狼獸舍土壤源熱泵系統運行特性研究

賈琪，陳俊亦，崔明輝，劉偉，孫衛紅

摘要：由于動物獸舍洞口為敞開式，圍護結構保溫性能較差，導致動物獸舍耗熱量大，獸舍溫度低，為達到獸舍需求的溫度，并減少常規能源消耗，文章以狼獸舍為例，通過DeST軟件對狼獸舍熱負荷進行模擬分析，根據提出的峰值熱負荷標準值以及土壤熱物性參數計算打井深度及數量。利用TRNSYS軟件分別模擬地源熱泵系統在井間距5，6，7 m時的系統運行情況和土壤溫度變化，結果表明當井間距為5 m和6 m時，土壤溫度較低，無法滿足系統長時間運行，當井間距為7 m時，土壤溫度穩定在14.5 ℃，源測回水最低溫度為6.03 ℃，供回水溫差為4 ℃左右，系統運行效果最佳。因此對于狼獸舍土壤源熱泵系統，滿足供熱需求的最佳井間距為7 m，井深為100 m，打井數量為20。研究結果為解決獸舍耗熱量大，溫度低等問題提供了解決方案，應用前景廣闊。

關鍵詞：土木建筑工程設計其他學科;獸舍供熱;TRNSYS仿真模擬;地源熱泵系統;井間距

中圖分類號：TP311文獻標識碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2020yx01007

Study on operation characteristics of soil source

heating system in Wolf house

JIA Qi1， CHEN Junyi1， CUI Minghui1，LIU Wei2， SUN Weihong3

Abstract：Because the opening of the animal house is open and the thermal insulation performance of the enclosure is poor， the animal house consumes a lot of heat and the temperature of the animal house is low. In order to reach the temperature of the heat supply demand of the animal house and reduce the conventional energy consumption， this paper takes the Wolf house as an example， simulates and analyzes the heat load of the wolf house through the DeST software. According to the definition of the standard value of the peak heat load ?and the soil thermal physical parameters， the drilling depth and quantity. TRNSYS software is used to simulate the system operation and the change of soil temperature when the well spacing is 5 m， 6 m and 7 m. The results show that when the well spacing is 5 m and 6 m， the low soil temperature can not meet the longterm operation of the system. When the well spacing is 7 m， the soil temperature is stable at 14.5 ℃， the minimum temperature of the source measured return water is 6.03 ℃， the difference of the supply and return water temperature is about 4 ℃， and the system operates best. Therefore， for the ground source heat pump system of Wolf house in this paper， the optimal well spacing to meet the heating demand is 7 meters， well depth is 100 meters， and the number of wells drilled is 20. This study provides a solution to the problems of high heat consumption and low temperature in the animal house， and has a broad application prospect.

Keywords：civil engineering design other disciplines; animal house heating; TRNSYS simulation; ground source heat pump system; well spacing

隨著經濟的飛速發展，中國的能源生產和消費總量已躍升世界首位，其中，供熱已成為全球最大的能源終端消費領域。2018年，供熱供冷產生的能耗在中國的各類能耗中占比約37%[12]，同時建筑供暖關乎民生，是中國實現小康的重要環節[3]。因此，采用清潔環保的可再生能源成為節能降耗的重要途徑[3]。目前，民用建筑供熱方式研究已取得一定成果，從最初的集中供熱到“煤改電”、“煤改氣”[4]，如今土壤源、空氣源、太陽能等清潔能源加入其中，在很大程度上為緩解空氣污染狀況作出了貢獻[5]。

