江蘇省建筑設計研究院有限公司 徐衛榮 夏卓平 邱建中 陳 震
摘 要：針對土壤源熱泵系統運行過程復雜，運行能耗受多種因素影響的問題，建立了該系統數學模型，選定某綜合樓進行分析。結果表明，空調冷水溫度每提高1℃，制冷耗電量減小3.5%；空調熱水溫度每提高1℃，供熱耗電量增加2.3%。地埋管長度每增加10%，制冷耗電量減小0.43%，供熱耗電量減小0.56%。土壤初始溫每提高1℃，制冷耗電量增加1.9%，供熱耗電量減小2.4%。土壤導熱系數每增加0.1W/(m·K)，制冷耗電量減小0.22%，供熱耗電量減小0.20%。
關鍵詞：土壤源；熱泵模型；運行能耗；土壤溫度；熱平衡；耗電量
0 引言
土壤源熱泵系統以土壤為環境冷熱源，對建筑進行制冷或供熱。由于地下土壤溫度受室外環境（如太陽輻射）影響較小，該系統運行穩定且能效比較高，可以有效降低建筑能耗[1-3]。但土壤源熱泵系統運行過程復雜，影響系統運行能耗高低的因素較多[4-6]，部分工程實際運行效果達不到設計參數，因此有必要建立土壤源熱泵系統運行數學模型，通過運行參數計算結果，評價相關因素對系統運行能耗的影響程度，從而為該系統的設計和運行提供理論依據。
1 土壤源熱泵系統原理與分析條件
1.1 土壤源熱泵系統原理
土壤源熱泵系統通常設置冷卻塔與地埋管換熱器并聯[7]，以實現地下土壤全年換熱平衡，其系統原理如圖1。
圖1 土壤源熱泵系統原理
1–冷凝器；2–蒸發器；3–地源側循環泵；4–冷卻塔循環泵；5–空調側循環泵；6–地埋管換熱器；7–分水器；8–集水器；9–冷卻塔
圖1中，系統在不同運行工況下，對應各閥門切換狀態如表1。
表1 不同工況閥門狀態
1.2 土壤源熱泵系統分析條件
以下分析忽略空調冷媒輸送過程中管道溫升、換熱器運行水垢因素。同時，因空調側循環水泵由建筑空調負荷及空調水管路系統所決定，冷卻水側參數變動對該水泵運行能耗影響較小，因此空調供冷系統綜合性能系數SCOPT、空調供熱系統綜合性能系數SEERT、空調供冷工況全年耗電量EC、空調供熱工況全年耗電量EH的分析計算未包括空調側循環水泵。
地埋管區域土壤初始溫度、系統運行過程中土壤溫度場分布、地埋管換熱器結構形式、埋管區域巖土層構造、管群之間換熱相互擾動等因素均對土壤源熱泵系統運行能耗具有一定影響，以下分析通過土壤初始溫度t0、土壤導熱系數λ、土壤導溫系數a（其數學定義為導熱系數與容積熱容量的比值）參數綜合反映上述因素，經土壤溫度模型計算，得出地埋管平均水溫，從而反饋到其對系統運行能耗的影響。以下運行能耗分析均以土壤全年換熱平衡為前提，系統運行控制策略采用在空調供冷季優先運行地埋管放熱，后期開啟冷卻塔進行輔助散熱平衡的形式。
2 土壤源熱泵系統運行數學模型
2.1 地埋管運行土壤溫度模型
在τ時刻，離垂直地埋管中心某計算點(r, z)處土壤溫度為：
式中：τ為運行時間（h）；r為計算點離地埋管中心徑向距離（m）；z為計算點深度（m）；t0(z, τ)為土壤遠處不受系統擾動的初始溫度[8]（℃）；θ(r, z, τ)為τ時刻計算點（r, z）處過余溫度（℃），其定義為計算點的溫度與土壤初始溫度之差，其表達式為[9-11]。
式中：H為鉆孔深度（m）；λ為土壤導熱系數（W/(m·K)）；a為土壤導溫系數（m2/s）。
由土壤溫度模型得出地埋管側水溫，從而可計算出熱泵機組能耗[12-13]。
2.2 空調供熱工況運行能耗
式中：∑E1為水源熱泵機組空調供熱工況全年耗電量[12]（kW·h）；∑E2為地埋管系統循環水泵空調供熱工況全年耗電量（kW·h）。
2.3 空調供冷工況運行能耗
式中：∑E1為水源熱泵機組空調供冷工況全年耗電量（kW·h）；∑E2為冷卻循環水泵空調供冷工況全年耗電量（kW·h）；∑E3為冷卻塔風機空調供冷工況全年耗電量（kW·h）。
2.4 全年運行能耗
式中：ET為土壤源熱泵系統空調供熱和空調供冷全年總耗電量[13]（kW·h）。
3 土壤源熱泵系統能耗分析
