基于巖土失調(diào)溫度限值的土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)評價(jià)

王 勇，尹暢昱，金逸韜

(1.重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045；2.重慶大學(xué) 低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心，重慶 400045；3.蘇州工業(yè)園區(qū)設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，江蘇 蘇州 215021)

基于巖土失調(diào)溫度限值的土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)評價(jià)

王 勇1,2?，尹暢昱1,2，金逸韜3

(1.重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045；2.重慶大學(xué) 低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心，重慶 400045；3.蘇州工業(yè)園區(qū)設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，江蘇 蘇州 215021)

基于巖土失調(diào)溫度限值、建筑負(fù)荷特征、傳熱機(jī)理等多參數(shù)耦合的分析方法，提出了系統(tǒng)節(jié)能率、系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值和系統(tǒng)失效指標(biāo)等評價(jià)指標(biāo)，并建立了土壤蓄能狀態(tài)評價(jià)體系.以評價(jià)體系為基礎(chǔ)，通過CFD軟件建立三維地下埋管管群數(shù)值計(jì)算模型，構(gòu)建了評價(jià)全壽命周期內(nèi)的土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)的計(jì)算方法.計(jì)算和分析結(jié)果表明，評價(jià)體系和計(jì)算方法不僅可以較客觀地反映土壤的蓄能狀態(tài)，同時(shí)能夠預(yù)測基于實(shí)際工程運(yùn)行特性下的巖土失調(diào)溫度限值范圍和全壽命周期內(nèi)節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性的失效時(shí)間點(diǎn).

土壤源熱泵；全壽命周期；溫度限值；CFD模擬；土壤蓄能狀態(tài)

目前中國的土壤源熱泵系統(tǒng)發(fā)展越來越快，大規(guī)模的地下埋管換熱器對系統(tǒng)的長期高效運(yùn)行提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，土壤蓄能狀態(tài)問題已經(jīng)成為制約其科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵因素.花莉等[1]利用TRNSYS軟件進(jìn)行熱平衡問題影響分析，研究了冷熱負(fù)荷比較大時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行50年間COP的變化，并進(jìn)行單因素分析得出緩解由于冷熱不平衡而引起的土壤溫升的措施，但模擬中未將建筑負(fù)荷比與埋管工況等進(jìn)行多參數(shù)耦合分析，所以其結(jié)論對具體工程指導(dǎo)性不強(qiáng).范蕊等[2]將夏季土壤吸熱負(fù)荷100 kW，冬季土壤放熱負(fù)荷50 kW定義為土壤全年熱不平衡率為50%；冬夏季負(fù)荷相等定義為土壤全年熱不平衡率為0%，其定義沒有考慮土壤的自平衡能力和建筑負(fù)荷與埋管取(釋)熱負(fù)荷的耦合關(guān)系等因素.林東超等[3-4]提出土壤熱失衡問題應(yīng)從冬夏空調(diào)負(fù)荷情況、地埋管換熱器的間距、地埋管換熱器系統(tǒng)構(gòu)成和實(shí)際運(yùn)行情況等各方面進(jìn)行考慮，擬定系統(tǒng)不同負(fù)荷下的運(yùn)行策略，但未能建立以實(shí)際工程為基礎(chǔ)的三維管群模型，也沒有建立建筑負(fù)荷與機(jī)組出力負(fù)荷之間的耦合關(guān)系式.楊衛(wèi)波等[5]建立了部分埋管群的模型，計(jì)算了十年間的土壤溫度變化，得出冷負(fù)荷熱比較大時(shí)，土壤溫升較為明顯，且溫升與負(fù)荷比呈正相關(guān)，但因?yàn)槟Ｐ腿源嬖谝欢ǖ募俣l件，也未以全壽命周期為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，所以未能給出土壤溫度對熱泵系統(tǒng)失效的限值.