第1期賈琪，等：狼獸舍土壤源熱泵系統運行特性研究河北工業科技第37卷動物園獸舍的供熱問題往往被忽視。向動物園供熱需注意各場館的供熱溫度各有不同，供熱時間靈活，并且各場館的啟停時間也略有區別。根據獸舍供熱面積大、建筑面積小、建筑群稀疏的特點，對各場館進行獨立供熱控制，互不影響，來同時滿足不同種類動物對溫度的不同需求。在熱源選擇方面，集中供熱多以鍋爐為主要供熱方式，而鍋爐大致可分為燃煤鍋爐、燃氣鍋爐和電鍋爐3種。其中，燃煤鍋爐的熱效率不高且污染嚴重，所以中小型的燃煤鍋爐經整改后已逐漸退出歷史舞臺[6];對于燃氣鍋爐，因為無法利用排煙余熱，并且大范圍采用燃氣供熱會導致東部地區燃氣資源的匱乏問題更加嚴峻，所以燃氣鍋爐也無法成為最優選擇[7];至于電鍋爐，眾所周知其運行費用比較高，并且大多被用于百平米左右的取暖，因此并不適用于諸如動物園之類的大型公共開放園區[8]。作為清潔能源的空氣源熱泵[9]，其各方面性能較好，且近幾年在低溫運行技術上也有了很大突破[10]。但是，空氣源熱泵噪聲過大，對斑馬等溫順好靜的動物來說不太友好，不利于對周圍環境極其敏感的動物生活，因此，這種供熱方式難以滿足獸舍的要求。綜合考慮后，選用土壤源熱泵系統分別對每個獸舍進行供熱，形成各自獨立的供熱系統[11]。土壤源熱泵系統在近幾年發展迅速，冰島對土壤源熱泵的成功使用是該技術被再次重視的重要原因。該國85%的地區都利用地熱能進行取暖，這使得冰島的環境質量在全世界名列前茅[12]。近幾年，中國對土壤源熱泵的研究在借鑒國外的相關經驗基礎上，對土壤熱環境的維持和改善進行了探討[13]，以保證土壤源熱泵的可持續性。本文以石家莊市動物園狼獸舍的土壤源供熱系統為例進行分析。

1狼獸舍負荷計算及分析

在中國，狼是二級保護動物，具有特殊的文化內涵，在各動物園幾乎都有飼養，是重要的觀賞動物。目前，中國的野生狼主要分布在東北、內蒙以及西藏等人口密度較小的地區。狼通常在夜間活動頻繁，有厚重濃密的皮毛，御寒能力強，且繁殖期不在供熱期間。綜合以上特點，設定狼獸舍空調啟停溫度為2～10 ℃[14]。

1.1狼獸舍建筑描述

如圖1所示，狼獸舍面積約為298.08 m2，建筑長55.8 m，寬6.9 m，最右側包含工具間、管理室以及設備室，設備室無需供熱，工具間和管理室的面積分別為31.56 m2和30.53 m3。用內墻將狼獸舍隔成多個獨立單間，且留有2.3 m寬的走廊方便工作人員操作，走廊與獸舍房間用柵欄隔開。狼獸舍每個房間都有一個出入的洞口，洞口沒有設置遮擋。房間分布整齊，且并排有管理室和工具間，因負荷需求不同，不能劃分為一個大的房間，且DeST無法識別敞開空間，因此將該建筑區域劃分為若干個小房間。

表1為狼獸舍建筑的具體參數，可以發現，獸舍的墻體沒有保溫措施，外窗為普通單層玻璃，熱損失大，且獸舍冷風滲透較民用建筑而言明顯增大[15]。獸舍室內溫度設定為2～10 ℃，采用風機盤管末端裝置，通過DeST對建筑進行描述與負荷計算，獸舍逐時熱負荷峰值為115.08 kW，熱負荷指標為55 W/m2。

1.2獸舍負荷的計算分析

狼獸舍逐時熱負荷曲線圖如圖2所示。從圖中可以明顯看出，逐時熱負荷波動較大，這是由于獸舍圍護結構保溫性能無法與民用建筑相比較;且圍護結構未構成封閉式空間，導致換氣次數設定增大，以上2個因素對建筑熱負荷計算產生較大影響。因此，以峰值熱負荷來確定熱泵機組型號顯然不夠合理準確。本文基于獸舍供熱需求及條件的特殊性提出了峰值熱負荷標準值的概念，且認為，確定一個合適的逐時熱負荷標準值是解決獸舍供熱問題的第一步。

