嚴寒地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)關鍵設計參數(shù)研究

馬珂妍，王松慶，劉曙光，賀士晶

(東北林業(yè)大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

在全球性能源危機和環(huán)境問題日益嚴峻的背景下，地源熱泵作為一種低能耗、無污染、可再生的新型能源，在國內(nèi)外得到廣泛的應用。但是在大多數(shù)情況下地源熱泵從土壤的取放熱量是不平衡的，土壤熱量的收支失衡不利于系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行［1］。在我國的夏熱冬冷地區(qū)以冷負荷為主，針對這種負荷特性Yi 等［2］提出了HGCHP 系統(tǒng)來限制熱量傳遞，花莉、鄧小茜等［3－4］對于熱不平衡問題的影響因素進了研究，并對系統(tǒng)的長期運行進行了回歸分析。宋胡偉等［5］通過研究不同地區(qū)的負荷特性認為低緯度地區(qū)應采用其他冷熱源輔助土壤源熱泵運行。以上成果均對我國嚴寒地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)運行研究提供了經(jīng)驗。在嚴寒地區(qū)，土壤熱量的收支失衡更為嚴重，使得地源熱泵的應用極大受限，為此，王瀟等［6］提出了嚴寒地區(qū)太陽能－地埋管地源熱泵系統(tǒng)的新型運行模式，并進行了初步的供暖實驗研究。張姝［7］提出了空氣源土壤蓄熱式熱泵(HPASSHS)系統(tǒng)，采用空氣源蓄熱方法實現(xiàn)自然能量的移季利用，為嚴寒地區(qū)應用地源熱泵供熱技術提供了新途徑。以上多種聯(lián)合運行方案的實施均應以各設計參數(shù)的最優(yōu)化為基礎。

本文針對嚴寒地區(qū)的特殊工況，因地制宜，對地源熱泵的關鍵設計進行分析，如土壤熱物性、回填材料熱特性、埋管設置等，探討系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化方略，使地源熱泵系統(tǒng)能夠在嚴寒地區(qū)發(fā)揮最大優(yōu)勢，達到節(jié)能和環(huán)保的目的，同時也為聯(lián)合運行方案的制定提供可靠依據(jù)。

1 地源熱泵系統(tǒng)運行特性分析

1．1 建筑負荷分析

地源熱泵的換熱性能與建筑負荷相互耦合，建筑負荷的全年變化特征分析是關鍵設計參數(shù)及特性分析的前提，因此在研究地源熱泵運行特性前，先要確定建筑的全年動態(tài)負荷情況。

本文的研究選用齊齊哈爾(嚴寒地區(qū)A 區(qū)典型城市)某一典型辦公建筑作為研究對象。參照規(guī)范［8－9］的相關規(guī)定設置建筑概況和空調(diào)系統(tǒng)，主要參數(shù)設置如表1 所示。

表1 建筑及空調(diào)系統(tǒng)主要參數(shù)設置情況

通過DeST 能耗分析軟件計算建筑逐時負荷，設定計算周期為1 年。對動態(tài)負荷結(jié)果進行分析得到全年最大熱負荷為611．29 kW，全年最大冷負荷為356．20 kW，冷熱負荷最大值之比為1∶1．72。

1．2 TRNSYS 中參數(shù)設置

本文在TRNSYS 中所建立的地源熱泵系統(tǒng)模型主要由地埋管換熱器模型、熱泵機組模型和負荷側(cè)水環(huán)路模型組成。建筑逐時負荷經(jīng)由末端裝置轉(zhuǎn)化為對應的水溫和流量，輸入熱泵機組，熱泵機組將基于蒸發(fā)器和冷凝器不同的輸入溫度而輸出不同的冷/熱量和耗電量。地埋管換熱器通過系統(tǒng)輸入的動態(tài)負荷及熱泵機組的性能參數(shù)，輸出埋管的進出口水溫及土壤溫度的變化情況。

這三個環(huán)路相互耦合在時間模塊的控制下可以得到地源熱泵系統(tǒng)運行狀況的動態(tài)仿真結(jié)果。其中地埋管換熱器是該地源熱泵系統(tǒng)的關鍵組成部分，地埋管換熱器與管區(qū)周圍土壤間的換熱極大地影響整個系統(tǒng)的性能。

TRNSYS 中土壤蓄熱系統(tǒng)模型(Duct Ground Heat Storage －DST)是關于中心對稱豎直的有限長柱熱源模型，是國際上比較認可的地埋管換熱器模型，該模型中地埋管換熱器主要設置如表2 所示。

表2 地埋管換熱器主要設置

1．3 運行特性分析

依據(jù)該建筑的負荷特性，本文首先對地源熱泵系統(tǒng)運行的長期性能進行研究，運行周期設為10年，設定地源熱泵系統(tǒng)運行的開始時間為1 月1 日0 時，依次選定初始運行后10 年中的典型時刻進行研究。輸出結(jié)果設置為管區(qū)周圍土壤溫度、熱泵系統(tǒng)運行能效以及地埋管換熱器進出口水溫。逐年典型時刻管區(qū)周圍土壤溫度變化特性如圖1 所示，地源熱泵系統(tǒng)制冷COP 和制熱COP 變化特性如圖2所示，地埋管換熱器進出口水溫變化特性如圖3 和圖4 所示。

