天津地區某地源熱泵系統土壤溫度場的分析與運行可行性研究

□文/周大智

天津地區某地源熱泵系統土壤溫度場的分析與運行可行性研究

□文/周大智

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

底板；埋管；地源熱泵；土壤；溫度場

地源熱泵系統是一種能通過輸入少量高位能量而實現將低位熱能向高位熱能轉移的熱泵空調系統。與常規空調系統相比，它具有更高的COP值，可以大大減少建筑空調系統的能耗，但由于地埋管換熱器的全年冷熱負荷并不平衡，往往會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土壤溫度場的研究極為重要。

1　項目概況

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。建筑內首層、二層大部分區域為開敞接待辦公區，三層中心近650 m2挑空至頂層，為咖啡休閑區，屋面覆蓋光伏玻璃。三層及以上各層均圍繞中庭設置小開間辦公室。地下二層為人防區域，地下室范圍緊貼用地紅線。該建筑以土壤源熱泵系統為冷熱源，建筑底板下樁間豎直埋管。該項目充分利用了可再生能源，為最大限度的實現節能環保起著重要作用，而且還創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。該建筑擬申報為三星級綠色建筑并為其他項目的實施和相關問題的解決做出嘗試、積累經驗。

2　全年動態負荷計算

為方便進行對地源側吸放熱平衡的計算并有效簡化下文的TRNSYS土壤源熱泵系統模型，減少模擬計算時間，首先利用eQUEST軟件模擬計算建筑供冷、供熱季的動態逐時負荷。

2.1eQUEST模擬軟件介紹

以DOE-2為計算內核，通過輸入氣象資料、室內環境設計參數、建筑圍護結構參數、空調系統形式等，建立時間表后即可得出全年逐時負荷和能耗。

2.2建筑模型的建立

以辦公樓為目標建筑建立模型，建筑圍護結構參數見表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，室外計算參數按天津氣象參數設置，室內各房間設計溫濕度以及人員、照明、設備使用時間依據DB 29-153—2010《天津市公共建筑節能設計標準》取值。冷熱源為2臺螺桿式地源熱泵冷熱水機組，單臺制冷量為1196kW，制熱量為950kW。主機夏季供回水溫度為7～12℃，冬季供回水溫度為45～40℃。地源側夏季進出水溫度為25～30℃，冬季進出水溫度為9.5～6℃。夏季空調運行時間為5月15日—10月15日，冬季空調運行時間為11月1日—3月31日，使用時間均為8：00—20：00。用戶側單臺循環水泵流量為216 m3/h，揚程為34 m；地源側單臺循環水泵流量為256m3/h，揚程為32m。

表1　圍護結構做法

通過對建筑圍護結構參數和空調系統參數的設置，建立eQUEST建筑模型，見圖1。

圖1　eQUEST建筑模型

2.3全年動態負荷計算結果

經模擬計算，得全年動態負荷見圖2。將冷負荷及熱負荷分別累加并乘以小時數，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　全年動態負荷

3　吸放熱不平衡率分析

3.1地源側年放熱量計算

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

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

其中，機組釋熱量可按式（2）計算

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

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

式中：α為水泵負荷附加率；H為水泵揚程，m；η為水泵效率；th為回水溫度，℃；tg為供水溫度，℃。

表2列出了各計算參數。

表2　地源側年放熱量計算參數

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

3.2地源側年吸熱量計算

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

式中：Qw為冬季地源側總吸熱量，kW·h；Qh為冬季全年耗熱量，kW·h；COP為熱泵機組制熱工況下的性能系數；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，熱泵機組制熱工況下性能系數為4.6，與年放熱量計算類似，將各參數代入式（6），得該土壤源熱泵系統年吸熱量為2.73×106kW·h。

3.3不平衡率計算

土壤吸放熱不平衡率可按式（7）計算

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

將源側總放熱量和吸熱量代入式（7），i為10.99%，根據規范和實際工程運行經驗，熱不平衡率＜20%時，系統可長期穩定運行。

4　熱響應試驗工況下運行20 a對土壤溫度場影響

為獲取土壤初始溫度和設計工況點的理論換熱量值，進行熱響應試驗。試驗測得，土壤初始溫度為16.3℃，導熱系數為1.64W/(m·K)。地源側埋管采用閉式雙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、水泥和細砂的混合漿，導熱系數為1.55W/(m·K)。