借鑒供暖室外溫度t′w的確定方法，決定采用不保證天數法來確定合理的逐時熱負荷標準值。不保證天數法的原則是：容許獸舍室內實測溫度在幾天內稍低于室內計算溫度tn值，即容許這幾天的逐時負荷高于選定的逐時熱負荷標準值。不同國家對不保證天數的規定有所不同，有1，3和5 d的設定，中國現行的《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[16]中選定歷年平均不保證5 d的日平均溫度作為采暖室外計算溫度，因此本文確定全年在不保證5 d供熱的情況下確定峰值熱負荷標準值。

Q1Q=tw-tn1tw-tn。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：Q1為不保證5 d供熱情況下的逐時熱負荷，kW;Q為峰值熱負荷，kW;tw為冬季供暖室外計算溫度，℃;tn為室內設定溫度，℃;tn1為不保證5 d供熱情況下的室內溫度，℃。

通過式（1）計算，得出第120（5×24=120）時刻的逐時負荷為61.55 kW，即為狼獸舍峰值熱負荷標準值。此時，對應的時刻為全年的第704小時，此時的狼獸舍與工具間熱負荷占比如圖3所示。

從圖3中可知，狼獸舍熱負荷占比更大，因此，以狼獸舍室溫設定最高值作為計算標準，通過公式計算得出逐時負荷為61.55 kW時獸舍室溫為0.2 ℃。與設定的狼獸舍最低溫度相差1.8 ℃。

狼御寒首先靠的是厚實堅韌的皮毛。在與人類社會的關聯中，從古至今的獵戶們也常以狼皮來制作冬季保暖的衣物，可見其保暖能力。狼御寒的第2個途徑是食肉。狼作為肉食動物，皮下脂肪的積累能夠滿足其在冬季抵御寒冷的需要。最重要的是，狼擁有獨特的血液循環系統，血液在經腿部流向爪子的過程中被冷卻，因此狼爪中的血液為冷血，這使得狼在與雪地的接觸中，狼爪流失的熱量達到最低。同時，身體在厚實皮毛的保護下，最大程度減少了熱量流失，維持了體溫。圖4為熱感攝像機鏡頭下在冬季夜晚活動的狼，通過圖中的顏色對照表明熱量值，毛發呈現藍色說明其對熱量起到了很好的保護作用;腿部溫度明顯比狼爪溫度高，這與之前分析是一致的。從生育時間來看，低緯度地區狼的交配期在1月，高緯度地區狼的交配期在4月，孕期為61 d左右，無需特殊的供熱。因此2 ℃左右的溫差對于人工飼養的狼來說，不會造成較大的不適感，反而可以提升狼對環境的適應能力，避免因人工飼養而失去原有的極強的環境適應能力[17]。

2土壤源熱泵系統設計

利用TRNSYS軟件對狼獸舍土壤源熱泵系統進行模擬分析，模擬系統如圖5所示。

2.1系統計算

根據式（2）計算獸舍的打井數量。

Q′=Q·（1-1CCOP），（2）

式中：Q′為冬季從土壤吸取的熱量，kW;Q為熱負荷計算值，kW;CCOP為設計工況下地源熱泵機組的供熱系數。

由于動物獸舍僅考慮冬季供熱，此時土壤每延米吸熱量較冬夏兩用的土壤源熱泵系統的每延米吸熱量更小，結合檢測到的石家莊市土壤的每延米吸熱量（約35 W/m），在保證供熱效果的前提下給定1.2的富余量（修正系數），最終確定獸舍土壤源熱泵系統的每延米吸熱量為25 W/m，井深100 m，井口距土壤表層2 m。

L=1 000Q′W， （3）

式中：L為豎井總深度，m;W為單位孔深吸熱量，W/m。

N=LH，（4）

式中：N為豎井數目;H為單口豎井深度，m。

最終確定獸舍打井數量為20口，打井深度確定為100 m，打井形式為豎直雙U井。

系統流量計算如下：

G=3 600QcρΔt，（5）

式中：G為負荷側流量，m3/h;Q為建筑設計熱負荷，kW;c為循環介質比熱容，4.19×103 J/kg·℃;ρ為循環介質密度，1×103 kg/m3;Δt為供回水溫差，取5 ℃。