圖1 運行10 年管區(qū)周圍土壤溫度變化特性示意圖

圖2 運行10 年地源熱泵系統(tǒng)能效變化特性示意圖

圖3 運行10 年空調(diào)季地埋管進出口水溫的變化特性示意圖

圖4 運行10 年采暖季地埋管進出口水溫的變化特性示意圖

由圖1 可知，在地源熱泵系統(tǒng)運行10 年后，管區(qū)周圍土壤溫度由最初的8．60℃降至2．97℃，降低了5．63℃，土壤溫度的大幅度降低，將會大大降低熱泵運行的穩(wěn)定性和系統(tǒng)能效，甚至會對管區(qū)周圍土壤帶來不可恢復的影響。由圖2 可知，在土壤溫度降低的同時，地源熱泵系統(tǒng)制冷COP 呈上升趨勢，由第一年的5．54 上升至第十年的6．07，10 年間上升了15%，而地源熱泵系統(tǒng)制熱COP 呈現(xiàn)下降趨勢，由第一年的3．52 下降到第十年的3．22，10 年間降低了10%，在以供熱為主的嚴寒地區(qū)，制熱COP的下降帶來的影響更為嚴峻，需要熱泵系統(tǒng)能夠提供較高的制熱COP。由圖3 和圖4 可知，埋管的進出口水溫始終與土壤溫度的變化特性保持一致，在空調(diào)季時，埋管高溫進、低溫出，地埋管換熱器向土壤釋熱，溫度始終高于土壤溫度，在采暖季時，埋管低溫進、高溫出，地埋管換熱器從土壤取熱，溫度始終低于土壤溫度，且隨著土壤溫度的降低，埋管進口水溫逐降低至－6℃以下，存在地埋管凍結(jié)的風險，嚴重影響地源熱泵系統(tǒng)的正常運行。

因此地源熱泵系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)長期單獨運行會使地溫大幅度降低，機組長期運行存在風險，需要采取輔助熱源等措施以保證地源熱泵系統(tǒng)的可靠運行。

2 熱泵系統(tǒng)關鍵設計參數(shù)對運行特性的影響分析

土壤是一個復雜的飽和或部分飽和的含濕多孔介質(zhì)體系，土壤與地埋管換熱器之間的傳熱是易受到多種因素影響的非穩(wěn)態(tài)多層介質(zhì)傳熱過程，各影響因素相互耦合使傳熱過程更為復雜［10－11］。從外部環(huán)境看，影響換熱的主要因素在于土壤的導熱性能和回填材料的導熱性能;從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，由于熱泵運行中，土壤溫度場發(fā)生改變，將產(chǎn)生溫變熱阻，而改變地埋管換熱器的布置形式可以有效降低溫變熱阻。

經(jīng)以上分析，本文主要從土壤導熱性能、回填材料導熱性能、地埋管管間距、埋深與鉆井數(shù)幾個方面對土壤源熱泵系統(tǒng)的關鍵設計參數(shù)進行分析，這也是強化地埋管換熱的核心部分。

2．1 土壤導熱性能對地源熱泵系統(tǒng)運行特性的影響

地埋管換熱器在布置時可能經(jīng)過不同的巖土層，土壤的導熱性能也會有所不同。本文依據(jù)嚴寒地區(qū)工程實際提供的導熱系數(shù)范圍，對不同的土壤導熱系數(shù)工況進行模擬，結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可知，在嚴寒地區(qū)土壤的導熱系數(shù)越大，土壤溫度的降度也越大。導熱系數(shù)為1．0 W/m·℃時，地源熱泵系統(tǒng)運行10 年后，土壤溫度下降5.31℃，導熱系數(shù)為3． 0 時，土壤降度為6． 14℃。由于土壤的導熱系數(shù)越大，土壤的換熱性能越好，每米地埋管換熱器從土壤中取走的熱量也越多，地溫衰減越顯著。因此，土壤導熱系數(shù)越大，對于嚴寒地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)單獨運行情況而言，其可靠性較差。

圖5 土壤不同導熱系數(shù)下系統(tǒng)運行10 年后溫度降度示意圖

2．2 回填材料導熱性能對地源熱泵系統(tǒng)運行特性的影響

回填是地埋管換熱器施工過程的重要環(huán)節(jié)?；靥畈牧辖橛诘芈窆芡獗谂c鉆孔內(nèi)壁之間，既可起到強化換熱的作用，同時也可以起到防止各蓄水層交叉污染的作用。在回填材料的各項參數(shù)中，其導熱系數(shù)是決定土壤換熱器換熱效果和地源熱泵系統(tǒng)效率的重要因素，本文結(jié)合實際工程應用的回填材料導熱系數(shù)進行對照模擬，對回填材料導熱系數(shù)的影響進行定量分析。其結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同回填材料導熱系數(shù)下系統(tǒng)運行10 年后溫度降度示意圖