由于目前土壤蓄能狀態(tài)評價(jià)模型的缺失，定義的不明確，地下三維管群模型的失真度較高，造成熱平衡理論研究的突破點(diǎn)較少.所以越來越多的研究偏向于從實(shí)際工程出發(fā)，基于測試數(shù)據(jù)，對土壤蓄能狀態(tài)進(jìn)行分析評判.楊紅輝等[6]實(shí)地測試北京某工程的單U管和雙U管的換熱情況，得出雖然冷熱負(fù)荷差存在一定不匹配，但是大地可以平衡一部分冷熱負(fù)荷差，但是其測試未能取得管群的影響效果，也未給出大地自我調(diào)節(jié)的極限溫度值.范龍華等[7-9]已經(jīng)意識到土壤蓄能失衡的主要原因是冬夏季負(fù)荷不等，但是埋管深度、管間距和建筑負(fù)荷等因素也存在影響，根據(jù)工程實(shí)際提出了分區(qū)運(yùn)行，間歇運(yùn)行，增加冰蓄冷系統(tǒng)等策略，但是仍處于定性分析的階段，未能給出土壤蓄能失調(diào)溫度限值和輔助冷熱源開啟時(shí)機(jī)等參數(shù)的定量結(jié)果.楊昌智等[10]創(chuàng)造性地提出單位井深換熱成本指數(shù)，將運(yùn)行費(fèi)用與換熱能力結(jié)合，在一定程度上反映系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，但是未將末端和機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用考慮在內(nèi).

目前研究中用到的土壤源熱泵土壤失效溫度基本取自GB 50366—2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，而規(guī)范中的溫度限值僅僅是保證機(jī)組正常運(yùn)行的低位冷卻水/輔熱水溫度范圍，當(dāng)作為巖土溫度限值時(shí)并不能保證熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性.缺少對土壤蓄能狀態(tài)的評價(jià)和定義，缺乏多參數(shù)耦合分析，無法建立與實(shí)際工程高度仿真的埋管三維管群模型，這是目前對土壤源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題分析的不足之處.對于土壤源熱泵的土壤蓄能狀態(tài)分析僅僅停留在冬夏季負(fù)荷或累計(jì)負(fù)荷比上進(jìn)行估算是不科學(xué)的，必須將建筑負(fù)荷特征，機(jī)組級數(shù)控制，傳熱機(jī)理，埋管工況等多參數(shù)耦合建模，考慮動(dòng)態(tài)能效，進(jìn)行全壽命周期內(nèi)土壤蓄能狀態(tài)的分析[11].

在已有研究成果的基礎(chǔ)上，針對目前研究的不足，筆者建立了以系統(tǒng)節(jié)能率、系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值和系統(tǒng)失效指標(biāo)為基礎(chǔ)的土壤蓄能狀態(tài)的評價(jià)模型以及土壤蓄能狀態(tài)；引入機(jī)組動(dòng)態(tài)能效，以建筑末端負(fù)荷和非穩(wěn)態(tài)三維管群模型為基礎(chǔ)[12]，考慮整個(gè)壽命周期內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行工況，提出了一種分析評價(jià)土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤蓄能狀態(tài)的一般計(jì)算方法.

1 評價(jià)參數(shù)數(shù)學(xué)描述

1.1 系統(tǒng)節(jié)能率

為了具體說明土壤源熱泵系統(tǒng)相對常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能特點(diǎn)，以常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的能效比為對比基礎(chǔ)，分析土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)相對于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率[13].系統(tǒng)節(jié)能率定義為以使用冷水機(jī)組和燃?xì)忮仩t的常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)能效為比較對象，EERs1(t) 為土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的能效比，EERs2(t) 為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的能效比，兩者的差值與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的能效比相比，得到系統(tǒng)節(jié)能率f.系統(tǒng)節(jié)能率的數(shù)學(xué)描述表達(dá)為：

(1)

系統(tǒng)節(jié)能率f值若為正值，則代表t時(shí)刻土壤源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行能效比高于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，反之則相反.

1.2 系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值

系統(tǒng)節(jié)能率說明土壤源熱泵系統(tǒng)相對常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能特點(diǎn)，但無法說明節(jié)能量的多少，故需要對兩個(gè)系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的系統(tǒng)總能耗(運(yùn)行費(fèi)用)進(jìn)行計(jì)算.

1)土壤源熱泵系統(tǒng)的總能耗W的構(gòu)成：熱泵機(jī)組的能耗W1，地埋管側(cè)水泵的能耗W2，用戶側(cè)循環(huán)水泵的能耗W3，水處理儀的能耗W4及末端風(fēng)系統(tǒng)的能耗W5等.

