基于建筑負荷特性的土壤源熱泵系統適用性研究
[摘 要] 本文提出了影響土壤源熱泵系統運行性能的兩個(gè)建筑負荷特性指標：建筑全年累計冷熱負荷比R和建筑峰值冷熱負荷比K，并針對寒冷氣候區一典型辦公建筑，計算了5種R值和2種K值條件下土壤源熱泵系統的地埋管進(jìn)出口溫度、土壤溫度以及熱泵能效比的變化情況。分析得出了適用于土壤源熱泵系統的R值范圍為0.6~0.8，并給出了不同K值條件下地埋管換熱器的設計依據。
[關(guān)鍵詞] 土壤源熱泵系統，建筑全年累計冷熱負荷比，建筑峰值冷熱負荷比，土壤熱平衡，運行能效
1 引 言
土壤源熱泵系統作為一項建筑供暖空調節能技術(shù)近年來(lái)得到了廣泛地推廣應用，但也出現了不少運行幾年后地埋管循環(huán)水溫度逐年升高或降低導致熱泵機組無(wú)法正常運行的項目，出現此類(lèi)現象的主要原因是系統向土壤中的排熱量和吸熱量嚴重不平衡所致。土壤源熱泵系統的全年累計吸排熱量主要取決于建筑的全年累計冷熱負荷，這里基于建筑負荷對土壤源熱泵系統運行性能的影響提出了兩個(gè)建筑負荷特性指標：建筑全年累計冷熱負荷比（用符號R表示）和建筑峰值冷熱負荷比（用符號K表示）。分別定義為： R=∑（全年逐時(shí)冷負荷）/∑（全年逐時(shí)熱負荷）；K=最大冷負荷/最大熱負荷。
根據文獻1針對不同氣候區土壤源熱泵系統的適宜性研究，單一式土壤源熱泵系統在寒冷氣候區較其他氣候區更為適宜。因此，本文選取寒冷氣候區的一棟典型辦公建筑作為研究對象，采用專(zhuān)業(yè)軟件計算建筑的全年動(dòng)態(tài)負荷，并與土壤熱物性參數、機組性能參數進(jìn)行耦合計算，對土壤源熱泵系統連續運行多年的溫度工況及熱泵的能效比cop進(jìn)行預測。首先針對北京地區典型建筑進(jìn)行相同K值、不同R值的土壤源熱泵系統的計算，得出適用于土壤源熱泵系統的R值的范圍。其次針對西安地區進(jìn)行土壤源熱泵系統的計算，并與北京地區進(jìn)行比較，得出不同K值條件下地埋管換熱器的設計依據。研究結論可為建設人員在土壤源熱泵供暖空調系統的方案選擇和設計人員在地埋管換熱器的設計方法上給予一定的參考。
2 計算條件
2.1典型建筑及負荷計算
建筑面積為3000 m2，層高3 m，層數2層。統計外圍護結構面積如表1所示。外圍護結構熱物性參數、室內環(huán)境設計參數、內熱源相關(guān)參數及運行時(shí)間參照《公共建筑節能設計標準》GB500189-2005 表4.2.2-3和附錄B進(jìn)行設置。
表1建筑外圍護結構面積
|
外墻
|
面積m2
|
外窗
|
面積m2
|
|
東墻
|
118.26
|
東窗
|
16.27
|
|
南墻
|
478.7
|
南窗
|
200.4
|
|
西墻
|
118.26
|
西窗
|
16.72
|
|
北墻
|
478.7
|
北窗
|
135.96
|
|
屋面
|
1500
|
|
|
采用TRNSYS軟件建立建筑動(dòng)態(tài)負荷計算模型，并進(jìn)行負荷計算。北京地區逐時(shí)負荷計算結果如圖1所示，西安地區逐時(shí)負荷計算結果如圖2所示。初次計算供暖期取為11月15日至次年3月15日，供冷期取為5月15日-9月15日。
圖1 北京典型建筑全年逐時(shí)冷熱負荷
圖2 西安典型建筑全年逐時(shí)冷熱負荷
表2 典型建筑冷熱負荷統計表
|
|
冷負荷最大值/kW
|
熱負荷最大值/kW
|
全年累計冷負荷/kWh
|
全年累計熱負荷/kWh
|
K值
|
R值
|
|
北京
|
203
|
185
|
117234
|
108620
|
1.10
|
1.08
|
|
西安
|
201
|
160
|
116541
|
85758
|
1.26
|
1.36
|
2.2土壤熱物性參數的選取
本次研究采用TRNSYS軟件建立土壤源熱泵系統模型進(jìn)行耦合計算，地埋管區域土壤選取砂土地質(zhì)條件，導熱系數取為1.9 W/(m·K)，容積比熱容為1940 kJ/(m3·K)，地表面以下100 m范圍內土壤初始平均溫度為15 ℃?；靥畈牧喜捎迷瓭{回填。
