夏熱冬冷地區(qū)地埋管換熱器直接供冷系統(tǒng)模擬

鮑曉峰， 胡平放， 朱 娜，雷 飛， 邢 路， 王建東， 楊 陽(yáng)， 林祖棟

(1.華中科技大學(xué) 環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430074; 2.綠城樂(lè)居建設(shè)管理集團(tuán)有限公司， 浙江 杭州 310000)

1 概述

免費(fèi)供冷技術(shù)是指當(dāng)室內(nèi)外環(huán)境到達(dá)一定條件時(shí)，采用現(xiàn)有環(huán)境下可直接利用的冷源替代制冷機(jī)組，滿足室內(nèi)負(fù)荷需求的技術(shù)。其中，冷卻塔免費(fèi)供冷技術(shù)被最早提出，發(fā)展最成熟，應(yīng)用也最廣泛。冷卻塔免費(fèi)供冷技術(shù)在我國(guó)北方及西北地區(qū)均可收到一定的節(jié)能效果，但受氣象條件、建筑負(fù)荷、系統(tǒng)形式等因素影響，該技術(shù)在其他地區(qū)的應(yīng)用受到了較大的制約[1]。近年來(lái)，不少學(xué)者開(kāi)展了土壤源直接供冷的相關(guān)技術(shù)研究，并在北方地區(qū)取得了良好的應(yīng)用效果[2-5]。

我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)典型城市主要分布在長(zhǎng)江中下游及其周圍地區(qū)，該地區(qū)日平均溫度小于等于5 ℃的時(shí)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(dá)到使用冷卻塔進(jìn)行直接供冷的技術(shù)要求。夏熱冬冷地區(qū)淺層地溫大都低于20 ℃，且基本恒定，可滿足毛細(xì)管輻射供冷的要求[6]。

毛細(xì)管輻射供冷供熱技術(shù)最早起源于北歐，具有室內(nèi)舒適性好、高效節(jié)能、靜音穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但由于表面易結(jié)露、安裝工藝不成熟等原因未得到廣泛推廣。近年來(lái)，隨著塑料管加工工藝的進(jìn)步及運(yùn)行方案的不斷優(yōu)化，毛細(xì)管輻射供冷供熱技術(shù)重新引起學(xué)術(shù)界與消費(fèi)市場(chǎng)重視[7]。與常規(guī)風(fēng)機(jī)盤管相比，毛細(xì)管輻射裝置對(duì)冷熱源品質(zhì)要求更低，可利用地埋管換熱器、冷卻塔等低品位冷源實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷下的室內(nèi)供冷需求。且當(dāng)供水溫度高于20 ℃時(shí)，輻射面基本不存在結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)[8]。

本文以武漢某辦公房間為模擬對(duì)象，采用模擬方法，研究夏熱冬冷地區(qū)地埋管換熱器直接供冷系統(tǒng)(末端采用毛細(xì)管輻射供冷系統(tǒng))的供冷期工作時(shí)段適用時(shí)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(shí)段適用時(shí)間。

2 模型建立

2.1 模擬對(duì)象

本文以武漢某高校的1間辦公室為原型進(jìn)行建模分析(以下稱為模擬房間)。模擬房間位于一幢4層實(shí)驗(yàn)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(cè)與北側(cè)為240 mm厚外墻，西側(cè)墻上設(shè)有9 m2單層推拉窗。南側(cè)為走廊，寬2 m。東側(cè)為相鄰空調(diào)房間(布局同模擬房間)，配有分體式空調(diào)。模擬房間有內(nèi)遮陽(yáng)，太陽(yáng)輻射得熱系數(shù)為0.55，室內(nèi)活動(dòng)人數(shù)為3人。圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積及傳熱系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積及傳熱系數(shù)

毛細(xì)管輻射吊頂由8張毛細(xì)管席并聯(lián)同程連接而成，單張尺寸為1.0 m×2.5 m。毛細(xì)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(jiàn)圖1。

圖1 模擬房間物理模型

實(shí)驗(yàn)樓設(shè)有地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，鉆孔孔徑110 mm，鉆孔深度60 m，采用黃沙回填，孔內(nèi)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(xì)管輻射供冷系統(tǒng)的冷源。土壤熱物性測(cè)試結(jié)果表明，土壤熱導(dǎo)率為2.4 W/(m·K)，單位體積熱容為1 265 kJ/(m3·K)。循環(huán)泵額定輸入電功率400 W。

2.2 仿真模型

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

在仿真平臺(tái)內(nèi)將建筑組件(Type56a)、地埋管組件(Type557a)、循環(huán)泵組件(Type114)連接形成冷水循環(huán)系統(tǒng)。采用天氣組件(Type109)、空氣焓濕量調(diào)用組件(Type33e)、天空輻射組件(Type69b)連接形成氣象系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入建筑組件。采用控制器組件(Type2b)、時(shí)間表組件(Type14)、計(jì)算器組件(Equa)連接形成控制系統(tǒng)。采用輸出組件Ttype65c)、計(jì)算器組件(equa)連接形成輸出顯示系統(tǒng)。相鄰空調(diào)房間室內(nèi)溫度設(shè)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(cè)與北側(cè)為外墻。

仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(軟件截圖)見(jiàn)圖2。在建筑組件中模擬房間Roof設(shè)置時(shí)，添加active layer建立毛細(xì)管輻射供冷系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)Auto segmentation命令，將吊頂劃分為8個(gè)區(qū)塊，單個(gè)區(qū)塊面積2.5 m2。使用Edit Building命令，設(shè)置室內(nèi)人員發(fā)熱量為40 W/人，設(shè)備發(fā)熱量為50 W，照明裝置發(fā)熱量為5 W/m2。在地埋管組件設(shè)置時(shí)，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(shù)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。

輸入數(shù)據(jù)及控制參數(shù)：采用武漢地區(qū)典型氣象年數(shù)據(jù)輸入氣象組件。冷水流量設(shè)定為1 m3/h。循環(huán)泵控制策略為：工作時(shí)段室內(nèi)溫度高于27 ℃時(shí)開(kāi)啟，冷水流量保持1 m3/h；非工作時(shí)段(室內(nèi)無(wú)人且設(shè)備關(guān)停)關(guān)閉，開(kāi)啟外窗自然通風(fēng)(由軟件設(shè)定完成)。

3 模擬結(jié)果與分析

① 室內(nèi)溫度

供冷期工作時(shí)段室內(nèi)逐時(shí)溫度見(jiàn)圖3。在滿足室內(nèi)舒適性需求條件下，當(dāng)采用吊頂輻射供冷系統(tǒng)時(shí)，空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度可適當(dāng)提高至27 ℃[10]。由圖3可知，供冷期工作時(shí)段室內(nèi)平均溫度為28.2 ℃。供冷期工作時(shí)段有350 h室內(nèi)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(xì)管進(jìn)出水溫

供冷期工作時(shí)段毛細(xì)管逐時(shí)進(jìn)出水溫見(jiàn)圖4。由圖4可知，供冷期工作時(shí)段毛細(xì)管平均進(jìn)水溫度為22.2 ℃，平均出水溫度為23.7 ℃，平均進(jìn)出水溫差為1.5 ℃。

③ 適用時(shí)間

將預(yù)期平均評(píng)價(jià)值(Predicted Mean Vote，PMV)大于-1.5且小于1.5的時(shí)間作為地埋管換熱器直接供冷系統(tǒng)的適用時(shí)間。PMV是表征人體熱冷熱感的評(píng)價(jià)指標(biāo)[11]，PMV值的7級(jí)分度見(jiàn)表2。

表2 PMV值的7級(jí)分度

PMV值由TRNSYS軟件計(jì)算，已知參數(shù)：人體代謝率按辦公室內(nèi)輕微勞動(dòng)人體取80 W/m2，人體周圍空氣溫度取室內(nèi)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(jì)算(初值分別為2.5 kPa、20 ℃)，服裝熱阻取0.11 m2·K/W，室內(nèi)空氣流速取0.2 m/s。

供冷期工作時(shí)段室內(nèi)逐時(shí)PMV值見(jiàn)圖5。由圖5可知，供冷期工作時(shí)段適用時(shí)間有359 h，絕大多數(shù)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(shí)段室內(nèi)逐時(shí)PMV值

4 其他夏熱冬冷城市適用時(shí)間

選取夏熱冬冷地區(qū)5座城市，選取當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)并調(diào)整土壤熱物性參數(shù)[12]，模擬這5座城市辦公建筑地埋管換熱器直接供冷系統(tǒng)的供冷期工作時(shí)段適用時(shí)間(判定標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置相同，循環(huán)泵的控制策略也不變。

由模擬結(jié)果可知，這5座城市供冷期工作時(shí)段適用時(shí)間絕大多數(shù)分布在供冷初末期，供冷初末期工作時(shí)段適用時(shí)間見(jiàn)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(tǒng)均有較長(zhǎng)的供冷期工作時(shí)段適用時(shí)間。在配置傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)供冷期初末期的工作時(shí)段適用時(shí)間分布情況，優(yōu)先采用地埋管換熱器直接供冷系統(tǒng)?？s短供冷期傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的工作時(shí)間，降低整體能耗。

表3 5座城市的供冷初末期工作時(shí)段適用時(shí)間

5 結(jié)論

① 對(duì)于武漢：供冷期工作時(shí)段室內(nèi)平均溫度為28.2 ℃。供冷期工作時(shí)段有350 h室內(nèi)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(shí)段毛細(xì)管平均進(jìn)水溫度為22.2 ℃，平均出水溫度為23.7 ℃，平均進(jìn)出水溫差為1.5 ℃。以PMV值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，供冷期工作時(shí)段適用時(shí)間有359 h，絕大多數(shù)分布在供冷初末期：供冷初期有279 h，供冷末期有79 h。

② 對(duì)于合肥、南昌、上海、南京、杭州：以PMV值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，供冷期工作時(shí)段適用時(shí)間絕大多數(shù)分布在供冷初末期，供冷初末期工作時(shí)段適用時(shí)間分別為358、281、495、436、429 h。