天津地区某地源热泵系统土壤温度场的分析与运行可行性研究

□文/周大智

天津地区某地源热泵系统土壤温度场的分析与运行可行性研究

□文/周大智

以一建筑底板下埋管的土壤源热泵系统为例，针对该系统在热响应试验工况下长期运行对土壤温度场的影响作了定量研究并从理论上计算了地源侧吸放热的不平衡率。考虑到该系统实际场地面积和施工现场状况的限制，利用eQUEST和TRNSYS模拟软件对该系统改变地埋管埋深、井间距和回填材料并运行20 a的土壤平均温度和机组COP变化进行了模拟。

底板；埋管；地源热泵；土壤；温度场

地源热泵系统是一种能通过输入少量高位能量而实现将低位热能向高位热能转移的热泵空调系统。与常规空调系统相比，它具有更高的COP值，可以大大减少建筑空调系统的能耗，但由于地埋管换热器的全年冷热负荷并不平衡，往往会引起冷量或热量在地下积累，造成土壤温度的不断下降或上升。因此对于地源热泵系统土壤温度场的研究极为重要。

1　项目概况

某办公建筑地上9层、地下2层，建筑高度为45.89m，地上建筑面积为25 300 m2。建筑内首层、二层大部分区域为开敞接待办公区，三层中心近650 m2挑空至顶层，为咖啡休闲区，屋面覆盖光伏玻璃。三层及以上各层均围绕中庭设置小开间办公室。地下二层为人防区域，地下室范围紧贴用地红线。该建筑以土壤源热泵系统为冷热源，建筑底板下桩间竖直埋管。该项目充分利用了可再生能源，为最大限度的实现节能环保起着重要作用，而且还创新性的采用了底板下桩间埋管以克服建筑占地面积不足的问题。该建筑拟申报为三星级绿色建筑并为其他项目的实施和相关问题的解决做出尝试、积累经验。

2　全年动态负荷计算

为方便进行对地源侧吸放热平衡的计算并有效简化下文的TRNSYS土壤源热泵系统模型，减少模拟计算时间，首先利用eQUEST软件模拟计算建筑供冷、供热季的动态逐时负荷。

2.1eQUEST模拟软件介绍

以DOE-2为计算内核，通过输入气象资料、室内环境设计参数、建筑围护结构参数、空调系统形式等，建立时间表后即可得出全年逐时负荷和能耗。

2.2建筑模型的建立

以办公楼为目标建筑建立模型，建筑围护结构参数见表1。北向窗墙比为0.49，南向窗墙比为0.50，东西向窗墙比为0.43，室外计算参数按天津气象参数设置，室内各房间设计温湿度以及人员、照明、设备使用时间依据DB 29-153—2010《天津市公共建筑节能设计标准》取值。冷热源为2台螺杆式地源热泵冷热水机组，单台制冷量为1196kW，制热量为950kW。主机夏季供回水温度为7～12℃，冬季供回水温度为45～40℃。地源侧夏季进出水温度为25～30℃，冬季进出水温度为9.5～6℃。夏季空调运行时间为5月15日—10月15日，冬季空调运行时间为11月1日—3月31日，使用时间均为8：00—20：00。用户侧单台循环水泵流量为216 m3/h，扬程为34 m；地源侧单台循环水泵流量为256m3/h，扬程为32m。