由圖6 可知，在嚴寒地區(qū)回填材料的導熱系數(shù)越大，土壤溫度的降度也越大?；靥畈牧蠈嵯禂?shù)為1．2 W/m·℃時，土壤降度為5．37℃，回填材料導熱系數(shù)為2．2 時，土壤降度為5．72℃。因此對于嚴寒地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)單獨運行情況而言，在滿足施工要求和設計要求的同時，盡可能選用導熱系數(shù)較小的回填材料，以提高地源熱泵系統(tǒng)運行的可靠性。

2．3 地埋管管間距對地源熱泵系統(tǒng)運行特性的影響

地源熱泵運行時，管區(qū)周圍土壤溫度將發(fā)生改變，嚴寒地區(qū)土壤溫度不斷降低，相鄰換熱器間相互影響，換熱熱阻增加，換熱量減弱，溫變熱阻增加。增大管間距可以有效降低溫變熱阻［12］。依據(jù)工程實踐以及規(guī)范要求，兩個鉆井間的距離一般為4 ～6 m。本文采用4 m、5 m 和6 m 三種間距工況進行仿真模擬，結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可知，地源熱泵系統(tǒng)運行10 年后，管間距4 m 時，管區(qū)周圍土壤溫度降低幅度最大，為6.33℃，管間距5 m 時，管區(qū)周圍土壤溫度降低了5.84℃，相比4 m 時減小了0．49℃。而管間距6 m時，管區(qū)土壤溫度降低幅度最小，為5．02℃，相比5 m時，溫降減少了0．82℃。由此可見，較大的管間距更有利于嚴寒地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)的運行。

但由于增加管間距，相應地會增大土地的利用面積，使整個工程的初投資增大，且管間距等值增加的過程中，土壤的溫降增加幅度越來越大，所以在嚴寒地區(qū)應綜合考慮換熱器的傳熱性能及地源熱泵工程的初投資，合理確定地埋管換熱器的管間距。

圖7 不同管間距下系統(tǒng)運行10 年土壤溫度變化特性示意圖

2．4 地埋管埋深與鉆孔數(shù)量對地源熱泵系統(tǒng)運行特性的影響

影響地埋管換熱器傳熱強度的另一關鍵設計參數(shù)為地埋管埋深。但如果單一改變埋深而不改變鉆孔數(shù)量，將會使地埋管的換熱能力發(fā)生改變。因此本文研究中控制地埋管換熱器的換熱能力不變，即不改變埋管換熱器的總長度，通過改變埋深和鉆孔數(shù)量，對典型區(qū)域的土壤溫度場進行模擬。埋深及鉆孔數(shù)量的工況設置如表3 所示，結(jié)果如圖8 所示。

表3 地埋管換熱器埋深及鉆孔數(shù)量的工況設置

圖8 不同埋深和鉆井數(shù)量下系統(tǒng)運行10 年土壤溫度降度示意圖

由圖8 可知，在嚴寒地區(qū)地埋管換熱器管區(qū)土壤溫降隨埋管深度的增加而下降。當埋管設置為150 m×108 時，土壤10 年間溫降最小，為5．36℃，當埋管設置為50 m ×324 時，土壤10 年間溫降最大，為5．84℃，相比150 m ×108 的埋管設置，降幅增大了9．0%。因此在換熱能力不變的前提下(即地埋管換熱器總長度不變)，盡量增大埋深，有利于嚴寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3 結(jié)論

(1)通過對地源熱泵系統(tǒng)運行特性的研究，得到地源熱泵系統(tǒng)長期運行下的土壤溫度變化特性、機組COP 變化特性以及地埋管進出口水溫變化特性。研究表明地源熱泵系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)單獨長期運行情況下，會使地溫大幅度降低，地源熱泵系統(tǒng)的運行效果也將受到嚴重影響，需要對設計參數(shù)進行優(yōu)化，以保證地源熱泵系統(tǒng)運行的可靠性。

(2)本文在地源熱泵系統(tǒng)運行特性分析的基礎上，考慮多種因素相互作用，對影響地源熱泵系統(tǒng)運行的關鍵設計參數(shù)進行逐項分析并給出優(yōu)化方法，使地源熱泵能夠發(fā)揮最大功效。對于嚴寒地區(qū)無輔助熱源情況下，應盡量降低土壤導熱系數(shù)，降低回填材料導熱系數(shù)，增加地埋管換熱器間距，增加地埋管換熱器埋深。

(3)經(jīng)研究分析可知，通過對地源熱泵系統(tǒng)關鍵設計參數(shù)的優(yōu)化，能夠使熱泵系統(tǒng)發(fā)揮最大功效，但是在嚴寒地區(qū)，仍然不能維持地源熱泵的長期有效運行，應在地源熱泵系統(tǒng)關鍵設計參數(shù)優(yōu)化的基礎上外加輔助熱源進行聯(lián)合運行，使地源熱泵系統(tǒng)能夠長期有效運行。

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