狼兽舍土壤源热泵系统运行特性研究

贾琪，陈俊亦，崔明辉，刘伟，孙卫红

摘要：由于动物兽舍洞口为敞开式，围护结构保温性能较差，导致动物兽舍耗热量大，兽舍温度低，为达到兽舍需求的温度，并减少常规能源消耗，文章以狼兽舍为例，通过DeST软件对狼兽舍热负荷进行模拟分析，根据提出的峰值热负荷标准值以及土壤热物性参数计算打井深度及数量。利用TRNSYS软件分别模拟地源热泵系统在井间距5，6，7 m时的系统运行情况和土壤温度变化，结果表明当井间距为5 m和6 m时，土壤温度较低，无法满足系统长时间运行，当井间距为7 m时，土壤温度稳定在14.5 ℃，源测回水最低温度为6.03 ℃，供回水温差为4 ℃左右，系统运行效果最佳。因此对于狼兽舍土壤源热泵系统，满足供热需求的最佳井间距为7 m，井深为100 m，打井数量为20。研究结果为解决兽舍耗热量大，温度低等问题提供了解决方案，应用前景广阔。

关键词：土木建筑工程设计其他学科;兽舍供热;TRNSYS仿真模拟;地源热泵系统;井间距

中图分类号：TP311文献标识码：Adoi： 10.7535/hbgykj.2020yx01007

Study on operation characteristics of soil source

heating system in Wolf house

JIA Qi1， CHEN Junyi1， CUI Minghui1，LIU Wei2， SUN Weihong3

Abstract：Because the opening of the animal house is open and the thermal insulation performance of the enclosure is poor， the animal house consumes a lot of heat and the temperature of the animal house is low. In order to reach the temperature of the heat supply demand of the animal house and reduce the conventional energy consumption， this paper takes the Wolf house as an example， simulates and analyzes the heat load of the wolf house through the DeST software. According to the definition of the standard value of the peak heat load  and the soil thermal physical parameters， the drilling depth and quantity. TRNSYS software is used to simulate the system operation and the change of soil temperature when the well spacing is 5 m， 6 m and 7 m. The results show that when the well spacing is 5 m and 6 m， the low soil temperature can not meet the longterm operation of the system. When the well spacing is 7 m， the soil temperature is stable at 14.5 ℃， the minimum temperature of the source measured return water is 6.03 ℃， the difference of the supply and return water temperature is about 4 ℃， and the system operates best. Therefore， for the ground source heat pump system of Wolf house in this paper， the optimal well spacing to meet the heating demand is 7 meters， well depth is 100 meters， and the number of wells drilled is 20. This study provides a solution to the problems of high heat consumption and low temperature in the animal house， and has a broad application prospect.

Keywords：civil engineering design other disciplines; animal house heating; TRNSYS simulation; ground source heat pump system; well spacing

隨着经济的飞速发展，中国的能源生产和消费总量已跃升世界首位，其中，供热已成为全球最大的能源终端消费领域。2018年，供热供冷产生的能耗在中国的各类能耗中占比约37%[12]，同时建筑供暖关乎民生，是中国实现小康的重要环节[3]。因此，采用清洁环保的可再生能源成为节能降耗的重要途径[3]。目前，民用建筑供热方式研究已取得一定成果，从最初的集中供热到“煤改电”、“煤改气”[4]，如今土壤源、空气源、太阳能等清洁能源加入其中，在很大程度上为缓解空气污染状况作出了贡献[5]。

第1期贾琪，等：狼兽舍土壤源热泵系统运行特性研究河北工业科技第37卷动物园兽舍的供热问题往往被忽视。向动物园供热需注意各场馆的供热温度各有不同，供热时间灵活，并且各场馆的启停时间也略有区别。根据兽舍供热面积大、建筑面积小、建筑群稀疏的特点，对各场馆进行独立供热控制，互不影响，来同时满足不同种类动物对温度的不同需求。在热源选择方面，集中供热多以锅炉为主要供热方式，而锅炉大致可分为燃煤锅炉、燃气锅炉和电锅炉3种。其中，燃煤锅炉的热效率不高且污染严重，所以中小型的燃煤锅炉经整改后已逐渐退出历史舞台[6];对于燃气锅炉，因为无法利用排烟余热，并且大范围采用燃气供热会导致东部地区燃气资源的匮乏问题更加严峻，所以燃气锅炉也无法成为最优选择[7];至于电锅炉，众所周知其运行费用比较高，并且大多被用于百平米左右的取暖，因此并不适用于诸如动物园之类的大型公共开放园区[8]。作为清洁能源的空气源热泵[9]，其各方面性能较好，且近几年在低温运行技术上也有了很大突破[10]。但是，空气源热泵噪声过大，对斑马等温顺好静的动物来说不太友好，不利于对周围环境极其敏感的动物生活，因此，这种供热方式难以满足兽舍的要求。综合考虑后，选用土壤源热泵系统分别对每个兽舍进行供热，形成各自独立的供热系统[11]。土壤源热泵系统在近几年发展迅速，冰岛对土壤源热泵的成功使用是该技术被再次重视的重要原因。该国85%的地区都利用地热能进行取暖，这使得冰岛的环境质量在全世界名列前茅[12]。近几年，中国对土壤源热泵的研究在借鉴国外的相关经验基础上，对土壤热环境的维持和改善进行了探讨[13]，以保证土壤源热泵的可持续性。本文以石家庄市动物园狼兽舍的土壤源供热系统为例进行分析。