3 不同R值地埋管溫度工況及熱泵cop的計算
3.1地埋管換熱器的計算
北京地區典型建筑的峰值冷負荷高于峰值熱負荷，并且相差不大，地埋管換熱器以滿(mǎn)足冬季熱負荷需求進(jìn)行設計，參照文獻2條文4.3.5A：冬季運行期間，地埋管換熱器進(jìn)口最低溫度宜高于4℃進(jìn)行設計。將全年逐時(shí)負荷、土壤熱物性參數及熱泵的制冷制熱性能參數輸入計算模型，計算的地埋管換熱器參數為：采用DN25雙U型高密度聚乙烯PE管，鉆孔間距為5 m、鉆孔深度為100 m，地埋管換熱器鉆孔數量為37個(gè)。第一年地埋管進(jìn)、出口溫度、土壤溫度以及熱泵COP的運行工況如圖3所示，冬季地埋管進(jìn)口最低溫度為4.4℃，夏季地埋管出口最高溫度為29.3℃，運行1年后土壤的溫度上升至16.2℃，說(shuō)明地埋管的全年累計排熱量高于累計吸熱量。
圖3 運行第一年地埋管及土壤的溫度及熱泵COP
3.2地埋管溫度工況及熱泵cop的計算
通過(guò)調整夏季制冷系統開(kāi)啟時(shí)間和結束時(shí)間來(lái)得到不同的建筑累計冷熱負荷比例，使R值分別達到0.9、0.8、0.7和0.6。計算五種R值的土壤源熱泵系統運行15年的溫度工況如圖4~圖8所示。
圖4 R=1.08時(shí)運行15年地埋管及土壤的溫度及熱泵COP
圖5 R=0.9時(shí)運行15年地埋管及土壤的溫度及熱泵COP
圖6 R=0.8時(shí)運行15年地埋管及土壤的溫度及熱泵COP
圖7 R=0.7時(shí)運行15年地埋管及土壤的溫度及熱泵COP
圖8 R=0.6時(shí)運行15年地埋管及土壤的溫度及熱泵COP
表2 不同R值條件下土壤源熱泵系統的溫度工況統計表
|
建筑全年累計冷熱負荷比
|
第1年
|
第15年
|
|
地埋管出口最高溫度/℃
|
地埋管出口最低溫度/℃
|
地埋管出口最高溫度/℃
|
地埋管出口最低溫度/℃
|
土壤終溫
/℃
|
|
1.08
|
29.0
|
7.5
|
34.3
|
12.5
|
20.5
|
|
0.9
|
29.0
|
7.5
|
32.2
|
10.6
|
18.4
|
|
0.8
|
28.8
|
7.5
|
31
|
9.6
|
17.4
|
|
0.7
|
28.7
|
7.5
|
30
|
8.6
|
16.3
|
|
0.6
|
28.6
|
7.5
|
29
|
7.8
|
15.3
|
由表2可以看出，運行至第15年，R為1.08和0.9時(shí)，地埋管夏季出口溫度均高于冷卻塔的溫度工況，土壤溫度分別上升了5.5℃和3.4℃；R為0.8時(shí)，地埋管夏季出口溫度低于冷卻塔的溫度工況，即地埋管散熱優(yōu)于冷卻塔散熱，土壤溫度上升了2.4℃；R為0.7時(shí)，地埋管夏季出口溫度均低于熱泵夏季制冷額定工況，熱泵運行期間均可實(shí)現高效運行，土壤溫度上升了1.3℃；R為0.6時(shí)，土壤的吸、排熱基本實(shí)現了完全平衡，土壤溫度僅上升了0.3℃。
根據計算結果，還可以看出土壤源熱泵系統向土壤中的排熱量高于吸熱量，地埋管循環(huán)水溫度逐年升高，冬季制熱熱泵COP逐年升高，耗功減少；夏季制冷熱泵COP逐年下降，耗功增加。即土壤溫度的升高對夏季運行不利，但對冬季運行有利。因此，在實(shí)際工程應用中并不要求向土壤中的吸排熱量達到完全平衡，文獻4認為這種不平衡率在20%以?xún)?，就不?huì )出現土壤源熱泵系統運行工況極端惡化的現象。
本文從兩方面分析這個(gè)問(wèn)題，首先應保證土壤溫度不應有較大的變化，連續運行15年工況穩定后，土壤溫度高于初始溫度不宜超過(guò)3℃。其次應保證熱泵在冬季運行工況逐年變好的同時(shí)，夏季運行工況應始終保持優(yōu)于冷卻塔的運行工況。綜合土壤溫升和機組運行能效兩方面因素，建議適合采用土壤源熱泵系統的R值范圍為0.6~0.8。
4不同K值地埋管溫度工況的計算