2)常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的總能耗N的構(gòu)成：冷水機(jī)組與燃?xì)忮仩t的能耗N1，冷卻水泵的能耗N2，用戶側(cè)循環(huán)水泵的能耗N3，水處理儀的能耗N4，末端風(fēng)系統(tǒng)的能耗N5及冷卻塔的能耗N6等.

3)系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值的計(jì)算方法：數(shù)值計(jì)算的時(shí)間步長取為1 d，故系統(tǒng)總能耗的計(jì)算結(jié)果也應(yīng)以“d”為最小單位.例如，第n年第td的常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)及土壤源熱泵系統(tǒng)的能耗可按式(2),(3)計(jì)算：

N(t)=[N1(t)+N2(t)+N3(t)+N4(t)+

N5(t)+N6(t)]×24；

(2)

W(t)=[W1(t)+W2(t)+W3(t)+W4(t)+

W5(t)]×24．

(3)

故土壤源熱泵系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值(S1)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值(S2)可分別按式(4),(5)計(jì)算：

(4)

(5)

式中:P為電價(jià);i為折現(xiàn)率，由于系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值的計(jì)算周期為全壽命周期，不可以忽略資金的時(shí)間價(jià)值(包括通貨膨脹、收回資金的不確定性及機(jī)會(huì)成本)[14]，需要考慮折現(xiàn)率，本文采用2%～3%[15].

1.3 系統(tǒng)失效指標(biāo)

系統(tǒng)失效指標(biāo)是指土壤溫度T與保證熱泵系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性的土壤溫度范圍M(Tmin，Tmax)的關(guān)系，指標(biāo)失效也即巖土溫度已不適合土壤源熱泵系統(tǒng)正常運(yùn)行，即

1)當(dāng)T

2)當(dāng)T∈M時(shí)，指標(biāo)即將失效，建議采用相應(yīng)措施來緩解；

3)當(dāng)T>Tmax時(shí)，指標(biāo)已失效，必須采用相應(yīng)措施保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行．

同一建筑對于地埋管換熱器系統(tǒng)中的不同鉆孔，由于幾何位置不同，傳熱條件也不盡相同，本文在計(jì)算地埋管換熱器系統(tǒng)失效問題時(shí)選擇最不利的鉆孔來進(jìn)行判斷.

GB 50366—2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定地埋管地源熱泵系統(tǒng)熱泵機(jī)組正常運(yùn)行的冷熱源溫度范圍：10～40 ℃(制冷)，-5～25 ℃(制熱)，該溫度限值僅僅是針對保證機(jī)組正常運(yùn)行的低位冷卻水/輔熱水溫度范圍.指標(biāo)失效的主要原因是地下累積的冷(熱)超出了土壤的自平衡能力，失效指標(biāo)是土壤蓄能平衡評價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)，土壤蓄能是否平衡直接關(guān)聯(lián)指標(biāo)是否失效.本文提出的土壤蓄能狀態(tài)和計(jì)算方法是將全壽命周期內(nèi)的土壤源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行耦合，并考慮全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷和大地自平衡能力，可以較準(zhǔn)確地預(yù)測全壽命周期內(nèi)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性的失效區(qū)間以及對應(yīng)參數(shù).

2 土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)

土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)涉及到多參數(shù)評價(jià)，為了定義土壤蓄能狀態(tài)，首先要定義巖土失調(diào)溫度限值，而該定義又與各種巖土溫度相關(guān).

2.1 與巖土溫度失調(diào)限值相關(guān)的各種巖土溫度

2.1.1 巖土溫度

實(shí)際情況下，在沿埋管半徑的水平方向上，巖土的溫度會(huì)隨距埋管中心的距離不同而有所變化；在沿埋管深度的豎直方向上，巖土的溫度會(huì)隨埋管深度的不同而有所變化.故巖土溫度的定義對象不能是一個(gè)簡單的點(diǎn)或是一個(gè)面，而是能夠綜合評價(jià)巖土溫度的定義.