選定采用土壤源熱泵系統的某綜合樓進行分析，經計算，該項目空調設計冷負荷為3494kW，熱負荷為1777kW，同時有穩定熱水需求，其負荷為498kW。
根據土壤熱響應試驗報告，λ =1.785W/(m·K)，a =7.864×10-7m2/s。本工程設計地埋管深度H=100m，共850口井，井間距4.2m，選用2臺額定工況制冷量為1280kW，制熱量為1410kW的地源熱泵機組，和1臺額定工況制冷量為1280kW的單冷冷水機組，為滿足土壤全年換熱平衡，選用1臺額定流量為280m3/h
的冷卻塔作為輔助散熱。經全年逐時負荷設計計算，本工程全年土壤總放熱量為33.4kW·h/m2，土壤總吸熱量為32.5kW·h/m2，土壤熱平衡率為97.3%，所選輔助冷卻塔滿足土壤熱平衡要求。
運行能耗分析計算設定機組工作時間為工作日7~18時[14]，分析某一參數對運行能耗影響時，系統其余輸入參數及運行控制策略不變，同時建筑空調負荷均采用該綜合樓全年逐時空調負荷。
3.1 空調水溫對系統運行能耗影響
以空調供回水平均溫度作為用戶側空調水溫的指標，進行計算分析。
3.1.1 空調供熱水溫
空調供熱工況供回水平均溫度tH對系統運行能耗影響如圖2，圖中SEERT及EH曲線經回歸擬合，結果均近似為2次多項式。
圖2 供熱工況系統運行能耗隨空調水溫tH變化關系
圖2表明，隨著土壤源熱泵系統供熱水溫tH的提高，空調供熱系統綜合性能系數SEERT逐漸減小，全年空調供熱耗電量EH逐漸增加。其中tH每提高1℃，EH增加約2.3%。因此在滿足使用需求時，宜適當降低供熱工況空調水溫tH，以減小系統運行能耗。
3.1.2 空調制冷水溫
空調制冷工況空調供回水平均溫度tC對系統運行能耗影響如圖3，圖中SCOPT及EC曲線經回歸擬合，結果均近似為2次多項式。
圖3 制冷工況系統運行能耗隨空調水溫tC變化關系
圖3表明，隨著土壤源熱泵系統制冷水溫tC的提高，空調供冷系統綜合性能系數SCOPT逐漸增加，全年空調供冷耗電量EC逐漸減小。其中 tC每提高1℃，EC減小約3.5%。因此在滿足使用需求時，宜適當提高制冷工況空調水溫tC。
3.2 地埋管長度對系統運行能耗影響
本工程設計地埋管深度為100m，以地埋管井數量作為地埋管總長度的指標，進行計算分析。地埋管長度對系統運行能耗影響如圖4。
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| （a）SCOPT、SEERT隨地埋管井數量n變化關系 | （b）EC、EH隨地埋管井數量n變化關系 |
圖4 系統運行能耗隨地埋管長度變化關系
圖4表明，隨著土壤源熱泵系統地埋管長度的增加，空調供冷系統綜合性能系數SCOPT及空調供熱系統綜合性能系數SEERT逐漸增加，全年空調供冷耗電量EC及全年空調供熱耗電量EH逐漸減小。其中地埋管總長度每增加10%，EC減小約0.43%，EH減小約0.56%。因此在工程條件允許時，宜適當增加地埋管長度，即在埋深不變的情況下，增加地埋管井數量。
3.3 土壤初始溫度對系統運行能耗影響
土壤初始溫度t0對系統運行能耗影響如圖5，圖中SCOPT、SEERT、EH及EC曲線經回歸擬合，結果均近似為2次多項式。
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| （a）SCOPT、SEERT隨土壤初始溫度t0變化關系 | （b）EC、EH隨土壤初始溫度t0變化關系 |
圖5 系統運行能耗隨土壤初始溫度t0變化關系
圖5表明，隨著土壤源熱泵系統土壤初始溫度t0的提高，空調供冷系統綜合性能系數SCOPT逐漸減小，空調供熱系統綜合性能系數SEERT逐漸增加，全年空調供冷耗電量EC逐漸增加，全年空調供熱耗電量EH逐漸減小。其中t0每提高1℃，EC增加約1.9%，EH減小約2.4%。
3.4 土壤導熱系數對系統運行能耗影響
土壤導熱系數λ對系統運行能耗影響如圖6。
