機(jī)組測(cè)得的系統(tǒng)平均COPa（4.25）。因此，在供冷前期采用土壤直接供冷模式運(yùn)行地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)有著良好的節(jié)能效果。

圖14 不同初始土壤溫度條件下空調(diào)系統(tǒng)總供冷量和COPaFig.14 Total cooling capacity and COPa of air-conditioning system under different initial soil temperature conditions

4 結(jié)論

1）土壤直接供冷模式下管道內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)處于湍流流動(dòng)區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)供冷量幾乎不受水泵流量的影響，流量越小系統(tǒng)運(yùn)行能效比越高。本文研究范圍內(nèi)，水泵流量為30.00 m3/h時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行效果最好。

2）土壤直接供冷模式下系統(tǒng)的總供冷量為5 723.48 kW·h，總耗電量為233.41 kW·h，系統(tǒng)平均COPa為24.52，供冷14 d土壤直接供冷比地源熱泵機(jī)組供冷節(jié)約電量1 100.73 kW·h。在土壤初始溫度為16.99℃的條件下，水泵流量為30.00 m3·h-1時(shí)，供冷前期空調(diào)系統(tǒng)供冷負(fù)荷為建筑設(shè)計(jì)冷負(fù)荷的1/6時(shí)，可采用土壤直接供冷模式為建筑供冷。

3）初始土壤溫度越高，采用土壤直接供冷模式可滿足建筑供冷需求的天數(shù)越少，當(dāng)初始土壤溫度為22.00℃時(shí)，土壤直接供冷模式僅可運(yùn)行10 d。初始土壤溫度如果從13.00℃增大到22.00℃，空調(diào)系統(tǒng)平均COPa將從30.19降至13.38，但依然遠(yuǎn)大于供冷期開(kāi)啟地源熱泵系統(tǒng)時(shí)的系統(tǒng)平均COPa（4.25）。

4）初始土壤溫度為16.00℃的條件下，水泵流量為30.00 m3·h-1與55.00 m3·h-1時(shí)空調(diào)總供冷量差值為88.73 kW·h；水泵流量為30.00 m3·h-1的條件下，初始土壤溫度為13.00℃與22.00℃時(shí)空調(diào)系統(tǒng)總供冷量差值為3 952.16 kW·h，顯然初始土壤溫度比水泵流量對(duì)空調(diào)系統(tǒng)供冷量影響更大。