嚴寒地區中深層雙U形地埋管熱泵系統的應用分析*

大連理工大學 左婷婷 李祥立 王宗山

0 引言

我國居住建筑體量大、容積率高，而位于嚴寒、寒冷地區的居住建筑具有熱負荷需求大、冷負荷需求小的特點。因此，地埋管地源熱泵系統應用于熱負荷占優地區的居住建筑時，將面臨埋管所需的地表面積不足和由于吸熱量大、土壤自身恢復能力不足導致地溫逐年降低的冷堆積問題。針對面積限制問題，文獻[1-5]提出了埋深超過1 000 m的中深層套管式地埋管系統，但該系統僅能供暖，無法滿足供冷需求；針對冷堆積問題，文獻[6-8]提出了太陽能輔助地埋管地源熱泵系統，但該系統建設運行復雜，嚴寒、寒冷地區使用時運行維護難度大。為了解決上述地埋管地源熱泵面臨的問題，提出中深層雙U形地埋管地源熱泵系統。

嚴寒地區冬季淺層地埋管換熱器因持續取熱可能導致管內循環流體凍結，使系統換熱能力降低，無法穩定運行[9-10]。隨著技術的進步，中深層雙U形地埋管換熱系統的埋管深度可達800 m左右，由于增溫帶存在0.02～0.05 ℃/m的溫度梯度[11]，中深層土壤溫度一般不超過33 ℃，既能保證供暖又能供冷；中深層土壤溫度較淺層更高，土壤補熱能力更好，有更大的單位孔深換熱量，僅需淺層系統20%～50%左右的換熱器長度，大大減小了埋管的地表面積，埋管中心區域土壤溫度易通過與周圍土壤的換熱得到恢復[12]，可以有效減少冷堆積。

本文就熱負荷占優的嚴寒地區(即土壤冬季吸熱量大于夏季釋熱量地區)進行分析，以嚴寒C區居住建筑負荷特性為代表，利用TRNSYS軟件研究中深層雙U形地埋管系統的適用性，為工程實踐提供參考。

1 仿真模型

建立中深層雙U形地埋管熱泵系統，地源側的巖土熱物性參數和用戶側建筑內外擾參數均按遼寧省阜新市海州區某住宅小區實際工程設置。本文應用仿真軟件研究此系統長期運行的性能，該住宅小區總計3棟高層建筑，總占地面積3 564 m2，總綠地面積2 916 m2。單棟居住建筑的體形系數為0.21，建筑面積為14 256 m2。經設計計算和仿真模擬，中深層系統在埋深600 m左右時體現出最佳的適用性。熱源側是室外58口深600 m的換熱井，井內敷設2根U形管，管材采用經過加強處理的PE100高密度聚乙烯U形管，其在含水土壤區域管內外承壓平衡，管道安裝采用特殊的機器和工藝，該類型管材和安裝技術在實際工程中已有使用。阜新市地下土壤主要成分為黏土巖，相對于淺層土壤，該系統所用的中深層土壤具有更大的含水量和壓力，因此其擁有更大的導熱系數[13]，測得埋管區域土壤的平均單位體積熱容為2 348 kJ/(m3·K)，平均導熱系數為1.80 W/(m·K)。

1.1 TRNSYS仿真軟件

利用TRNSYS仿真模擬600 m埋深雙U形地埋管系統，其中U形管換熱器模塊所用地埋管熱存儲區域模型DST的示意圖見圖1，此模型采用空間重疊法得到土壤中的溫度分布，采用當量半徑法得到鉆孔區域的地表面積[14]。

圖1 DST模型

圖1中ttop為熱存儲區頂邊界溫度，取阜新市室外動態空氣溫度；tside為熱存儲區側邊界溫度，此溫度為阜新市土壤初始溫度，取11.314 ℃；Δt為土壤溫度梯度，取擬合值0.034 7 ℃/m；L1為黏土和泥頁巖深度，取0～100 m，土壤平均導熱系數取1.55 W/(m·K)；L2為砂礫巖深度，取100～400 m，土壤平均導熱系數取1.80 W/(m·K)；L3為火成巖和花崗巖深度，取400～600 m，土壤平均導熱系數取1.93 W/(m·K)；B為鉆孔間距，受鉆孔深度和偏移影響，取值≥6 m；rb為鉆孔半徑，由U形管尺寸決定；rsr為單孔熱影響半徑，由當量半徑法算得，取0.525B；rsv為熱存儲區域半徑，由鉆孔數量和鉆孔間距決定。