1狼兽舍负荷计算及分析

在中国，狼是二级保护动物，具有特殊的文化内涵，在各動物园几乎都有饲养，是重要的观赏动物。目前，中国的野生狼主要分布在东北、内蒙以及西藏等人口密度较小的地区。狼通常在夜间活动频繁，有厚重浓密的皮毛，御寒能力强，且繁殖期不在供热期间。综合以上特点，设定狼兽舍空调启停温度为2～10 ℃[14]。

1.1狼兽舍建筑描述

如图1所示，狼兽舍面积约为298.08 m2，建筑长55.8 m，宽6.9 m，最右侧包含工具间、管理室以及设备室，设备室无需供热，工具间和管理室的面积分别为31.56 m2和30.53 m3。用内墙将狼兽舍隔成多个独立单间，且留有2.3 m宽的走廊方便工作人员操作，走廊与兽舍房间用栅栏隔开。狼兽舍每个房间都有一个出入的洞口，洞口没有设置遮挡。房间分布整齐，且并排有管理室和工具间，因负荷需求不同，不能划分为一个大的房间，且DeST无法识别敞开空间，因此将该建筑区域划分为若干个小房间。

表1为狼兽舍建筑的具体参数，可以发现，兽舍的墙体没有保温措施，外窗为普通单层玻璃，热损失大，且兽舍冷风渗透较民用建筑而言明显增大[15]。兽舍室内温度设定为2～10 ℃，采用风机盘管末端装置，通过DeST对建筑进行描述与负荷计算，兽舍逐时热负荷峰值为115.08 kW，热负荷指标为55 W/m2。

1.2兽舍负荷的计算分析

狼兽舍逐时热负荷曲线图如图2所示。从图中可以明显看出，逐时热负荷波动较大，这是由于兽舍围护结构保温性能无法与民用建筑相比较;且围护结构未构成封闭式空间，导致换气次数设定增大，以上2个因素对建筑热负荷计算产生较大影响。因此，以峰值热负荷来确定热泵机组型号显然不够合理准确。本文基于兽舍供热需求及条件的特殊性提出了峰值热负荷标准值的概念，且认为，确定一个合适的逐时热负荷标准值是解决兽舍供热问题的第一步。

借鉴供暖室外温度t′w的确定方法，决定采用不保证天数法来确定合理的逐时热负荷标准值。不保证天数法的原则是：容许兽舍室内实测温度在几天内稍低于室内计算温度tn值，即容许这几天的逐时负荷高于选定的逐时热负荷标准值。不同国家对不保证天数的规定有所不同，有1，3和5 d的设定，中国现行的《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[16]中选定历年平均不保证5 d的日平均温度作为采暖室外计算温度，因此本文确定全年在不保证5 d供热的情况下确定峰值热负荷标准值。

Q1Q=tw-tn1tw-tn。                   （1）

式中：Q1为不保证5 d供热情况下的逐时热负荷，kW;Q为峰值热负荷，kW;tw为冬季供暖室外计算温度，℃;tn为室内设定温度，℃;tn1为不保证5 d供热情况下的室内温度，℃。

通过式（1）计算，得出第120（5×24=120）时刻的逐时负荷为61.55 kW，即为狼兽舍峰值热负荷标准值。此时，对应的时刻为全年的第704小时，此时的狼兽舍与工具间热负荷占比如图3所示。

从图3中可知，狼兽舍热负荷占比更大，因此，以狼兽舍室温设定最高值作为计算标准，通过公式计算得出逐时负荷为61.55 kW时兽舍室温为0.2 ℃。与设定的狼兽舍最低温度相差1.8 ℃。