表1　围护结构做法

通过对建筑围护结构参数和空调系统参数的设置，建立eQUEST建筑模型，见图1。

图1　eQUEST建筑模型

2.3全年动态负荷计算结果

经模拟计算，得全年动态负荷见图2。将冷负荷及热负荷分别累加并乘以小时数，得出夏季全年耗冷量为2.53×106kW·h，冬季全年耗热量为3.32×106kW·h。

图2　全年动态负荷

3　吸放热不平衡率分析

3.1地源侧年放热量计算

夏季向地源侧的总放热量包括机组、水泵的释热及输送过程中的得热量，可用式（1）表示

式中：Qs为夏季地源侧总放热量，kW·h；Qus为机组释热量，kW·h；Qts为输送过程得热量，kW·h；Qps为水泵释热量，kW·h。

其中，机组释热量可按式（2）计算

式中：Qus为机组释热量，kW·h；Qc为夏季全年耗冷量，kW·h；EER为热泵机组制冷工况下的性能系数。

输送过程的热量取机组释热量的1%，水泵释热量则通过计算由于水温升形成的负荷附加率[1]得出

式中：α为水泵负荷附加率；H为水泵扬程，m；η为水泵效率；th为回水温度，℃；tg为供水温度，℃。

表2列出了各计算参数。

表2　地源侧年放热量计算参数

将表2中参数代入式（1）～式（5），得该土壤源热泵系统年放热量为3.03×106kW·h。

3.2地源侧年吸热量计算

冬季从地源侧的吸热量包括机组的吸热，输送过程的失热，折减水泵的放热量。用式（6）表示

式中：Qw为冬季地源侧总吸热量，kW·h；Qh为冬季全年耗热量，kW·h；COP为热泵机组制热工况下的性能系数；Qtw为输送过程失热量，kW·h；Qpw为水泵释热量，kW·h。

冬季全年耗热量为3.55×106kW，热泵机组制热工况下性能系数为4.6，与年放热量计算类似，将各参数代入式（6），得该土壤源热泵系统年吸热量为2.73×106kW·h。

3.3不平衡率计算

土壤吸放热不平衡率可按式（7）计算

式中：i为土壤吸放热不平衡率，%；Qs为夏季地源侧总放热量，kW·h；Qw为冬季地源侧总吸热量，kW·h。

将源侧总放热量和吸热量代入式（7），i为10.99%，根据规范和实际工程运行经验，热不平衡率＜20%时，系统可长期稳定运行。

4　热响应试验工况下运行20 a对土壤温度场影响

为获取土壤初始温度和设计工况点的理论换热量值，进行热响应试验。试验测得，土壤初始温度为16.3℃，导热系数为1.64W/(m·K)。地源侧埋管采用闭式双U管，埋深120 m，埋管间距为4.2 m，井径为250 mm，所使用的回填材料为膨润土、水泥和细砂的混合浆，导热系数为1.55W/(m·K)。

为研究该地源热泵系统长期运行后对土壤温度场的影响，针对该系统在热响应试验工况下，利用TRN-SYS模拟软件对系统运行20a的土壤平均温度进行模拟。

4.1TRNSYS模拟软件介绍

文中所使用的TRNSYS Simulation Studio系统包含若干个不同的模块，每个模块都代表一个系统或有特定的功能，将这些模块进行合理的连接并输入相对应的参数，就可以实现对整个系统的分析。

4.2TRNSYS模拟模型建立

经eQUEST模拟软件导出逐时负荷计算结果后，再通过TRN-SYS软件中的Data Reader模块导入到TRNSYS系统中模拟计算，在Simulation Studio中建立的土壤源热泵系统见图3。

图3　土壤源热泵系统

4.3系统运行对土壤温度场影响分析

经TRN-SYS软件模拟，得到该地源热泵系统运行20 a的地埋管区域土壤平均温度变化曲线，见图4。

图4　土壤平均温度随运行时间变化

从图4可以看出，随着土壤源热泵系统运行时间的延长，土壤平均温度逐渐升高。第一年冬季采暖期，土壤平均温度从16.30℃下降到15.32℃，过渡季土壤温度缓慢回升至15.36℃，到5月15日进入夏季供冷期，系统开始向土壤排热，至10月15日供冷期结束，土壤温度上升至17.82℃。该系统持续运行20 a后，地埋管区域的土壤平均温度从16.30℃上升到22.45℃，升高了6.15℃，而且在系统运行过程中，土壤平均温度变化逐渐趋于平缓，说明该地源热泵系统长期运行对土壤温度场的影响尚在良好运行的控制温度范围内。

5　底板下埋管的特殊性对土壤温度场和机组性能系数影响的研究

由于本办公建筑地下室外围紧贴用地红线，没有场地埋管的条件。采用底板下埋管有水平埋管和竖直埋管两种形式可供选择。用地红线内面积为15 594.1 m2，难以满足水平埋管对换热面积的需求，故考虑采用底板下竖直埋管的方式。为尽量减少对桩的扰动，将每口换热井设置于4根桩围成的四边形中间部位，即采用桩间埋管。前文所提到的地埋管埋深、井间距以及回填材料是根据场地热响应试验所作的模拟分析，然而实际现场环境却稍有不同，局部地埋管埋深、井间距以及回填材料根据实际施工现场情况作了调整，为研究其对土壤温度场的影响，本文进行了对比分析。

