土壤源热泵系统土壤热平衡的评价方法研究

吕 超　郑茂余

(1 浙江理工大学建筑工程学院　杭州　310018；2 哈尔滨工业大学市政环境工程学院　哈尔滨　150090)



土壤源热泵系统土壤热平衡的评价方法研究

吕 超1郑茂余2

(1 浙江理工大学建筑工程学院杭州310018；2 哈尔滨工业大学市政环境工程学院哈尔滨150090)

土壤源热泵；土壤热平衡；评价方法；年热平衡率；辅助冷热源

地源热泵(ground-source heat pump，GSHP)是以温度较为稳定的浅层地表作为热源或热汇的热泵，是一种高效节能的能源利用技术。可分为三种形式：土壤源热泵(ground-coupled heat pump，GCHP)，地表水源热泵和地下水源热泵。其中，利于环保的GCHP技术被认为是当今世界最具发展前景的空调技术之一。

要使GCHP系统能够长期高效的运行，需要保持土壤以年为周期的热平衡。我国地域辽阔，不同气候区内的冷暖程度相差很大，仅依靠GCHP系统就能维持土壤热平衡的区域十分有限。对于热负荷大于冷负荷的北方地区，需要辅助热源向土壤中补充热量，如利用太阳能，即太阳能-土壤源热泵系统；对于冷负荷大于热负荷的南方地区，需要辅助冷源向土壤中补充冷量，如利用冷却塔或蓄冷装置。有学者将这种系统称为混合地源热泵系统[1]。

目前，针对GCHP及其相关的混合系统的研究是建筑节能和暖通空调领域的热点研究问题，国内外学者都进行了广泛深入的研究，主要集中在土壤换热器的理论和模型、地下温度场的模拟、回填材料的选取、设计和模拟软件的开发、蓄热蓄冷技术、系统的设备匹配和运行模式转换、系统的热力学和经济学分析等方面[2-5]。而对于土壤热平衡问题，其重要性已经逐渐被意识到，并进行了一定程度的研究，如影响土壤热平衡的因素(冬夏累计负荷比、埋管间距、埋管深度、土壤导热系数、回填料导热系数等)[6]、土壤热失衡的解决措施(调整室内设计温度、适当增大地埋管间距、将多余的热量或冷量进行利用、添加辅助冷热源等)[7-9]。但如何定量计算热平衡的程度、某一系统运行时土壤热平衡状况如何、系统适用于哪些地区、在一个地区怎样根据土壤热平衡来设计高效的系统，目前还没有一个便于实际工程使用、指导系统设计的土壤热平衡评价方法。

不论是单纯的GCHP系统，还是添加辅助冷热源的GCHP系统，都需要深入研究土壤热平衡的评价方法，并对系统进行合理设计，来保持土壤以年为周期的热平衡，从而提高系统的运行效率。下面以实际系统为例，着重分析添加辅助热源的土壤源热泵系统(太阳能-土壤源热泵系统)的土壤热平衡问题。

1 系统简介

文献[10-11]详细介绍了严寒地区太阳能-土壤源热泵供热供冷示范工程，给出了系统的组成和运行原理，并通过实验数据分析了系统的实际供热供冷效果、土壤温度变化规律以及系统热量的利用等问题。

示范楼于2007年秋季在哈尔滨建成，共3层外加阁楼，为独立式住宅，占地面积165 m2，供热供冷面积为496 m2。系统主要由4个子系统组成，分别为太阳能集热系统、热泵机组、地下土壤换热系统和地板辐射供热供冷系统，系统原理图如图1所示。该系统利用太阳能集热器和土壤换热器(ground heat exchanger，GHE)将春、夏、秋三季的太阳能蓄存到土壤之中，在冬季用土壤源热泵将热量取出对建筑进行供热，太阳能也能够在冬季晴好的白天进行直接供热，实现利用全年的太阳能。另外，由于冬季取热使土壤温度降低，使得土壤可在夏季作为自然冷源进行直接供冷。本文将此系统命名为太阳能季节性蓄热土壤源热泵(ground-coupled heat pump with solar seasonal heat storage，GCHPSSHS)系统。该示范楼全年逐月累计冷、热负荷如图2所示。

太阳能集热器采用自行研制的高效平板太阳能集热器，价格为450 元/m2。集热器安装于屋顶，正南方向布置，倾角为60°，总集热面积50 m2。单位集热器面积全年逐月累计集热量如图3所示，其中夏季6月、7月和8月的累计集热量相对春秋季节要小，是因为太阳能启动温度设定的值不同，在蓄热季的6～8月设为30 ℃，在蓄热季的其它时间设为25 ℃，在供热季设为24 ℃。