狼御寒首先靠的是厚实坚韧的皮毛。在与人类社会的关联中，从古至今的猎户们也常以狼皮来制作冬季保暖的衣物，可见其保暖能力。狼御寒的第2个途径是食肉。狼作为肉食动物，皮下脂肪的积累能够满足其在冬季抵御寒冷的需要。最重要的是，狼拥有独特的血液循环系统，血液在经腿部流向爪子的过程中被冷却，因此狼爪中的血液为冷血，这使得狼在与雪地的接触中，狼爪流失的热量达到最低。同时，身体在厚实皮毛的保护下，最大程度减少了热量流失，维持了体温。图4为热感摄像机镜头下在冬季夜晚活动的狼，通过图中的颜色对照表明热量值，毛发呈现蓝色说明其对热量起到了很好的保护作用;腿部温度明显比狼爪温度高，这与之前分析是一致的。从生育时间来看，低纬度地区狼的交配期在1月，高纬度地区狼的交配期在4月，孕期为61 d左右，无需特殊的供热。因此2 ℃左右的温差对于人工饲养的狼来说，不会造成较大的不适感，反而可以提升狼对环境的适应能力，避免因人工饲养而失去原有的极强的环境适应能力[17]。

2土壤源热泵系统设计

利用TRNSYS软件对狼兽舍土壤源热泵系统进行模拟分析，模拟系统如图5所示。

2.1系统计算

根据式（2）计算兽舍的打井数量。

Q′=Q·（1-1CCOP），（2）

式中：Q′为冬季从土壤吸取的热量，kW;Q为热负荷计算值，kW;CCOP为设计工况下地源热泵机组的供热系数。

由于动物兽舍仅考虑冬季供热，此时土壤每延米吸热量较冬夏两用的土壤源热泵系统的每延米吸热量更小，结合检测到的石家庄市土壤的每延米吸热量（约35 W/m），在保证供热效果的前提下给定1.2的富余量（修正系数），最终确定兽舍土壤源热泵系统的每延米吸热量为25 W/m，井深100 m，井口距土壤表层2 m。

L=1 000Q′W， （3）

式中：L为竖井总深度，m;W为单位孔深吸热量，W/m。

N=LH，（4）

式中：N为竖井数目;H为单口竖井深度，m。

最终确定兽舍打井数量为20口，打井深度确定为100 m，打井形式为竖直双U井。

系统流量计算如下：

G=3 600QcρΔt，（5）

式中：G为负荷侧流量，m3/h;Q为建筑设计热负荷，kW;c为循环介质比热容，4.19×103 J/kg·℃;ρ为循环介质密度，1×103 kg/m3;Δt为供回水温差，取5 ℃。

2.2系统其他参数的设定

根据狼兽舍的峰值热负荷标准值（61.55 kW）对热泵部件Type668设定，选定额定制热量为67 kW、额定功率为15 kW的熱泵机组，机组CCOP为5。机组用户侧进口温度为30 ℃，地源侧进口温度为14 ℃。

气象参数部件Type109TMY中的气象资料来自外部文件，并用TMY2格式以一定时间间隔来读取数据。外部文件由Meteonorm导出石家庄市的气象参数。

地埋管换热器Type557a中，U形管外径为0025 m，内径为0.02 m，两管间中心距为0.025 m，U形管管壁导热率为0.42 ，不考虑两管间的传热，地温初值为16 ℃，间隙材料为水，导热率为0.58 W/（m·k），间隙厚度为0.005 m。各井之间为并联形式。

3模拟结果分析

分别在5，6，7 m的井间距下，对狼兽舍供热区的土壤源热泵系统进行模拟，模拟时间为0～25 176 h，通过对比土壤温度和源侧供回水温度，分别对2个兽舍的供热情况进行分析。根据TRNSYS中温控器的设置，用户侧供水温度控制在35～40 ℃，供回水温差为5 ℃，数值相对稳定，因此，只对比不同井间距的运行情况，将不再讨论用户侧温度。

图6为狼兽舍不同井间距下的土壤温度变化曲线图。

从图6中可以看出，井间距越大，土壤温度相对越高，越趋于稳定。当井间距为7 m时，在不加补热系统的前提下，运行3年内土壤基本能稳定在145 ℃。随着井间距加大，土壤供水温度也相应提高，在供热期不同井间距下，供水平均温度分别为1304，13.24，13.37 ℃，回水最低温度分别为5.33，576，6.03 ℃。狼兽舍的供热需求小，打井数量少，6 m井间距条件下土壤源热泵系统就可正常运行，但在7 m井间距条件下土壤源热泵系统的运行效果更稳定。

7 m井间距条件下土壤源侧供回水曲线图如图7所示。

第1阶段，地埋管侧供水温度最高为15.9 ℃，最低为11.58 ℃，平均温度为14.65 ℃，回水温度最高为15.76 ℃，最低为7.62 ℃，平均温度为13.74 ℃，土壤源侧供回水平均温差约为3.5 ℃，此时土壤温度由初始的16 ℃下降为15.43 ℃，曲线整体较为稳定。