2.2系統其他參數的設定

根據狼獸舍的峰值熱負荷標準值（61.55 kW）對熱泵部件Type668設定，選定額定制熱量為67 kW、額定功率為15 kW的熱泵機組，機組CCOP為5。機組用戶側進口溫度為30 ℃，地源側進口溫度為14 ℃。

氣象參數部件Type109TMY中的氣象資料來自外部文件，并用TMY2格式以一定時間間隔來讀取數據。外部文件由Meteonorm導出石家莊市的氣象參數。

地埋管換熱器Type557a中，U形管外徑為0025 m，內徑為0.02 m，兩管間中心距為0.025 m，U形管管壁導熱率為0.42 ，不考慮兩管間的傳熱，地溫初值為16 ℃，間隙材料為水，導熱率為0.58 W/（m·k），間隙厚度為0.005 m。各井之間為并聯形式。

3模擬結果分析

分別在5，6，7 m的井間距下，對狼獸舍供熱區的土壤源熱泵系統進行模擬，模擬時間為0～25 176 h，通過對比土壤溫度和源側供回水溫度，分別對2個獸舍的供熱情況進行分析。根據TRNSYS中溫控器的設置，用戶側供水溫度控制在35～40 ℃，供回水溫差為5 ℃，數值相對穩定，因此，只對比不同井間距的運行情況，將不再討論用戶側溫度。

圖6為狼獸舍不同井間距下的土壤溫度變化曲線圖。

從圖6中可以看出，井間距越大，土壤溫度相對越高，越趨于穩定。當井間距為7 m時，在不加補熱系統的前提下，運行3年內土壤基本能穩定在145 ℃。隨著井間距加大，土壤供水溫度也相應提高，在供熱期不同井間距下，供水平均溫度分別為1304，13.24，13.37 ℃，回水最低溫度分別為5.33，576，6.03 ℃。狼獸舍的供熱需求小，打井數量少，6 m井間距條件下土壤源熱泵系統就可正常運行，但在7 m井間距條件下土壤源熱泵系統的運行效果更穩定。

7 m井間距條件下土壤源側供回水曲線圖如圖7所示。

第1階段，地埋管側供水溫度最高為15.9 ℃，最低為11.58 ℃，平均溫度為14.65 ℃，回水溫度最高為15.76 ℃，最低為7.62 ℃，平均溫度為13.74 ℃，土壤源側供回水平均溫差約為3.5 ℃，此時土壤溫度由初始的16 ℃下降為15.43 ℃，曲線整體較為穩定。

第2階段為非供熱期，系統停止運行，土壤溫度由15.43 ℃恢復到15.56 ℃。

第3階段為完整供熱期（11月15日至第2年的3月15日），土壤源側供回水溫度整體呈下降趨勢，供水溫度最高為15.51 ℃，最低為10 ℃，平均溫度為12.39 ℃，回水溫度最高為15.12 ℃，最低為603 ℃，平均溫度為10.28 ℃，此時土壤溫度由1552 ℃降至14.12 ℃。

第4階段，經過第2年非供熱期的土壤恢復，溫度從14.12 ℃上升至14.68 ℃。

第5階段為完整供熱期，從第2年的11月15日至第3年的3月15日，供回水溫度的整體變化趨勢與第2階段相同，整體呈下降趨勢，土壤源側供水溫度最高為14.51 ℃，最低為10.21 ℃，平均供水溫度為13.09 ℃，土壤源側回水溫度最高為14.51 ℃，最低為6.26 ℃，平均回水溫度為12.08 ℃，此時土壤溫度從14.52 ℃降至13.97 ℃。

第6階段為土壤恢復期，土壤溫度從13.97 ℃恢復到14.46 ℃。

根據以上數據分析，狼獸舍供熱區土壤源熱泵系統3年運行過程中，土壤溫度從16 ℃降至14.46 ℃。第1個完整供熱期土壤溫度下降1.4 ℃，第2個完整供熱期土壤下降0.55 ℃，第1個土壤恢復期恢復0.13 ℃，第2個恢復期恢復0.56 ℃，第3個土壤恢復期恢復0.49 ℃。供回水溫度都在正常運行范圍內，且供熱季開始前土壤溫度基本能恢復到上一個供熱開始時的溫度。因此，不考慮添加土壤補熱系統，采用土壤源熱泵系統進行供熱。