1.2 仿真對象負荷

本文依據實際工程的內外擾設計參數(見表1)，使用TRNSYS的TRNBuild模塊建立負荷計算模型。圖2顯示了模擬得到的建筑全年負荷變化情況。最大熱負荷為1 176.83 kW，最大冷負荷為905.10 kW，阜新市供暖期為11月1日至次年4月1日，供冷期為6月15日至9月15日，空調每日00：00—08：00和17：00—24：00開啟，09:00—16:00關閉，間歇運行，全年累計熱負荷1 435.319 MW·h，全年累計冷負荷597.128 MW·h，負荷比為2.40∶1。

圖2 全年動態負荷

表1 建筑內外擾參數

1.3 仿真模型搭建

為了達到更佳的節能效果，設置2臺熱泵間歇并聯運行。冬季熱負荷達到熱泵額定制熱量的10%時僅開啟1臺熱泵，熱負荷達到熱泵額定制熱量的90%時開啟2臺水泵并聯運行；夏季同理。根據最大負荷選擇2臺型號RTWD160HE的熱泵

機組，額定制熱COP為4.7，額定制冷COP為5.4，熱泵制熱工況下額定供水溫度為45 ℃，制冷工況下額定供水溫度為7 ℃。根據用戶側所需水量及揚程選用變頻泵，變頻泵性能曲線如圖3所示。

圖3 變頻水泵性能曲線

地源側定頻水泵的選取由于流量和鉆孔數量不同，揚程有差異，不同方案的地源側水泵選型不同。采用TRNSYS建立的中深層雙U形地埋管系統模型如圖4所示，模擬分析系統運行狀況。

圖4 中深層雙U形地埋管系統模型

2 模型優化分析

選用系統費用年值(EAC)作為正交試驗評價指標進行適用性分析[15]。

式中 r為貼現率，6%；k為使用壽命，30 a；C0為系統的投資費用，包括主要設備費用和鉆孔費用，其中鉆孔費用包括綜合成孔費用、回填料費用、土地開挖費用和額外土地使用費用，萬元；C為年管理費用，包括運行費用Cyx和維護費用Cwh，萬元。

Cwh=C0ε

(3)

式(2)、(3)中 P為總能耗，kW，在計算運行費用時，近似認為各方案中用戶側水泵和末端風機的總運行費用相等，不會導致費用年值的差異，只考慮地源側循環水泵和熱泵機組的運行費用；A為遼寧省阜新市居住建筑的電價，為0.5元/(kW·h)；τ為系統運行時間，h；ε為概算指標，取5%。

2.1 影響因素分析

本文討論的影響因素有4個：地源側流量、地埋管公稱直徑、鉆孔間距、折合熱阻，且每個因素分別有4種水平，表2為試驗因素水平表。

表2 試驗因素水平

在建筑負荷一定的情況下，地源側流量變化將直接影響地源側進出水溫差，地源側溫差過大會導致溫度衰減快，地源側溫差過小則影響溫度傳遞。本文選取地源側溫差為3.0～4.5 ℃時對應的流量；中深層系統地埋管埋深較深，需要承壓能力更強的U形管，選取地埋管公稱直徑DN50～DN90；因為埋管具有0.3～0.5°傾斜度，所以中深層地埋管系統所需鉆孔間距較淺層系統更大，且為避免占地面積過大，選取鉆孔間距為6～9 m；本文的折合熱阻是指U形管管壁熱阻與鉆孔灌漿回填材料熱阻兩者的折合熱阻，在常見的導熱系數范圍內選取數值[12]，折合熱阻為0.10～0.13 m·K/W。

2.2 正交試驗設計

為了更加科學合理地分析不同因素的影響程度，下面采用正交試驗的方法進行分析。選用正交表L16(45)，試驗指標為費用年值，表3給出了正交試驗結果。

表3 直觀分析表

根據表3，系統費用年值影響因素主次順序依次是鉆孔間距、地埋管公稱直徑、折合熱阻、地源側流量。根據模擬結果分析，運行費用僅占系統費用年值的10%左右，維護費用由初投資決定，可見影響費用年值的主要組成成分為投資費用。鉆孔間距影響鉆孔間熱干擾程度，折合熱阻影響土壤熱存儲區域和周圍土壤的換熱能力，地埋管公稱直徑影響換熱能力和管內流速，地源側流量影響換熱器內介質溫差和水泵功率，四者均間接決定系統能效大小，在運行費用方面影響費用年值。根據換熱器設計方法，鉆孔間距、地埋管公稱直徑和折合熱阻在不同程度上決定鉆孔數量，同時地埋管公稱直徑與鉆孔直徑呈正比變化，單位深度鉆孔造價與鉆孔直徑有關。鉆孔間距增加1 m，鉆孔數量減少約6%；地埋管管徑增大1號，鉆孔數量減少約4%，綜合單價增大約9%；折合熱阻減小0.01 m·K/W，鉆孔數量減少約2%；根據熱存儲區域當量半徑計算法，鉆孔間距增加1 m，埋管面積增加約31%，鉆孔數量增加1口，埋管面積增加約2%，三者在投資費用方面影響費用年值。