第2阶段为非供热期，系统停止运行，土壤温度由15.43 ℃恢复到15.56 ℃。

第3阶段为完整供热期（11月15日至第2年的3月15日），土壤源侧供回水温度整体呈下降趋势，供水温度最高为15.51 ℃，最低为10 ℃，平均温度为12.39 ℃，回水温度最高为15.12 ℃，最低为603 ℃，平均温度为10.28 ℃，此时土壤温度由1552 ℃降至14.12 ℃。

第4阶段，经过第2年非供热期的土壤恢复，温度从14.12 ℃上升至14.68 ℃。

第5阶段为完整供热期，从第2年的11月15日至第3年的3月15日，供回水温度的整体变化趋势与第2阶段相同，整体呈下降趋势，土壤源侧供水温度最高为14.51 ℃，最低为10.21 ℃，平均供水温度为13.09 ℃，土壤源侧回水温度最高为14.51 ℃，最低为6.26 ℃，平均回水温度为12.08 ℃，此时土壤温度从14.52 ℃降至13.97 ℃。

第6阶段为土壤恢复期，土壤温度从13.97 ℃恢复到14.46 ℃。

根据以上数据分析，狼兽舍供热区土壤源热泵系统3年运行过程中，土壤温度从16 ℃降至14.46 ℃。第1个完整供热期土壤温度下降1.4 ℃，第2个完整供热期土壤下降0.55 ℃，第1个土壤恢复期恢复0.13 ℃，第2个恢复期恢复0.56 ℃，第3个土壤恢复期恢复0.49 ℃。供回水温度都在正常运行范围内，且供热季开始前土壤温度基本能恢复到上一个供热开始时的温度。因此，不考虑添加土壤补热系统，采用土壤源热泵系统进行供热。

4结语

本文通过对狼兽舍的土壤源热泵系统运行结果分析，得出以下结论。

1）狼兽舍负荷需求较小，打井数量少，因此土壤源热泵系统运行时，根据本文的系统参数设置，土壤温度最低为14 ℃，且基本稳定在14.5 ℃，能保证土壤供水温度的要求。

2）通過对3种井间距下的土壤源热泵系统模拟分析可知，5 m井间距条件下的土壤源侧供水平均温度为13.04 ℃，回水最低温度为5.33 ℃，6 m井间距条件下的土壤源侧供水平均温度为13.24 ℃，回水最低温度为5.76 ℃，7 m井间距下的土壤源侧供水平均温度为13.37 ℃，回水最低温度为6.03 ℃。考虑到5 m井间距条件下的土壤源侧供回水温度较低，且土壤温度变化幅度明显，因此不建议选择5 m井间距进行施工。6 m井间距的土壤源热泵系统能保证系统正常运行，但是7 m井间距条件下的系统运行效果更好。

3）在其他条件不变的前提下，通过改变地埋管的井间距，进行对比模拟，可以发现井间距越大，土壤温度相对越稳定，变化幅度越小，因此在条件允许的情况下，建议选择井间距大的施工设计方案。

4）狼兽舍墙体无保温，冷风渗透量大，导致热损失较大。因此，建议在施工时对兽舍适当添加墙体保温材料，在兽舍洞口可设置风幕等设施，减少热损失，进一步减少打井数量、降低投资。

此外，本研究尚存在不足之处：

1）模拟时间较短，无法准确判断10年以上的系统运行情况和土壤温度变化情况;

2）本系统的末端形式为空调系统送风形式，但对于这种末端供热形式的室内运行状况还未进行详细研究，今后应根据动物的实际高度对送风高度进行调整，确定最佳送风效果;

3）动物兽舍中，动物出入洞口为常开状态，今后可以考虑安装风幕或感应门来减少冷风渗透，同时对室内风场流动进行模拟，为确定安装位置提供依据。

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收稿日期：20191013;修回日期：20191224;责任编辑：王海云

基金项目：河北省科学院科研基金（18702）

第一作者简介：贾琪（1994—），女，河北张家口人，硕士研究生，主要从事暖通空调新能源利用与节能技术方面的研究。

通讯作者：崔明辉教授。Email：cuiminghui666@163.com

贾琪，陈俊亦，崔明辉，等.狼兽舍土壤源热泵系统运行特性研究[J].河北工业科技，2020，37（1）：3439.

JIA Qi， CHEN Junyi， CUI Minghui， et al.Study on operation characteristics of soil source heating system in Wolf house [J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2020，37（1）：3439.