考慮到埋管近管壁處的巖土溫度對地埋管運(yùn)行周期內(nèi)埋管的換熱性能及埋管進(jìn)、出口水溫度的影響較大，從而影響熱泵機(jī)組的能耗及系統(tǒng)的能效比，故將影響系統(tǒng)能耗及能效比的巖土溫度定義為：埋管回填孔壁及其以內(nèi)回填體的巖土溫度[16].巖土溫度t*的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(6)

式中:V為整個(gè)回填區(qū)域體；txyz為V區(qū)域體內(nèi)各單元體積的溫度值.

2.1.2 系統(tǒng)能效溫度限值的定義

當(dāng)巖土溫度t*達(dá)到某一值時(shí)，此巖土溫度下的埋管出水溫度導(dǎo)致系統(tǒng)節(jié)能率小于零，這個(gè)溫度值就是巖土的能效溫度限值.能效溫度限值表征的是兩個(gè)系統(tǒng)能效比高低的臨界點(diǎn)，是瞬態(tài)值，不適用于全壽命周期內(nèi)巖土溫度限值的評價(jià).

2.1.3 系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用溫度限值的定義

當(dāng)巖土溫度t*達(dá)到某一值時(shí)，土壤源熱泵系統(tǒng)的累計(jì)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值(S1)超過常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的累計(jì)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值(S2)，這個(gè)溫度值就是巖土的運(yùn)行費(fèi)用溫度限值.由于運(yùn)行費(fèi)用溫度限值從能效的累積上對巖土溫度進(jìn)行了分析，故可以根據(jù)它來評價(jià)巖土溫度失調(diào)限值.

圖1為土壤源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值之差(S1-S2)的趨勢圖.從第4年開始，系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用就由于熱累積效應(yīng)開始逐漸上升，但是系統(tǒng)仍處于經(jīng)濟(jì)區(qū)，第7年開始是震蕩區(qū)，這是因?yàn)榇蟮貛r土自身的冷熱調(diào)節(jié)，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用隨季節(jié)變化的波動(dòng).在第9年左右出現(xiàn)了一個(gè)運(yùn)行費(fèi)用溫度限值點(diǎn)，當(dāng)經(jīng)過這個(gè)點(diǎn)以后S1恒大于S2，系統(tǒng)進(jìn)入非經(jīng)濟(jì)區(qū).

年度

由于在土壤源熱泵系統(tǒng)全壽命周期的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)運(yùn)行費(fèi)用溫度限值點(diǎn)，則土壤源熱泵系統(tǒng)的巖土失調(diào)溫度限值范圍應(yīng)為最小值點(diǎn)至最大值點(diǎn).

2.2 巖土失調(diào)溫度限值

巖土失調(diào)溫度限值可定義為：在空調(diào)系統(tǒng)正常使用周期內(nèi)，以給定的建筑負(fù)荷特征為基礎(chǔ)，計(jì)算時(shí)間以年為單位，當(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用之差為零時(shí)求解得到的對應(yīng)溫度，其溫度變化范圍為區(qū)間L(Tmin，Tmax).將區(qū)間L賦值于系統(tǒng)失效指標(biāo)的區(qū)間M，即可得到針對工程實(shí)際的保證系統(tǒng)節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性的系統(tǒng)失效指標(biāo).該參數(shù)可以用系統(tǒng)節(jié)能率f和系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值S來表征.

2.3 土壤蓄能狀態(tài)

在理解巖土溫度失調(diào)限值定義的基礎(chǔ)上，就可以定義土壤蓄能狀態(tài)：在空調(diào)系統(tǒng)正常使用周期內(nèi)，以給定的建筑負(fù)荷特征為基礎(chǔ)，計(jì)算時(shí)間以年為單位，如果系統(tǒng)節(jié)能率恒大于零，且系統(tǒng)失效指標(biāo)不失效，則稱該負(fù)荷特征對應(yīng)下的土壤蓄能處于平衡狀態(tài)；如果系統(tǒng)節(jié)能率小于零，或系統(tǒng)失效指標(biāo)失效，則稱該負(fù)荷特征對應(yīng)下的土壤蓄能處于不平衡狀態(tài).