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| （a）SCOPT、SEERT隨地埋管井數量n變化關系 | （b）EC、EH隨地埋管井數量n變化關系 |
圖6 系統運行能耗隨土壤導熱系數λ變化關系
圖6表明，隨著土壤導熱系數λ的提高，空調供冷系統綜合性能系數SCOPT及空調供熱系統綜合性能系數SEERT逐漸增加，全年空調供冷耗電量EC及全年空調供熱耗電量EH逐漸減小。其中λ每增加0.1W/(m·K)，EC減小約0.22%，EH減小約0.20%。
3.5 地埋管運行對土壤溫度的影響
土壤源熱泵系統運行能耗受地下土壤溫度的影響較大，地埋管間隙運行時，地下土壤處于換熱和恢復階段，因此有必要分析土壤溫度隨地埋管運行的變化規律。選定熱泵機組在1個工作日內工作時間為7~18h，機組運行5個工作日并恢復48h，連續運行2個星期，r =0.075m處土壤溫度進行分析。
3.5.1 空調供熱工況對土壤溫度的影響
空調供熱工況下，土壤溫度隨熱泵系統運行時間T變化關系如圖7。
圖7 空調供熱工況土壤溫度隨運行時間T變化關系
圖7表明，空調供熱工況熱泵機組運行時，隨著地埋管從土壤吸熱，土壤溫度逐漸減低；熱泵機組停止后，土壤溫度逐漸恢復升高，但在1個工作日周期內并未恢復至土壤初始溫度；隨著地埋管間隙吸熱運行，土壤平均溫度逐漸降低；在連續恢復的48h內，土壤溫度有較大幅度提高。
3.5.2 空調制冷工況對土壤溫度的影響
空調制冷工況下，土壤溫度隨熱泵系統運行時間T變化關系如圖8。
圖8 空調制冷工況土壤溫度隨運行時間T變化關系
圖8表明，空調制冷工況熱泵機組運行時，隨著地埋管向土壤放熱，土壤溫度逐漸升高；熱泵機組停止后，土壤溫度逐漸恢復降低，但在1個工作日周期內并未恢復至土壤初始溫度；隨著地埋管間隙放熱運行，土壤平均溫度逐漸升高；在連續恢復的48h內，土壤溫度有較大幅度降低。
因此，對設計了地埋管和冷卻塔輔助散熱的土壤源熱泵系統，在冷卻塔散熱效率較高的工況時，宜間隙運行地埋管和冷卻塔，延長土壤溫度恢復時間，以降低系統運行能耗。
4 結論
根據土壤源熱泵系統原理建立系統運行數學模型，選定采用土壤源熱泵系統的某綜合樓進行分析，對該綜合樓性質的公共建筑，結論如下：
（1）制冷工況，土壤源熱泵系統冷水溫度每提高1℃，空調制冷耗電量減小約3.5%；供熱工況，空調熱水溫度每提高1℃，全年空調供熱耗電量增加約2.3%。
（2）土壤源熱泵系統地埋管長度每增加10%，制冷耗電量減小約0.43%，供熱耗電量減小約0.56%。
（3）土壤初始溫度每提高1℃，制冷耗電量增加約1.9%，供熱耗電量減小約2.4%。
（4）土壤導熱系數每增加0.1W/(m·K)，制冷耗電量減小約0.22%，供熱耗電量減小約0.20%。
（5）空調制冷工況下，隨著地埋管向土壤放熱，土壤平均溫度逐漸升高；供熱工況下，隨著地埋管從土壤吸熱，土壤平均溫度逐漸降低；在連續停機的48h內，土壤溫度有較大幅度恢復。
因此在滿足使用需求及工程條件允許時，宜適當降低空調供熱水溫、提高空調制冷水溫，增加地埋管長度，以減小系統運行能耗。對設計了地埋管和冷卻塔輔助散熱的土壤源熱泵系統，在冷卻塔散熱效率較高的工況時，宜間隙運行地埋管和冷卻塔系統。
實際工程中，受項目場地大小、項目投資預算等因素制約，大幅增加地埋管的長度較難實現。同時綜合上述數據，增加地埋管長度對系統運行能耗的影響度遠小于空調水溫對系統能耗的影響，因此，土壤源熱泵系統設計和運行時宜優先采用降低空調供熱水溫、提高空調制冷水溫的節能措施。
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備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2019年7月刊總第22期。
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