根據方差分析表(見表4)，鉆孔間距和地埋管公稱直徑對費用年值有較大影響，影響程度占比分別為42.03%和38.10%，而其他因素對費用年值無顯著影響。因此在考慮系統適用性問題時需要考慮的主要因素是鉆孔間距和地埋管公稱直徑。綜合上述分析，雖然折合熱阻和地源側流量對費用年值有一定的影響，但是由于地埋管和回填料導熱系數及介質換熱溫差變化范圍相對較小，因此這種影響并不顯著，影響程度占比分別為11.61%和8.26%。

表4 方差分析

2.3 模擬運行結果

根據中深層雙U形地埋管熱泵系統模型和正交試驗最優方案A1B1C3D4，模擬系統持續運行30 a 的土壤平均溫度、地埋管進出水溫度及系統能效，結果如圖5所示。盡管熱冷負荷不平衡造成地下土壤和換熱器內介質溫度逐年降低，系統能效冬季稍有下降，夏季略有上升。但由于中深層土壤有較好的補熱能力，單井換熱量為22.30 kW，在運行周期內，土壤平均溫度僅下降3.77 ℃，換熱器內循環水最低溫度為8.91 ℃，不會引起機組結冰和循環水凍結，換熱器內循環水最高溫度為30.24 ℃，不會降低供冷節能效果[16]。在運行周期內，冬季平均系統能效為3.63，夏季平均系統能效為4.52，系統逐年運行比較穩定。

圖5 中深層雙U形地埋管熱泵系統30 a運行效果

3 中深層系統與太陽能輔助系統對比

針對嚴寒地區居住建筑的冷熱需求，將現有的能保證供暖供冷的太陽能輔助地埋管地源熱泵系統與本文系統進行對比。

3.1 太陽能復合地源熱泵蓄熱系統

利用TRNSYS建立太陽能復合地源熱泵蓄熱系統模型并進行設計計算，該系統利用太陽能供暖季和過渡季向土壤補熱，系統模型如圖6所示。集熱側控制策略：當集熱器內平均水溫與蓄熱水箱平均水溫之差大于5 ℃時，集熱泵開啟；否則集熱泵關閉。蓄熱側控制策略：當蓄熱水箱平均水溫與土壤平均溫度之差大于3 ℃時，蓄熱泵開啟；當溫差小于1 ℃時，蓄熱泵關閉。在相同建筑負荷條件下，模擬得到全年累計集熱量為410.754 MW·h，累計蓄熱量為407.031 MW·h，累計土壤吸釋熱量差值為414.593 MW·h。

圖6 太陽能復合地源熱泵蓄熱系統模型

3.2 適用性對比

中深層雙U形地埋管熱泵系統設計最優方案的設備參數如表5所示。利用TRNSYS模擬運行30 a，最優方案的費用年值為157.51萬元。太陽能復合地源熱泵蓄熱系統的設備參數如表6所示。利用TRNSYS模擬其30 a運行，得到費用年值為283.98萬元。

表5 中深層雙U形地埋管熱泵系統設備參數

4 結論

本文提出了中深層雙U形地埋管系統，通過TRNSYS軟件仿真模擬了阜新市某居住小區中深層雙U形地埋管系統，依據模擬結果，此系統適用于熱負荷占優地區。

1) 通過正交試驗研究發現，對于系統費用年值的影響占比，主次順序依次為鉆孔間距42.03%，地埋管公稱直徑38.10%，折合熱阻11.61%，地源側流量8.26%。在系統設計過程中應首先考慮增大鉆孔間距，當間距受埋管區域限制不能增大時，則應考慮增大地埋管公稱直徑等措施，以保證壽命周期內系統適用性。本文提到的影響因素的作用規律不一定適用于常規地埋管地源熱泵系統。

2) 中深層雙U形地埋管熱泵系統與常見的太陽能復合地源熱泵蓄熱系統相比，系統費用年值降低了44.53%，在壽命周期內體現出更佳的適用性。