3 計(jì)算方法、數(shù)學(xué)模型描述

3.1 建筑逐時(shí)能耗計(jì)算

本文采用DeST軟件作為建筑能耗模擬軟件.根據(jù)項(xiàng)目的施工圖，按照建筑實(shí)際情況建立模型，室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)參考GB 50189-2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，可以得到示例工程的逐時(shí)負(fù)荷圖.

3.2 末端負(fù)荷至出力負(fù)荷轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型

根據(jù)熱泵機(jī)組的壓縮機(jī)級數(shù)調(diào)節(jié)和啟?？刂撇呗詠硖幚斫ㄖ饡r(shí)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，將末端側(cè)的冷熱負(fù)荷需求量Q1轉(zhuǎn)化為熱泵機(jī)組的實(shí)際冷熱負(fù)荷輸出量Q2.以夏季制冷工況為例，以具體項(xiàng)目的熱泵機(jī)組的壓縮機(jī)實(shí)際調(diào)節(jié)級數(shù)為基礎(chǔ)，將建筑逐時(shí)負(fù)荷導(dǎo)入編譯的程序后，得到機(jī)組的出力逐時(shí)負(fù)荷[9].

為保證土壤源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)有一個(gè)比較的平臺(tái)，假設(shè)冷水機(jī)組在夏季的啟停及運(yùn)行情況的確定方法與土壤源熱泵機(jī)組一致，而冬季燃?xì)忮仩t的啟停及運(yùn)行情況則由建筑負(fù)荷直接決定.根據(jù)工程的實(shí)際冷水機(jī)組及燃?xì)忮仩t選型可以得到常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的逐時(shí)出力負(fù)荷.

3.3 動(dòng)態(tài)能效比下出力負(fù)荷與進(jìn)出水溫耦合關(guān)系數(shù)學(xué)模型

3.3.1 土壤源熱泵機(jī)組耦合關(guān)系式

熱泵機(jī)組的出力負(fù)荷Q2與向大地的放(取)熱量Q3之間的關(guān)系式在文獻(xiàn)[17]中可以查得，該式適用于冬、夏季工況.

EER=Q2/Php，

(7)

(8)

(9)

3.3.2 冷水機(jī)組耦合關(guān)系式

常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)夏季制冷依靠冷水機(jī)組和冷卻塔，若需要進(jìn)行冷水機(jī)組的動(dòng)態(tài)能效分析，需要建立冷卻塔模型，以逆流式冷卻塔作為討論對象.冷卻塔的冷卻數(shù)N可以由冷卻塔進(jìn)水溫度t1，出水溫度t2，室外空氣濕球溫度ts三者組成的函數(shù)計(jì)算[18].

根據(jù)工程實(shí)際數(shù)據(jù)求得冷卻塔的特性數(shù)N′=1.07,再按照圖2所示的流程圖進(jìn)行冷卻塔出水溫度的求解.

圖2 冷卻塔出水溫度的求解流程圖

3.4 土壤源熱泵系統(tǒng)及常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗數(shù)學(xué)模型

3.4.1 土壤源熱泵系統(tǒng)全年能耗數(shù)學(xué)模型

土壤源熱泵系統(tǒng)的能耗模型為：

(10)

式中：Q(t)為熱泵機(jī)組的制冷(熱)量；W1(t)為熱泵機(jī)組的運(yùn)行能耗；W2(t)為地埋管側(cè)水泵的運(yùn)行能耗；W3(t)為用戶側(cè)循環(huán)水泵的運(yùn)行能耗；W4(t)為水處理儀能耗；W5(t)為末端風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗；t為空調(diào)的運(yùn)行時(shí)刻.

3.4.2 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)全年能耗數(shù)學(xué)模型

常規(guī)系統(tǒng)的系統(tǒng)能耗數(shù)學(xué)方程式可用式(11)表示：

EERs2(t)=

(11)

式中：Q(t)為夏季制冷工況下為冷水機(jī)組的制冷量，冬季制熱工況下為燃?xì)忮仩t的制熱量；N1(t)為夏季制冷工況下為冷水機(jī)組的運(yùn)行能耗，冬季制熱工況下為燃?xì)忮仩t的運(yùn)行能耗；N2(t)為夏季制冷工況下，冷卻側(cè)水泵的運(yùn)行能耗；N3(t)為用戶側(cè)循環(huán)水泵的運(yùn)行能耗；N4(t)為水處理儀能耗；N5(t)為末端風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗；N6(t) 為夏季制冷工況下，冷卻塔的運(yùn)行能耗；t為空調(diào)的運(yùn)行時(shí)刻.系統(tǒng)冷源為冷水機(jī)組+冷卻塔，熱源為鍋爐.對于冬季來說，W2(t)=W3(t)=0.