SC太阳能集热器 GHE1,GHE2土壤换热器 HP热泵RF辐射地板 PHE1,PHE2板式换热器 ET膨胀水箱 P1,P2,P3,P4循环泵图1 系统原理图Fig.1 Schematic diagram of the system

图2 示范楼全年逐月累计冷、热负荷Fig.2 Monthly accumulative cooling and heating load of the demonstration building

图3 单位集热器面积全年逐月累计集热量Fig.3 Monthly accumulative heat quantity collected by unit collector area

土壤换热器由12根垂直单U型管组成，采用高密度聚乙烯(HDPE)管，每根埋管深度为50 m，布置在建筑物正下方。钻孔成本300 元/个，埋管成本600 元/个，钻孔成本较低是由于采用小施工队的小型设备进行钻孔，价格几乎是成本价。当通过土壤换热器取热时，单位埋深换热量约为14 W/m；当土壤换热器向土壤中蓄热时，单位埋深换热量约为24 W/m。该示范楼当地地下土壤初始温度约为5.4 ℃。

GCHPSSHS系统选定以下4种运行模式：太阳能土壤蓄热、太阳能直接供热、土壤源热泵供热、土壤冷源直接供冷。系统进行了以年为周期的蓄热、供热、供冷实验，并测试了连续运行3年的实验数据。实验表明，该系统保持长期稳定运行，且高效节能，可以满足严寒地区(如哈尔滨)独立建筑的供热供冷需求。

该系统初投资为90000元，年运行费用为3807元，年度化成本为10062元，大大低于其它常规供暖空调方式，说明该系统的经济价值很高[12]。

2 土壤热平衡的评价方法

2.1 土壤热平衡方程

由于环境对土壤的热作用以年为周期变化，可认为总的热作用为零，所以影响土壤热平衡的主要是蓄热和取热的作用。以埋管周围土壤作为控制体，由于控制体边界非绝热，当向土壤中蓄热或从土壤中取热时，控制体与外界土壤之间也存在热量的进出，这样可以列出控制体的热平衡方程：

Qin-Qdi-Qex+Qas=ΔEg

(1)

式中：Qin为输入土壤总热量，包括太阳能蓄热量Qst和供冷排热量Qco，即Qin=Qst+Qco，kW·h；Qex为热泵取热量，kW·h；Qdi为蓄热时的热损失，即控制体流向外界的热量，kW·h；Qas为取热时的热补偿，即外界流向控制体的热量，kW·h；ΔEg为土壤控制体的内能变化，kW·h。

所谓的土壤以年为周期的热平衡，就是指土壤在经历一年的吸热放热之后，土壤温度基本保持不变，即ΔEg基本为零。如果内能略有增加，就会提高土壤的温度，从而使热泵供热的效果更好；如果内能增加的过多，由于热泵自身的特性，COP不会无限制的提高，而且蓄热热损失也会更大，多耗费的蓄热的电量得不到相应的更好的供热效果；如果内能减小，土壤的温度就会随之降低，这就会导致热泵的蒸发温度降低，使供热效果变差。综上所述，应使ΔEg约等于零。

如果用Qgl表示蓄热和取热总的热损失，即Qgl=Qdi-Qas，则在土壤保持以年为周期的热平衡时，式(1)可以表示为：

Qin-Qex-Qgl≈0

(2)

在北方地区，由于环境(空气、土壤)温度较低，且季节性蓄热的时间跨度较大、距离冬季取热的时间也较长，这就会使得蓄热的热损失要远大于取热的热补偿，二者总的作用效果Qgl应为正值。可以定义有效输入土壤总热量Qef和热损失率Δgl分别为：

Qef=Qin-Qgl

(3)

(4)

2.2 土壤年热平衡率

将取热量Qex与输入土壤总热量Qin的比值定义为土壤年热平衡率Δg，即：

(5)

(6)

(7)

对于GCHPSSHS系统，在满足建筑冷热负荷要求的情况下，有如下关系式：

Qh=Qhp+Qso=Qex+Whp+Qso

(8)

Qc=Qco

(9)

式中：Qh为建筑的热负荷，kW·h；Qc为建筑的冷负荷，kW·h；Qhp为热泵供热量，kW·h；Qso为太阳能供热量，kW·h；Whp为热泵供热耗电量，kW·h。

