基于建筑负荷特性的土壤源热泵系统适用性研究

基于建筑负荷特性的土壤源热泵系统适用性研究

[摘 要] 本文提出了影响土壤源热泵系统运行性能的两个建筑负荷特性指标：建筑全年累计冷热负荷比R和建筑峰值冷热负荷比K，并针对寒冷气候区一典型办公建筑，计算了5种R值和2种K值条件下土壤源热泵系统的地埋管进出口温度、土壤温度以及热泵能效比的变化情况。分析得出了适用于土壤源热泵系统的R值范围为0.6~0.8，并给出了不同K值条件下地埋管换热器的设计依据。

[关键词] 土壤源热泵系统，建筑全年累计冷热负荷比，建筑峰值冷热负荷比，土壤热平衡，运行能效

1 引 言

土壤源热泵系统作为一项建筑供暖空调节能技术近年来得到了广泛地推广应用，但也出现了不少运行几年后地埋管循环水温度逐年升高或降低导致热泵机组无法正常运行的项目，出现此类现象的主要原因是系统向土壤中的排热量和吸热量严重不平衡所致。土壤源热泵系统的全年累计吸排热量主要取决于建筑的全年累计冷热负荷，这里基于建筑负荷对土壤源热泵系统运行性能的影响提出了两个建筑负荷特性指标：建筑全年累计冷热负荷比（用符号R表示）和建筑峰值冷热负荷比（用符号K表示）。分别定义为： R=∑（全年逐时冷负荷）/∑（全年逐时热负荷）；K=最大冷负荷/最大热负荷。

根据文献1针对不同气候区土壤源热泵系统的适宜性研究，单一式土壤源热泵系统在寒冷气候区较其他气候区更为适宜。因此，本文选取寒冷气候区的一栋典型办公建筑作为研究对象，采用专业软件计算建筑的全年动态负荷，并与土壤热物性参数、机组性能参数进行耦合计算，对土壤源热泵系统连续运行多年的温度工况及热泵的能效比cop进行预测。首先针对北京地区典型建筑进行相同K值、不同R值的土壤源热泵系统的计算，得出适用于土壤源热泵系统的R值的范围。其次针对西安地区进行土壤源热泵系统的计算，并与北京地区进行比较，得出不同K值条件下地埋管换热器的设计依据。研究结论可为建设人员在土壤源热泵供暖空调系统的方案选择和设计人员在地埋管换热器的设计方法上给予一定的参考。

2 计算条件

2.1典型建筑及负荷计算

建筑面积为3000 m²，层高3 m，层数2层。统计外围护结构面积如表1所示。外围护结构热物性参数、室内环境设计参数、内热源相关参数及运行时间参照《公共建筑节能设计标准》GB500189-2005 表4.2.2-3和附录B进行设置。

表1建筑外围护结构面积

采用TRNSYS软件建立建筑动态负荷计算模型，并进行负荷计算。北京地区逐时负荷计算结果如图1所示，西安地区逐时负荷计算结果如图2所示。初次计算供暖期取为11月15日至次年3月15日，供冷期取为5月15日-9月15日。

图1 北京典型建筑全年逐时冷热负荷

图2 西安典型建筑全年逐时冷热负荷

表2 典型建筑冷热负荷统计表

2.2土壤热物性参数的选取

本次研究采用TRNSYS软件建立土壤源热泵系统模型进行耦合计算，地埋管区域土壤选取砂土地质条件，导热系数取为1.9 W/(m·K)，容积比热容为1940 kJ/(m³·K)，地表面以下100 m范围内土壤初始平均温度为15 ℃。回填材料采用原浆回填。

3 不同R值地埋管温度工况及热泵cop的计算

3.1地埋管换热器的计算

北京地区典型建筑的峰值冷负荷高于峰值热负荷，并且相差不大，地埋管换热器以满足冬季热负荷需求进行设计，参照文献2条文4.3.5A：冬季运行期间，地埋管换热器进口最低温度宜高于4℃进行设计。将全年逐时负荷、土壤热物性参数及热泵的制冷制热性能参数输入计算模型，计算的地埋管换热器参数为：采用DN25双U型高密度聚乙烯PE管，钻孔间距为5 m、钻孔深度为100 m，地埋管换热器钻孔数量为37个。第一年地埋管进、出口温度、土壤温度以及热泵COP的运行工况如图3所示，冬季地埋管进口最低温度为4.4℃，夏季地埋管出口最高温度为29.3℃，运行1年后土壤的温度上升至16.2℃，说明地埋管的全年累计排热量高于累计吸热量。

图3 运行第一年地埋管及土壤的温度及热泵COP

3.2地埋管温度工况及热泵cop的计算

通过调整夏季制冷系统开启时间和结束时间来得到不同的建筑累计冷热负荷比例，使R值分别达到0.9、0.8、0.7和0.6。计算五种R值的土壤源热泵系统运行15年的温度工况如图4~图8所示。