由式(10)和(11)可以計(jì)算得到兩種系統(tǒng)的能效比，再由式(1)可以計(jì)算土壤源熱泵系統(tǒng)相比于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的系統(tǒng)節(jié)能率，從而評價(jià)土壤源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性.

上述能耗模型中各項(xiàng)的詳細(xì)能耗數(shù)學(xué)模型在很多論文中都有提及，模型已比較完善，本文采用課題組建立的已有模型[11-12].

4 基于三維傳熱管群模型的實(shí)際工程計(jì)算分析

4.1 工程概況

該示例工程位于重慶市，空調(diào)系統(tǒng)在夏季為該樓裙房(共4層，第1層主要為食堂；第2層主要為辦公室和會(huì)議室；第3和第4層為專家公寓)供冷，總冷負(fù)荷為231.21kW.冬季為該樓第1層食堂、第2層辦公室和會(huì)議室的低溫輻射地板及副樓羽毛球場供暖，總熱負(fù)荷為230kW.地埋管換熱器布置在建筑旁邊的草坪下面，地下?lián)Q熱器系統(tǒng)由60個(gè)鉆孔組成，鉆孔成6×10矩形布置，鉆孔直徑110mm，鉆孔之間的距離為4m，換熱器采用直徑為25mm，深度為80m的PE管，兩支管間距為50mm，埋管換熱器回水管上設(shè)有60m深的保溫層，管群沒有分區(qū)[12].

該工程選用2臺(tái)3機(jī)頭熱泵機(jī)組，壓縮機(jī)級數(shù)調(diào)節(jié)分為“0%，-33%，-66%，-100%” 4個(gè)等級，壓縮機(jī)運(yùn)行級數(shù)的選擇由末端負(fù)荷大小決定.熱泵機(jī)組的啟停控制策略見表1，控制策略參數(shù)分為冬季運(yùn)行工況和夏季運(yùn)行工況.

表1 熱泵機(jī)組啟停控制策略

4.2 地下巖土三維傳熱管群模型

數(shù)值計(jì)算的幾何模型按示例工程實(shí)際情況建立，所以該模型是高度仿真的.模型中共60組地埋管,取1/4區(qū)域埋管，其布置示意圖如圖3所示.

圖3 三維管群模型平面布置示意圖

為了便于計(jì)算分析，作出以下簡化：

1)埋管內(nèi)液體的流速在徑向上均勻一致；

2)假定巖土的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度等物性參數(shù)不隨溫度的變化而變化，且是均勻一致的；

3)地埋管同截面具有相同的溫度和流速；

4)忽略巖土中水分遷移而引起的熱濕遷移；

5)忽略巖土表面夜間輻射的得熱、失熱；

6)忽略回填材料和孔洞的接觸熱阻.

鉆孔孔深80 m，管間距為4 m，鉆孔直徑130 mm，進(jìn)、出水管為DN25，管內(nèi)流速為0.818 m/s (按所選熱泵機(jī)組流量計(jì)算而得)，三維模型遠(yuǎn)邊界延伸至管群外10 m.整個(gè)模型為一個(gè)28 m× 20 m ×80 m(長×寬×高)的長方體，采用Gambit建模，總網(wǎng)格數(shù)約120萬.網(wǎng)格劃分情況如圖4所示.

將系統(tǒng)能效測試解和數(shù)值解進(jìn)行對比分析，可以得到該模型的系統(tǒng)能效偏差，地埋管溫度偏差都在誤差范圍之內(nèi)，故可知所建立的三維管群模型用于地埋管換熱器土壤熱響應(yīng)計(jì)算是可行的[12].

圖4 三維管群模型網(wǎng)格劃分圖

5 土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)分析的一般計(jì)算方法流程圖

土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)分析的一般計(jì)算方法流程圖如圖5所示.