根據第2節的負荷計算結果，西安地區典型建筑的K值高于北京地區。調整西安地區制冷系統的開(kāi)啟時(shí)間使西安典型建筑的R值為0.8，選取2種不同的計算依據進(jìn)行地埋管換熱器設計參數及地埋管溫度工況的計算。方案1為冬季第一年運行地埋管進(jìn)口最低溫度不低于4℃，方案2為夏季第一年運行地埋管出口最高溫度不高于30℃，限于篇幅這里僅給出計算結果，如表3所示。
表3 2種方案的土壤源熱泵系統的地埋管數量及溫度工況統計表
|
R=0.8
|
地埋管換熱器鉆孔數量
|
第1年
|
第15年
|
|
地埋管出口最高溫度/℃
|
地埋管出口最低溫度/℃
|
地埋管出口最高溫度/℃
|
地埋管出口最低溫度/℃
|
土壤終溫
/℃
|
|
方案1
|
32
|
31.8
|
8.2
|
34
|
10.2
|
17.3
|
|
方案2
|
36
|
29.6
|
8.9
|
31.7
|
10.9
|
17.2
|
注：地埋管換熱器的其它參數同北京地區。
根據表2和表3可以看出，當R值為0.8時(shí)，同樣以冬季地埋管進(jìn)口最低溫度不低于4℃為地埋管換熱器的設計依據，K值為1.10的北京地區可實(shí)現熱泵連續15年高效運行，K值為1.26的西安地區第二年地埋管出口最高溫度便超過(guò)了32℃，無(wú)法實(shí)現熱泵連續高效運行。當以第一年地埋管出口最高溫度不高于30℃為依據進(jìn)行地埋管換熱器計算時(shí)，西安地區第15年地埋管出口最高溫度未超過(guò)32℃，優(yōu)于冷卻塔工況，可實(shí)現熱泵持續高效運行。
5 結 論
本文通過(guò)對寒冷氣候區一典型辦公建筑在不同的建筑負荷特性指標下土壤源熱泵系統的地埋管溫度工況及熱泵cop的計算，得出了適用于土壤源熱泵系統的建筑負荷特性指標值的范圍及地埋管換熱器的設計依據。
1）當建筑累計冷熱負荷比為0.6時(shí)，土壤源熱泵系統向土壤中的吸熱量和排熱量基本可實(shí)現完全平衡，地埋管進(jìn)、出口溫度及土壤溫度工況最為穩定。
2）土壤溫度的升高使得夏季熱泵制冷COP下降，但冬季熱泵制熱COP上升，因此并不要求土壤源熱泵系統向土壤中的吸、排熱量實(shí)現完全平衡。
3）綜合考慮土壤溫升和熱泵的運行能效兩方面因素，得出了適用于土壤源熱泵系統的建筑的全年累計冷熱負荷比范圍為0.6~0.8。
4）建筑的全年累計冷熱負荷比在適宜的范圍內，當峰值冷熱負荷比大于1.1時(shí)，建議地埋管換熱器以滿(mǎn)足夏季冷負荷需求進(jìn)行設計，第一年地埋管出口最高溫度不超過(guò)30℃。設計人員也可根據具體項目的負荷特性，以初投資和運行費用相結合的綜合效益指標最低為原則來(lái)選取地埋管出口的最高溫度值。
5）當建筑的R值大于0.8（或小于0.6）時(shí)，可考慮采用增加輔助冷源（或輔助熱源）的復合式土壤源熱泵系統，應通過(guò)經(jīng)濟計算來(lái)確定。
6）由于不同廠(chǎng)家熱泵機組的性能系數會(huì )有一定差別，并且土壤中的含水量及流動(dòng)速度對土壤的溫升有一定影響。因此，在項目設計階段應進(jìn)行建筑全年動(dòng)態(tài)負荷計算，根據所選機組的性能系數以及當地的土壤熱物性參數，進(jìn)行耦合設計計算，以確保土壤源熱泵的持續高效運行。
參考文獻
[1]土壤源熱泵技術(shù)適宜性研究報告. 十一五課題“水源地源熱泵高效應用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”，2010.
[2] 中國建筑科學(xué)研究院. GB50189-2005, 公共建筑節能設計標準, 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.
[3] 中國建筑科學(xué)研究院. GB 50366-2005，地源熱泵系統工程技術(shù)規范[S]. 2009年版，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.
[4]何雪冰，丁勇，劉憲英．地源熱泵埋管換熱器傳熱模型及其應用．重慶建筑大學(xué)學(xué)報．2004，26(2).