5.1减小地埋管埋深对土壤温度场影响

根据施工现场情况，最后20 m耗时耗工严重，故本文对埋深减小到100 m之后运行该地源热泵系统对土壤温度场的影响作了模拟分析，见图5。

图5　减小地埋管埋深对土壤温度场影响

从图5可以看出，当井深降到100 m时，土壤温度会缓慢上升，当该系统运行20 a之后，土壤平均温度从16.3℃上升到23.07℃，与热响应试验工况比，最终土壤温度上升0.62℃，对土壤温度场影响显著。

5.2减小井间距对土壤温度场影响

由于受到场地面积的限制，打井数量受限，为研究是否可以通过减小井间距来换取更多的打井数量，本文对井间距减小到3.5 m之后运行该地源热泵系统对土壤温度场的影响作了模拟分析，见图6。

图6　减小井间距对土壤温度场影响

从图6可以看出，当井间距减小到3.5 m时，土壤温度有了明显的上升。运行20 a之后，土壤平均温度从16.3℃上升到23.80℃，与热响应试验工况比，最终土壤温度上升1.35℃。显然降低井间距也加大了土壤温升，但升幅也在7.5℃左右，对土壤温度场影响显著。

5.3改变回填材料对土壤温度场影响

由于受到地下水位的影响，回填材料实际使用的是中砂，其导热系数为1.47W/(m·K)。本文对改变回填材料之后运行该地源热泵系统对土壤温度场的影响作了模拟分析，见图7。

从图7可以看出，改变回填材料之后，土壤平均温度从16.3℃上升到22.58℃，与热响应试验工况比，最终土壤温度上升0.13℃。虽然地埋管换热能力会受到回填材料导热系数的影响，但由于回填材料仅仅是传热的中间介质，其导热系数的改变在一定范围内对地埋管换热器换热能力的影响是有限的。因此使用中砂后，回填材料导热系数从原来的1.55 W/(m·K)降为1.47 W/(m·K)，土壤温度虽有上升，但尚在长期稳定运行范围内。

5.4底板下埋管特殊性对机组性能系数影响

该系统能否满足正常使用功能，除了要对土壤温度场的变化进行研究，还需对机组性能系数变化进行分析。土壤温度的上升主要会影响机组夏季制冷工况的性能系数，而且冬季性能系数还会有少量的增加。因此本节主要对该地源热泵系统运行20 a的夏季制冷工况下机组COP进行了对比分析，见图8。

图8　底板下埋管特殊性对机组制冷工况下COP影响

从图8可以看出，在机组连续运行20 a之后，机组制冷工况下COP从5.86缓慢下降到了4.84，降低了1.02。减小地埋管埋深和减小井间距对机组COP影响较大，第一年机组COP分别降至5.10和5.47，运行20 a后，机组COP降至4.47和4.51。改变回填材料则相对前两者影响较小，COP从5.71降为4.76。

6　结论

本文以该建筑底板下埋管地源热泵系统为例，经模拟计算分析，土壤吸放热不平衡率为10.99%，系统运行20 a后，土壤平均温度升高6.15℃，机组夏季制冷性能系数降低1.02，说明该地源热泵系统长期运行，土壤平均温度和机组性能系数均变化比较平缓且对土壤温度场的影响也在允许范围内，所以该地源热泵系统长期运行是可行的。

由于受到场地面积和实际施工现场状况的限制，地埋管埋深、井间距和回填材料均有所变化。本文针对该底板下埋管的特殊性作了对比分析，研究表明：

1）地埋管埋深从120 m减小到100 m，土壤平均温度较热响应试验工况下增加，而且会极大降低机组制冷能力，故应确保埋管深度120m；

2）井间距从4.2 m减小到3.5 m，不仅对土壤温度场的影响较大，而且也会显著影响机组的制冷性能，故在实际施工中应尽量避免为增加打井数量而一味减小井间距；

3）回填材料由膨润土、水泥和细砂的混合浆改为中砂，导热系数从1.55 W/(m·K)降为1.47 W/(m·K)，对土壤温度场和机组性能系数的影响均在可接受的范围内，为保证结构安全及施工进度可将回填材料变为中砂，但应保证回填密实。

[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

□DOI编码：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.02.002

□TU83

□C

□1008-3197（2015）02-03-04

□2015-03-16

□周大智/男，1962年出生，高级工程师，天津市安居工程办公室，从事大型工程实施组织管理工作。