图4  R=1.08时运行15年地埋管及土壤的温度及热泵COP

图5  R=0.9时运行15年地埋管及土壤的温度及热泵COP

图6  R=0.8时运行15年地埋管及土壤的温度及热泵COP

图7  R=0.7时运行15年地埋管及土壤的温度及热泵COP

图8 R=0.6时运行15年地埋管及土壤的温度及热泵COP

表2 不同R值条件下土壤源热泵系统的温度工况统计表    

由表2可以看出，运行至第15年，R为1.08和0.9时，地埋管夏季出口温度均高于冷却塔的温度工况，土壤温度分别上升了5.5℃和3.4℃；R为0.8时，地埋管夏季出口温度低于冷却塔的温度工况，即地埋管散热优于冷却塔散热，土壤温度上升了2.4℃；R为0.7时，地埋管夏季出口温度均低于热泵夏季制冷额定工况，热泵运行期间均可实现高效运行，土壤温度上升了1.3℃；R为0.6时，土壤的吸、排热基本实现了完全平衡，土壤温度仅上升了0.3℃。

根据计算结果，还可以看出土壤源热泵系统向土壤中的排热量高于吸热量，地埋管循环水温度逐年升高，冬季制热热泵COP逐年升高，耗功减少；夏季制冷热泵COP逐年下降，耗功增加。即土壤温度的升高对夏季运行不利，但对冬季运行有利。因此，在实际工程应用中并不要求向土壤中的吸排热量达到完全平衡，文献4认为这种不平衡率在20%以内，就不会出现土壤源热泵系统运行工况极端恶化的现象。

本文从两方面分析这个问题，首先应保证土壤温度不应有较大的变化，连续运行15年工况稳定后，土壤温度高于初始温度不宜超过3℃。其次应保证热泵在冬季运行工况逐年变好的同时，夏季运行工况应始终保持优于冷却塔的运行工况。综合土壤温升和机组运行能效两方面因素，建议适合采用土壤源热泵系统的R值范围为0.6~0.8。

4不同K值地埋管温度工况的计算

根据第2节的负荷计算结果，西安地区典型建筑的K值高于北京地区。调整西安地区制冷系统的开启时间使西安典型建筑的R值为0.8，选取2种不同的计算依据进行地埋管换热器设计参数及地埋管温度工况的计算。方案1为冬季第一年运行地埋管进口最低温度不低于4℃，方案2为夏季第一年运行地埋管出口最高温度不高于30℃，限于篇幅这里仅给出计算结果，如表3所示。

表3  2种方案的土壤源热泵系统的地埋管数量及温度工况统计表

注：地埋管换热器的其它参数同北京地区。

根据表2和表3可以看出，当R值为0.8时，同样以冬季地埋管进口最低温度不低于4℃为地埋管换热器的设计依据，K值为1.10的北京地区可实现热泵连续15年高效运行，K值为1.26的西安地区第二年地埋管出口最高温度便超过了32℃，无法实现热泵连续高效运行。当以第一年地埋管出口最高温度不高于30℃为依据进行地埋管换热器计算时，西安地区第15年地埋管出口最高温度未超过32℃，优于冷却塔工况，可实现热泵持续高效运行。

5 结 论

本文通过对寒冷气候区一典型办公建筑在不同的建筑负荷特性指标下土壤源热泵系统的地埋管温度工况及热泵cop的计算，得出了适用于土壤源热泵系统的建筑负荷特性指标值的范围及地埋管换热器的设计依据。

1）当建筑累计冷热负荷比为0.6时，土壤源热泵系统向土壤中的吸热量和排热量基本可实现完全平衡，地埋管进、出口温度及土壤温度工况最为稳定。

2）土壤温度的升高使得夏季热泵制冷COP下降，但冬季热泵制热COP上升，因此并不要求土壤源热泵系统向土壤中的吸、排热量实现完全平衡。

3）综合考虑土壤温升和热泵的运行能效两方面因素，得出了适用于土壤源热泵系统的建筑的全年累计冷热负荷比范围为0.6~0.8。

4）建筑的全年累计冷热负荷比在适宜的范围内，当峰值冷热负荷比大于1.1时，建议地埋管换热器以满足夏季冷负荷需求进行设计，第一年地埋管出口最高温度不超过30℃。设计人员也可根据具体项目的负荷特性，以初投资和运行费用相结合的综合效益指标最低为原则来选取地埋管出口的最高温度值。

5）当建筑的R值大于0.8（或小于0.6）时，可考虑采用增加辅助冷源（或辅助热源）的复合式土壤源热泵系统，应通过经济计算来确定。

6）由于不同厂家热泵机组的性能系数会有一定差别，并且土壤中的含水量及流动速度对土壤的温升有一定影响。因此，在项目设计阶段应进行建筑全年动态负荷计算，根据所选机组的性能系数以及当地的土壤热物性参数，进行耦合设计计算，以确保土壤源热泵的持续高效运行。

参考文献

[1]土壤源热泵技术适宜性研究报告. 十一五课题“水源地源热泵高效应用关键技术研究与示范”，2010.

[2] 中国建筑科学研究院. GB50189-2005, 公共建筑节能设计标准, 北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3] 中国建筑科学研究院. GB 50366-2005，地源热泵系统工程技术规范[S]. 2009年版，北京：中国建筑工业出版社，2009.

[4]何雪冰，丁勇，刘宪英．地源热泵埋管换热器传热模型及其应用．重庆建筑大学学报．2004，26(2).