将式(8)和式(9)分别代入式(6)和式(7)，可得：

(10)

(11)

土壤年热平衡率Δg可作为衡量土壤热平衡的指标，主要有以下两方面的应用：根据年热平衡率Δg的范围来评价得出GCHPSSHS系统的适用地区；对于某一个地区，以年热平衡率Δg的范围作为设计系统时的控制条件，从而设计出能够保持土壤热平衡的高效系统。

3 实例计算及应用

3.1 土壤年热平衡率的实例计算

文献[11]根据3年的实验数据分析得出GCHPSSHS系统的土壤年周期温变不大，所以土壤保持了以年为周期的热平衡，即实际向土壤输入的热量与从土壤中取出的热量在长期应该大致相等。由于蓄热时间周期较长，必然会有一定的热损失。本系统在蓄热前进行了短期的供热实验，从土壤中取热有利于之后的蓄热，可使向周围土壤扩散的热损失率不至于过高。表1给出了3年的系统运行参数，可以看出，3年的总取热量Qex为49258 kW·h，3年的输入土壤总热量Qin为61261 kW·h，两者之比为0.8，则可认为热损失率Δgl为20%。另外可以看出，系统的供冷排热量很小，不到取热量的10%，这说明向土壤蓄热是十分必要的。

表1 3年的系统运行参数

3.2 土壤年热平衡率的应用

下面介绍如何利用年热平衡率评价GCHPSSHS系统的地区适用性。

系统的运行采用动态模拟软件TRNSYS进行计算，所建立的GCHPSSHS系统计算模型的正确性已经得到了示范工程测试数据的验证[14]。以下内容的具体计算过程将在后续文章中予以详细阐述，本文只给出计算方法和结果，来说明年热平衡率在计算系统的地区适用性时的应用方法。

由于GCHPSSHS系统属于添加辅助热源的土壤源热泵系统，所以其适用于热负荷大于冷负荷的北方地区。《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》将我国北方的严寒和寒冷地区分成5个气候子区，即严寒A区、严寒B区、严寒C区、寒冷A区和寒冷B区。本文选取海拉尔、哈尔滨、沈阳、敦煌和北京分别作为这5个气候子区的代表城市进行研究。

由于不同地区的影响因素(如气候条件)不同，所以热平衡点和浮动范围也应有所差别。但此问题较为复杂，为便于计算和分析，本文进行统一取值，即取热平衡点为80%，浮动范围为65%～95%。

各代表城市蓄热季时间的选取应根据土壤的热平衡来确定，尽量使其保持在热平衡点80%左右，且宜选取在靠近供热季开始之前并空余几天，这样可减少热量的扩散损失，同时为系统在不同运行季之间的转换留出充分的时间。另外，在冷负荷较大的地区，还应根据供冷排热量的大小适当缩短蓄热季，在排热量很大时，甚至可以取消蓄热。供热季和供冷季时间的选取一方面可参照各地法定的时间，另外也可结合本建筑的实际冷热负荷。TRNSYS模型中关于建筑的TRNBuild模型，可以模拟出实验系统中的建筑在不同气候条件下的逐时冷热负荷。

表2列出了5个城市的总负荷值及运行季时间。可以看出，北京的建筑热负荷已经小于冷负荷，则可以判断出它已经超出了热临界地区的范围，所以下文不对北京进行计算。

各代表城市所采用的系统，应根据实际情况选取合适的设备容量，并予以优化。另外，建筑围护结构也应有所调整，以适应各地区的居住建筑节能设计标准。

表3列出了5个城市的系统运行热量参数及年热平衡率的数据。可以看出，海拉尔在无供冷的情况下，将全年除供热季外的所有时间都用来蓄热，使得土壤年热平衡率为74.4%，并没有达到95%，甚至还处于热平衡点80%以下，这说明海拉尔并未达到冷临界地区，系统仍完全有能力使此地区的土壤保持热平衡。哈尔滨通过适当选择蓄热季的时间，使土壤年热平衡率达到80.1%，基本为土壤的热平衡点。沈阳由于冷热负荷差距的缩小，使得所需的蓄热量更少，蓄热季的时间还不到1个月，这样即可使土壤年热平衡率达到79.7%。敦煌在取消蓄热的情况下，仅靠冷热负荷使土壤年热平衡率为64.6%，基本已经处于下限65%，这说明敦煌已经属于热临界地区，所以比它更为炎热的北京必然超出了热临界地区的范围。从这里也可以看出，之所以选择敦煌这一传统意义上的非典型城市作为寒冷A区的代表城市来研究，正是因为其恰好处于热临界地区，作为分界点具有代表性，这也是笔者通过对许多城市进行计算之后所得出的。

