夏熱冬冷地區地埋管換熱器直接供冷系統模擬

鮑曉峰， 胡平放， 朱 娜，雷 飛， 邢 路， 王建東， 楊 陽， 林祖棟

(1.華中科技大學 環境學院， 湖北 武漢 430074; 2.綠城樂居建設管理集團有限公司， 浙江 杭州 310000)

1 概述

免費供冷技術是指當室內外環境到達一定條件時，采用現有環境下可直接利用的冷源替代制冷機組，滿足室內負荷需求的技術。其中，冷卻塔免費供冷技術被最早提出，發展最成熟，應用也最廣泛。冷卻塔免費供冷技術在我國北方及西北地區均可收到一定的節能效果，但受氣象條件、建筑負荷、系統形式等因素影響，該技術在其他地區的應用受到了較大的制約[1]。近年來，不少學者開展了土壤源直接供冷的相關技術研究，并在北方地區取得了良好的應用效果[2-5]。

我國夏熱冬冷地區典型城市主要分布在長江中下游及其周圍地區，該地區日平均溫度小于等于5 ℃的時間為60～89 d，夏季酷熱，冬季濕冷，供冷期室外濕球溫度基本高于19 ℃，很難達到使用冷卻塔進行直接供冷的技術要求。夏熱冬冷地區淺層地溫大都低于20 ℃，且基本恒定，可滿足毛細管輻射供冷的要求[6]。

毛細管輻射供冷供熱技術最早起源于北歐，具有室內舒適性好、高效節能、靜音穩定等優點，但由于表面易結露、安裝工藝不成熟等原因未得到廣泛推廣。近年來，隨著塑料管加工工藝的進步及運行方案的不斷優化，毛細管輻射供冷供熱技術重新引起學術界與消費市場重視[7]。與常規風機盤管相比，毛細管輻射裝置對冷熱源品質要求更低，可利用地埋管換熱器、冷卻塔等低品位冷源實現部分負荷下的室內供冷需求。且當供水溫度高于20 ℃時，輻射面基本不存在結露風險[8]。

本文以武漢某辦公房間為模擬對象，采用模擬方法，研究夏熱冬冷地區地埋管換熱器直接供冷系統(末端采用毛細管輻射供冷系統)的供冷期工作時段適用時間。采用相同模擬方法，確定合肥、南昌、上海、南京、杭州等夏熱冬冷城市供冷期工作時段適用時間。

2 模型建立

2.1 模擬對象

本文以武漢某高校的1間辦公室為原型進行建模分析(以下稱為模擬房間)。模擬房間位于一幢4層實驗樓(朝南坐落)1樓的西北角，建筑面積為35 m2，吊頂下有效層高2.7 m。西側與北側為240 mm厚外墻，西側墻上設有9 m2單層推拉窗。南側為走廊，寬2 m。東側為相鄰空調房間(布局同模擬房間)，配有分體式空調。模擬房間有內遮陽，太陽輻射得熱系數為0.55，室內活動人數為3人。圍護結構面積及傳熱系數見表1。

表1 圍護結構面積及傳熱系數

毛細管輻射吊頂由8張毛細管席并聯同程連接而成，單張尺寸為1.0 m×2.5 m。毛細管外直徑4.3 mm，壁厚0.8 mm，間距20 mm。模擬房間物理模型見圖1。

圖1 模擬房間物理模型

實驗樓設有地埋管地源熱泵空調系統，鉆孔孔徑110 mm，鉆孔深度60 m，采用黃沙回填，孔內埋有單U形豎直地埋管，外直徑32 mm，壁厚2.5 mm。選取其中1眼位置合適的鉆孔作為毛細管輻射供冷系統的冷源。土壤熱物性測試結果表明，土壤熱導率為2.4 W/(m·K)，單位體積熱容為1 265 kJ/(m3·K)。循環泵額定輸入電功率400 W。

2.2 仿真模型

采用TRNSYS軟件進行仿真模擬，供冷期為5月15日至9月30日[9]，供冷時間為工作時段(工作日9:00—17:00)。

在仿真平臺內將建筑組件(Type56a)、地埋管組件(Type557a)、循環泵組件(Type114)連接形成冷水循環系統。采用天氣組件(Type109)、空氣焓濕量調用組件(Type33e)、天空輻射組件(Type69b)連接形成氣象系統，并將數據導入建筑組件。采用控制器組件(Type2b)、時間表組件(Type14)、計算器組件(Equa)連接形成控制系統。采用輸出組件Ttype65c)、計算器組件(equa)連接形成輸出顯示系統。相鄰空調房間室內溫度設定為26 ℃，走廊與模擬房間的溫差始終保持為3 ℃，將地面、頂棚視為絕熱，西側與北側為外墻。