為研究該地源熱泵系統長期運行后對土壤溫度場的影響，針對該系統在熱響應試驗工況下，利用TRN-SYS模擬軟件對系統運行20a的土壤平均溫度進行模擬。

4.1TRNSYS模擬軟件介紹

文中所使用的TRNSYS Simulation Studio系統包含若干個不同的模塊，每個模塊都代表一個系統或有特定的功能，將這些模塊進行合理的連接并輸入相對應的參數，就可以實現對整個系統的分析。

4.2TRNSYS模擬模型建立

經eQUEST模擬軟件導出逐時負荷計算結果后，再通過TRN-SYS軟件中的Data Reader模塊導入到TRNSYS系統中模擬計算，在Simulation Studio中建立的土壤源熱泵系統見圖3。

圖3　土壤源熱泵系統

4.3系統運行對土壤溫度場影響分析

經TRN-SYS軟件模擬，得到該地源熱泵系統運行20 a的地埋管區域土壤平均溫度變化曲線，見圖4。

圖4　土壤平均溫度隨運行時間變化

從圖4可以看出，隨著土壤源熱泵系統運行時間的延長，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日進入夏季供冷期，系統開始向土壤排熱，至10月15日供冷期結束，土壤溫度上升至17.82℃。該系統持續運行20 a后，地埋管區域的土壤平均溫度從16.30℃上升到22.45℃，升高了6.15℃，而且在系統運行過程中，土壤平均溫度變化逐漸趨于平緩，說明該地源熱泵系統長期運行對土壤溫度場的影響尚在良好運行的控制溫度范圍內。

5　底板下埋管的特殊性對土壤溫度場和機組性能系數影響的研究

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，將每口換熱井設置于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場地熱響應試驗所作的模擬分析，然而實際現場環境卻稍有不同，局部地埋管埋深、井間距以及回填材料根據實際施工現場情況作了調整，為研究其對土壤溫度場的影響，本文進行了對比分析。

5.1減小地埋管埋深對土壤溫度場影響

根據施工現場情況，最后20 m耗時耗工嚴重，故本文對埋深減小到100 m之后運行該地源熱泵系統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，當井深降到100 m時，土壤溫度會緩慢上升，當該系統運行20 a之后，土壤平均溫度從16.3℃上升到23.07℃，與熱響應試驗工況比，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，打井數量受限，為研究是否可以通過減小井間距來換取更多的打井數量，本文對井間距減小到3.5 m之后運行該地源熱泵系統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，當井間距減小到3.5 m時，土壤溫度有了明顯的上升。運行20 a之后，土壤平均溫度從16.3℃上升到23.80℃，與熱響應試驗工況比，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，回填材料實際使用的是中砂，其導熱系數為1.47W/(m·K)。本文對改變回填材料之后運行該地源熱泵系統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℃，與熱響應試驗工況比，最終土壤溫度上升0.13℃。雖然地埋管換熱能力會受到回填材料導熱系數的影響，但由于回填材料僅僅是傳熱的中間介質，其導熱系數的改變在一定范圍內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，回填材料導熱系數從原來的1.55 W/(m·K)降為1.47 W/(m·K)，土壤溫度雖有上升，但尚在長期穩定運行范圍內。

5.4底板下埋管特殊性對機組性能系數影響

該系統能否滿足正常使用功能，除了要對土壤溫度場的變化進行研究，還需對機組性能系數變化進行分析。土壤溫度的上升主要會影響機組夏季制冷工況的性能系數，而且冬季性能系數還會有少量的增加。因此本節主要對該地源熱泵系統運行20 a的夏季制冷工況下機組COP進行了對比分析，見圖8。

圖8　底板下埋管特殊性對機組制冷工況下COP影響

從圖8可以看出，在機組連續運行20 a之后，機組制冷工況下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組COP影響較大，第一年機組COP分別降至5.10和5.47，運行20 a后，機組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　結論

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

由于受到場地面積和實際施工現場狀況的限制，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試驗工況下增加，而且會極大降低機組制冷能力，故應確保埋管深度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，而且也會顯著影響機組的制冷性能，故在實際施工中應盡量避免為增加打井數量而一味減小井間距；

3）回填材料由膨潤土、水泥和細砂的混合漿改為中砂，導熱系數從1.55 W/(m·K)降為1.47 W/(m·K)，對土壤溫度場和機組性能系數的影響均在可接受的范圍內，為保證結構安全及施工進度可將回填材料變為中砂，但應保證回填密實。

[1]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，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，從事大型工程實施組織管理工作。