表2 各代表城市的负荷值及运行季时间

表3 各代表城市的系统运行参数

通过以上对各地区土壤热平衡的分析不难看出，GCHPSSHS系统可应用于严寒地区以及部分寒冷A区。海拉尔已经是我国最为寒冷的城市之一，这说明该系统有能力承担这些地区的供热需求；将不再适用于比敦煌更炎热的地区，需要辅助冷源(散热设备)来维持土壤的热平衡。

4 添加辅助冷源的土壤源热泵系统的土壤热平衡评价方法

以上是针对添加辅助热源的土壤源热泵系统来分析土壤热平衡问题，如果将这一评价方法扩展到添加辅助冷源的土壤源热泵系统，原理是相同的，具体的热平衡公式形式也一致，只是有些参数的含义发生了变化。

对热平衡方程式(1)，Qin只包括供冷排热量Qco；而Qex不仅包含热泵取热量(或供热时直接取热量)，还包含蓄冷量(或辅助散热量)。在南方地区，由于环境(空气、土壤)温度较高，这就会使得取热(蓄冷)的热补偿要远大于排热的热损失，二者总的作用效果Qgl应为负值。

5 结论

2)应用土壤年热平衡率这一评价指标，得出GCHPSSHS系统适用于我国的严寒地区以及部分寒冷A区。海拉尔是我国最为寒冷的城市之一，说明该系统有能力承担这些地区的供热需求；而比敦煌更炎热的地区将不再适用，需要辅助冷源(散热设备)来维持土壤的热平衡。

3)土壤年热平衡率主要有以下两方面的应用：根据年热平衡率的范围来评价得出GCHPSSHS系统的适用地区；对于某一个地区，以年热平衡率的范围作为设计系统时的控制条件，设计能保持土壤热平衡的高效系统。

4)添加辅助冷源和热源的土壤源热泵系统，都可采用该土壤热平衡评价方法来进行分析，两者原理是一样的，具体的热平衡公式形式也一致，只是有些参数的含义发生了变化。

本文受浙江理工大学科研启动基金(1205828-Y)项目资助。(The project was supported by the Science Foundation of Zhejiang Sci-Tech University (No. 1205828-Y).)

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About the corresponding author

Lü Chao, male, Ph.D. / lecturer, School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang Sci-Tech University, +86 571-86843374, E-mail: lvchao-929@163.com. Research fields: building energy saving, ground source heat pump, indoor air quality.

Research on Evaluation Method of Soil Heat Balance of Ground-coupled Heat Pump System

Lü Chao1Zheng Maoyu2

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou, 310018, China; 2.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150090, China)

In order to make ground-coupled heat pump system operate efficiently in long term, soil needs to be maintained heat balance in an annual cycle. Auxiliary cold source or heat source is needed if necessary. An evaluation method of soil heat balance was proposed, heat balance equation was given, and annual heat balance rate of soil was also defined. Soil heat balance pointΔ0gand floating range 80%Δ0g～120%Δ0gwere derived, where the upper and lower limit correspond to the cold critical region and hot critical region, respectively. According to field data of heat storage, heating and cooling experiments based on the demonstration project, heat balance point was 80% and floating range was 65%～95%, which can be used as indices to measure soil heat balance. Based on the indices, it is evaluated that the ground-coupled heat pump with solar seasonal heat storage (GCHPSSHS) system could be applied to severe cold zone and a part of cold zone A of China. The evaluation method of soil heat balance based on annual heat balance rate can be used to analyze soil heat balance problem of ground-coupled heat pump system with auxiliary cold source or heat source, evaluate the regional applicability of the system, and design an efficient system which can keep soil heat balance.

ground-coupled heat pump; soil heat balance; evaluation method; annual heat balance rate; auxiliary cold source or heat source

0253- 4339(2016) 03- 0042- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.042

2015年8月25日

TQ051.5; TK523

A

简介

吕超，男，博士，讲师，浙江理工大学建筑工程学院，(0571)86843374，E-mail: lvchao-929@163.com。研究方向：建筑节能，地源热泵，室内空气品质。