4結語

本文通過對狼獸舍的土壤源熱泵系統運行結果分析，得出以下結論。

1）狼獸舍負荷需求較小，打井數量少，因此土壤源熱泵系統運行時，根據本文的系統參數設置，土壤溫度最低為14 ℃，且基本穩定在14.5 ℃，能保證土壤供水溫度的要求。

2）通過對3種井間距下的土壤源熱泵系統模擬分析可知，5 m井間距條件下的土壤源側供水平均溫度為13.04 ℃，回水最低溫度為5.33 ℃，6 m井間距條件下的土壤源側供水平均溫度為13.24 ℃，回水最低溫度為5.76 ℃，7 m井間距下的土壤源側供水平均溫度為13.37 ℃，回水最低溫度為6.03 ℃。考慮到5 m井間距條件下的土壤源側供回水溫度較低，且土壤溫度變化幅度明顯，因此不建議選擇5 m井間距進行施工。6 m井間距的土壤源熱泵系統能保證系統正常運行，但是7 m井間距條件下的系統運行效果更好。

3）在其他條件不變的前提下，通過改變地埋管的井間距，進行對比模擬，可以發現井間距越大，土壤溫度相對越穩定，變化幅度越小，因此在條件允許的情況下，建議選擇井間距大的施工設計方案。

4）狼獸舍墻體無保溫，冷風滲透量大，導致熱損失較大。因此，建議在施工時對獸舍適當添加墻體保溫材料，在獸舍洞口可設置風幕等設施，減少熱損失，進一步減少打井數量、降低投資。

此外，本研究尚存在不足之處：

1）模擬時間較短，無法準確判斷10年以上的系統運行情況和土壤溫度變化情況;

2）本系統的末端形式為空調系統送風形式，但對于這種末端供熱形式的室內運行狀況還未進行詳細研究，今后應根據動物的實際高度對送風高度進行調整，確定最佳送風效果;

3）動物獸舍中，動物出入洞口為常開狀態，今后可以考慮安裝風幕或感應門來減少冷風滲透，同時對室內風場流動進行模擬，為確定安裝位置提供依據。

參考文獻/References：

[1]電力規劃設計總院.中國能源發展報告2018[EB/OL].http：//www.360doc.com/content/19/0502/20/3059286_832957164.shtml，20190502.

[2]李慧儉.地源熱泵機組最佳工況下的供熱系統能耗研究[D].張家口：河北建筑工程學院，2019.

LI Huijian. Study on Energy Consumption of Heating Supply System under Optimam Working Condition of Ground Source Heat Pump Unit[D]. Zhangjiakou： Hebei University of Architecture， 2019.

[3]袁浩波.蓄熱量對局部時段供暖房間能耗的影響研究[D].上海：東華大學，2015.

YUAN Haobo. Research on the Influence of Thermal Mass on Energy Consumption in Intermittent Heating Room[D]. Shanghai： Donghua University， 2015.

[4]楊林.多能互補分散式供熱系統優化設計研究[D].天津：天津大學，2017.

YANG Lin. Research on Optimization Design of Hybrid Energy System for Decentralized Heating[D]. Tianjin： Tianjin University， 2017.

[5]張鳳霞.天然氣在供暖應用中關鍵問題的研究[D].濟南：山東建筑大學，2017.

ZHANG Fengxia. The Study of the Key Problem of Natural Gas in the Heating Application[D]. Jinan： Shandong Jianzhu University， 2017.

[6]羨曉東.多能互補集中供熱系統應用研究[D].石家莊：河北科技大學，2019.

XIAN Xiaodong. Application Research of Multienergy Complementary Municipal Central Heating System[D]. Shijiazhuang： Hebei University of Science and Technology， 2019.

[7]肖彬，巫秀生，李敬珂.燃煤鍋爐環保技術改造[J].大氮肥，2019， 42（3）：204208.