1)利用DeST軟件計(jì)算得到建筑全年逐時(shí)末端負(fù)荷；

2)利用末端負(fù)荷至出力負(fù)荷轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型求得熱泵機(jī)組及冷水機(jī)組(鍋爐)的全年出力負(fù)荷；

3)利用出力負(fù)荷與進(jìn)出水溫耦合關(guān)系數(shù)學(xué)模型求得動(dòng)態(tài)能效比下的數(shù)值計(jì)算模型埋管進(jìn)出水溫度；

4)將埋管進(jìn)、出水溫度的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系式通過UDF作為埋管進(jìn)口的邊界條件，導(dǎo)入高度仿真的數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行全壽命周期的流動(dòng)、換熱計(jì)算，求得全壽命周期內(nèi)地下?lián)Q熱器埋管進(jìn)出水溫度及土壤溫度分布場；

5)將數(shù)值計(jì)算得到的全壽命周期埋管出水溫度導(dǎo)入土壤源熱泵系統(tǒng)的能耗模型，再代入S1，S2，EERs1，EERs2，f的定義式求得土壤源熱泵系統(tǒng)及常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的全壽命周期運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值S1和S2和系統(tǒng)節(jié)能率f.

6 計(jì)算結(jié)果分析

6.1 土壤蓄能處于平衡狀態(tài)的情況

對4.1節(jié)中提到的4層建筑所有負(fù)荷進(jìn)行分析計(jì)算.冬夏季累計(jì)負(fù)荷比為1∶1.55.

按圖5所示流程圖進(jìn)行運(yùn)算，最終系統(tǒng)節(jié)能率和系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值分別如圖6和圖7所示.

圖5 一般計(jì)算方法流程圖

年度

年度

按照本文所提出的計(jì)算方法可以得知，全壽命周期內(nèi)，土壤源熱泵系統(tǒng)的能效比始終比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)高，系統(tǒng)節(jié)能率f>0；同時(shí)S1-S2=0方程無解，土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值恒小于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值，也即不存在運(yùn)行費(fèi)用溫度限值，所以該土壤源熱泵系統(tǒng)在此工況下運(yùn)行不存在巖土溫度失調(diào)限值，區(qū)間為空集?.

再按照本文所提出的計(jì)算方法可以得知，系統(tǒng)節(jié)能率f>0，且土壤溫度T∈?恒不成立，系統(tǒng)失效指標(biāo)恒不失效，所以該土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能處于平衡狀態(tài).綜上可知，該熱泵系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)，以4層樓的全部建筑負(fù)荷為基礎(chǔ)，以年為單位計(jì)算時(shí)間,系統(tǒng)不存在巖土溫度失調(diào)限值,且大地蓄能是平衡的,不必采用相應(yīng)措施來主動(dòng)調(diào)節(jié)大地蓄能，從4年實(shí)際運(yùn)行效果看，系統(tǒng)運(yùn)行是穩(wěn)定的.

6.2 土壤蓄能處于不平衡狀態(tài)的情況

為了尋求土壤蓄能處于不平衡狀態(tài)的情況，現(xiàn)假設(shè)該項(xiàng)目冬季供暖的副樓羽毛球場不使用，即對4.1節(jié)中提到的4層建筑所有負(fù)荷除冬季副樓羽毛球場的供暖負(fù)荷外按照計(jì)算方法對該工程重新進(jìn)行計(jì)算分析.冬夏季累計(jì)負(fù)荷比為1∶4.82.

經(jīng)流程圖運(yùn)算，最終系統(tǒng)節(jié)能率和系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值分別如圖8和圖9所示.

按照本文所提出的計(jì)算方法可以得知，全壽命周期內(nèi)，可求得S1-S2=0出現(xiàn)了最小，最大解——A和B，由運(yùn)行費(fèi)用溫度限值定義和計(jì)算方法可知，將A，B點(diǎn)對應(yīng)查詢土壤溫度，得到限值區(qū)間L(TA，TB)就是該熱泵系統(tǒng)的巖土失調(diào)溫度限值區(qū)間L(31.22 ℃，34.26 ℃)，將區(qū)間L賦值于系統(tǒng)失效指標(biāo)的區(qū)間M，得到系統(tǒng)失效指標(biāo)的土壤溫度范圍為M(31.22 ℃，34.26 ℃).