仿真系統結構(軟件截圖)見圖2。在建筑組件中模擬房間Roof設置時，添加active layer建立毛細管輻射供冷系統仿真模型，通過Auto segmentation命令，將吊頂劃分為8個區塊，單個區塊面積2.5 m2。使用Edit Building命令，設置室內人員發熱量為40 W/人，設備發熱量為50 W，照明裝置發熱量為5 W/m2。在地埋管組件設置時，土壤初始溫度取19.4 ℃，熱影響體(以鉆孔為中心的圓柱體，圓柱體高為鉆孔深度)體積3 000 m3。其他參數根據實際情況進行設定。

輸入數據及控制參數：采用武漢地區典型氣象年數據輸入氣象組件。冷水流量設定為1 m3/h。循環泵控制策略為：工作時段室內溫度高于27 ℃時開啟，冷水流量保持1 m3/h；非工作時段(室內無人且設備關停)關閉，開啟外窗自然通風(由軟件設定完成)。

3 模擬結果與分析

① 室內溫度

供冷期工作時段室內逐時溫度見圖3。在滿足室內舒適性需求條件下，當采用吊頂輻射供冷系統時，空調室內設計溫度可適當提高至27 ℃[10]。由圖3可知，供冷期工作時段室內平均溫度為28.2 ℃。供冷期工作時段有350 h室內溫度低于27 ℃，均分布在供冷初末期：供冷初期有208 h，供冷末期有142 h。

② 毛細管進出水溫

供冷期工作時段毛細管逐時進出水溫見圖4。由圖4可知，供冷期工作時段毛細管平均進水溫度為22.2 ℃，平均出水溫度為23.7 ℃，平均進出水溫差為1.5 ℃。

③ 適用時間

將預期平均評價值(Predicted Mean Vote，PMV)大于-1.5且小于1.5的時間作為地埋管換熱器直接供冷系統的適用時間。PMV是表征人體熱冷熱感的評價指標[11]，PMV值的7級分度見表2。

表2 PMV值的7級分度

PMV值由TRNSYS軟件計算，已知參數：人體代謝率按辦公室內輕微勞動人體取80 W/m2，人體周圍空氣溫度取室內平均溫度，人體周圍水蒸氣分壓力、平均輻射溫度由TRNSYS軟件計算(初值分別為2.5 kPa、20 ℃)，服裝熱阻取0.11 m2·K/W，室內空氣流速取0.2 m/s。

供冷期工作時段室內逐時PMV值見圖5。由圖5可知，供冷期工作時段適用時間有359 h，絕大多數分布在供冷初末期：供冷初期有279 h，供冷末期有79 h。

圖5 供冷期工作時段室內逐時PMV值

4 其他夏熱冬冷城市適用時間

選取夏熱冬冷地區5座城市，選取當地氣象參數并調整土壤熱物性參數[12]，模擬這5座城市辦公建筑地埋管換熱器直接供冷系統的供冷期工作時段適用時間(判定標準仍為PMV值大于-1.5且小于1.5)。除供冷期與武漢不同外，5座城市參與模擬的辦公室與武漢模擬房間設置相同，循環泵的控制策略也不變。

由模擬結果可知，這5座城市供冷期工作時段適用時間絕大多數分布在供冷初末期，供冷初末期工作時段適用時間見表3。由表3可知，合肥、南昌、上海、南京、杭州地埋管換熱器直接供冷系統均有較長的供冷期工作時段適用時間。在配置傳統制冷系統的基礎上，根據供冷期初末期的工作時段適用時間分布情況，優先采用地埋管換熱器直接供冷系統。縮短供冷期傳統制冷系統的工作時間，降低整體能耗。

表3 5座城市的供冷初末期工作時段適用時間

5 結論

① 對于武漢：供冷期工作時段室內平均溫度為28.2 ℃。供冷期工作時段有350 h室內溫度低于27 ℃，均分布在供冷初末期：供冷初期有208 h，供冷末期有142 h。供冷期工作時段毛細管平均進水溫度為22.2 ℃，平均出水溫度為23.7 ℃，平均進出水溫差為1.5 ℃。以PMV值為評價指標，供冷期工作時段適用時間有359 h，絕大多數分布在供冷初末期：供冷初期有279 h，供冷末期有79 h。

② 對于合肥、南昌、上海、南京、杭州：以PMV值為評價指標，供冷期工作時段適用時間絕大多數分布在供冷初末期，供冷初末期工作時段適用時間分別為358、281、495、436、429 h。