XIAO Bin， WU Xiusheng， LI Jingke. Retrofit of environmental protection technology for coalfired boilers[J]. Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry， 2019， 42（3）： 204208.

[8]段宏瑋.燃氣鍋爐低氮燃燒改造的主要安全風險問題分析及防范措施[J].中國特種設備安全，2019， 35（6）：6264.

DUAN Hongwei. Cause analysis and preventive measures of common security risks in the low nitrogen combustion alternation of gas boilers[J]. China Special Equipment Safety， 2019， 35（6）： 6264.

[9]鄒晨露，崔雪，周斌，等.低碳環境下計及柔性負荷和電鍋爐的電熱聯合系統優化調度[J/OL].電測與儀表，2019， 56（18）：3440.

ZOU Chenlu， CUI Xue， ZHOU Bin，et al. Optimal dispatch of combined heat and power system considering flexible load and electric boiler under carbon trading environment [J/OL]. Electrical Measurement & Instrumentation， 2019， 56（18）： 3440.

[10]張了.小型低溫空氣源熱泵采暖在北京農村的適用性研究[D].北京：清華大學，2015.

ZHANG Liao. Research on Low Temperature Airsource Heat Pump for Residential Heating Application in Rural Area， Beijing[D]. Beijing： Tsinghua University， 2015.

[11]吳玥，劉馨，梁傳志，等.低溫空氣源熱泵的發展現狀與關鍵技術指標[J].建設科技，2019 （10）：2027.

WU Yue， LIU Xin， LIANG Chuanzhi， et al. Development status and key technical indicators of low temperature air source heat pump[J]. Construction Science and Technology， 2019 （10）： 2027.

[12]鄭克棪，陳梓慧.地熱供暖世界現狀及中國清潔供暖的地熱選擇[J].河北工業大學學報，2018， 47（2）：102107.

ZHENG Keyan， CHEN Zihui. World Status of geothermal space heating and geothermal option in china's clean heating [J]. Journal of Hebei University of Technology， 2018， 47（2）： 102107.

[13]鄭人瑞，周平，唐金榮.歐洲地熱資源開發利用現狀及啟示[J].中國礦業，2017， 26（5）：1319.

ZHENG Renrui， ZHOU Ping， TANG Jinrong. Current Status and enlightenments of geothermal development in Europe[J]. China Mining Magazine， 2017， 26（5）： 1319.

[14]韓靜洋，張強武，馬坤茹.季節性蓄熱的太陽能/地源熱泵耦合系統研究[J].供熱制冷，2019 （6）：3841.

HAN Jingyang， ZHANG Qiangwu， MA Kunru. Research on solar energyground source heat pump compound system with seasonal heat storage[J]. Heating & Refrigeration， 2019 （6）： 3841.

[15]陳芳.動物園圈養狼的飼養與繁殖[J].中國動物保健，2016， 18（6）：19.

[16]文澤球，劉衍，楊柳，等.嚴寒地區民用建筑熱工設計二級分區指標適用性分析[J].土木與環境工程學報（中英文），2019， 41（5）：183190.

WEN Zeqiu， LIU Yan， YANG Liu， et al. Applicability analysis of the second level index for dividing climate region for building thermal design in severe cold climate zone [J]. Journal of Civil and Environmental Engineering，2019， 41（5）： 183190.

[17]GB 50736—2012，民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].

[18]張永賓.黑背胡狼的飼養管理和繁殖[J].吉林畜牧獸醫，2018， 39（12）：7374.

收稿日期：20191013;修回日期：20191224;責任編輯：王海云

基金項目：河北省科學院科研基金（18702）

第一作者簡介：賈琪（1994—），女，河北張家口人，碩士研究生，主要從事暖通空調新能源利用與節能技術方面的研究。

通訊作者：崔明輝教授。Email：cuiminghui666@163.com

賈琪，陳俊亦，崔明輝，等.狼獸舍土壤源熱泵系統運行特性研究[J].河北工業科技，2020，37（1）：3439.

JIA Qi， CHEN Junyi， CUI Minghui， et al.Study on operation characteristics of soil source heating system in Wolf house [J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2020，37（1）：3439.