按照本文所提出的計(jì)算方法可以得知：

1)開始運(yùn)行至第1年夏季，土壤源熱泵系統(tǒng)能效比要比常規(guī)冷熱源系統(tǒng)能效比高，且土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值要比常規(guī)冷熱源運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值低，所以該熱泵系統(tǒng)土壤蓄能處于平衡狀態(tài).

年度

年度

2)第1年夏季至第7年秋季，土壤源熱泵系統(tǒng)能效比要比常規(guī)冷熱源系統(tǒng)能效比低，但土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值也要比常規(guī)冷熱源運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值低，建議采用相應(yīng)措施來主動(dòng)調(diào)節(jié)大地蓄能，以緩解土壤蓄能不平衡狀態(tài).

3)第7年秋季至第8年夏季及以后，土壤源熱泵系統(tǒng)能效比要比常規(guī)冷熱源系統(tǒng)能效比低，且土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值要比常規(guī)冷熱源運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值高，必須采用相應(yīng)措施來主動(dòng)調(diào)節(jié)大地蓄能，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行.

7 結(jié) 論

1) 建立了以系統(tǒng)節(jié)能率、系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值和系統(tǒng)失效指標(biāo)等參數(shù)為基礎(chǔ)的評價(jià)模型，可以客觀具體地反映土壤蓄能狀態(tài)，同時(shí)利用評價(jià)模型對土壤蓄能狀態(tài)進(jìn)行了評價(jià).

2) 提出了一種能分析評價(jià)土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤蓄能狀態(tài)的一般計(jì)算方法，利用該計(jì)算方法能夠?qū)ν寥涝礋岜孟到y(tǒng)的土壤蓄能的平衡狀態(tài)或不平衡狀態(tài)進(jìn)行定量分析.

3) 利用該計(jì)算方法得出了可以保證系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性的巖土失調(diào)溫度限值范圍，同時(shí)結(jié)合運(yùn)行后的工程實(shí)際，對土壤源熱泵的土壤蓄能狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，從而對全壽命周期內(nèi)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性的失效時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測，以便維護(hù)人員提前做好相應(yīng)措施來滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的需要.

4) 土壤蓄能平衡研究涉及到的參數(shù)較多，包括地下水流動(dòng)的影響等，沒有在評價(jià)模型中體現(xiàn)，在后續(xù)的研究中，將不斷改進(jìn)和完善模型，同時(shí)簡化計(jì)算方法，使其更實(shí)用于工程實(shí)際.

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Evaluation of the Ground Energy Storage Condition of Ground Source Heat Pump System Based on Energy Storage Imbalance Temperature Limit

WANG Yong1,2?，YIN Chang-yu1,2，JIN Yi-tao3

(1.Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region's Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing Univ, Chongqing 400045, China； 2.National Centre for International Research of Low-carbon and Green Buildings, Chongqing Univ, Chongqing 400045, China；3. Suzhou Industrial Park Design & Research Institute Co, Ltd, Suzhou, Jiangsu 215021, China)

Based on the analysis of multi-parameter coupling, which is based on ground source imbalance temperature limit, the building load characteristics and the heat transfer mechanism, this paper put forward an evaluation index, including the energy storage imbalance temperature limit, energy imbalance, and system invalidating indicator, and built the evaluation system on ground energy storage condition. Based on this evaluation system, by using the three-dimensional pipe-group model created by CFD software, a calculation method to accurately analyze the ground energy storage condition of ground source heat pump system was proposed. The result of calculation and analysis show that the evaluation system and calculation method reflect ground energy storage condition objectively and the ground source imbalance temperature limit can be concluded on the basis of the characteristics of practical projects in this method. The failure time of energy saving and efficiency can be predicted in the life cycle.

geothermal heat pumps; life cycle; temperature limit; CFD simulation; ground energy storage condition

1674-2974(2015)01-0127-09

2014-02-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178482)，National Natural Science Foundation of China(51178482)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助項(xiàng)目(B13041)

王 勇(1971-)，男，重慶人，重慶大學(xué)教授，博士?通訊聯(lián)系人，E-mail:wyfree1@126.com

TU381

A