鄧小茜 潘毅群 范蕊 黃治鐘

1同濟大學機械與能源工程學院

2同濟大學中德工程學院

0 引言

在土壤源熱泵系統(tǒng)長期運行過程中，系統(tǒng)整體性能的好壞受諸多因素的相互影響和制約。地埋管換熱器是土壤源熱泵系統(tǒng)的關鍵部件，其運行性能和設計尺寸也受到諸多方面因素的影響[1]。只有在充分了解各方面因素的影響程度的基礎上，才能在系統(tǒng)設計過程中合理地加以考慮，盡可能減小設計誤差，更加凸顯土壤源熱泵系統(tǒng)在技術和經濟方面的優(yōu)越性。所以對相關影響因素的影響情況進行系統(tǒng)的分析研究，對推廣土壤源熱泵系統(tǒng)的應用具有重要意義。

目前對土壤源熱泵系統(tǒng)性能影響因素的研究主要從實測[2～4]和數值模擬[5～8]兩方面展開。由于實驗條件的限制，大多數實測研究都只是針對特定實驗臺進行研究，其研究結果適用性較窄。利用數值模擬方法進行研究則可以避開實驗條件限制的問題，但是目前利用數值模擬方法進行的研究很多只是針對單埋管換熱器建立模型進行短期的模擬分析，并沒有考慮實際情況下大規(guī)模管群中埋管間的相互影響，也沒有考慮在實際土壤源熱泵系統(tǒng)長期動態(tài)運行過程中地埋管換熱器與熱泵機組及建筑負荷的相互耦合作用，對各種影響參數的影響情況也只是進行定性分析。所以本文借助模擬軟件TRNSYS建立土壤源熱泵系統(tǒng)模型，以建筑物全年逐時動態(tài)負荷為系統(tǒng)輸入文件，將建筑負荷、熱泵機組、埋管換熱器三者很好的耦合在一起，使整個系統(tǒng)更接近實際運行的土壤源熱泵系統(tǒng)。由于不同功能建筑的負荷特性存在很大差異，所以本文選取了商場、辦公、居住、賓館四類典型建筑進行分析。分別對四類建筑的土壤源熱泵系統(tǒng)長期（10年）運行的動態(tài)性能進行大量模擬計算，分析主要影響參數的影響情況。通過對模擬計算結果進行回歸分析，擬合得到了四類建筑對應系統(tǒng)的10年平均COP和土壤10年溫升與主要影響參數的關系式，這樣將影響情況定量化以方便實際工程參考應用。

1 土壤源熱泵系統(tǒng)模型的建立

本文模擬計算用到的商場、辦公樓、住宅、賓館四類建筑對應的土壤源熱泵系統(tǒng)模型是用模擬軟件TRNSYS建立的。TRNSYS軟件最早由Wisconsin Madison大學Solar Energy實驗室（SEL）開發(fā)研制，其涉及的范圍較廣，可對多種系統(tǒng)的運行狀況進行動態(tài)仿真，是一種模塊化的動態(tài)仿真軟件。本文建立的土壤源熱泵系統(tǒng)模型主要由建筑負荷輸入文件、熱泵機組模塊、地埋管換熱器模塊（DST）、水泵模塊、各種控制部件及天氣文件等組成，系統(tǒng)基本原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

建立的商場、辦公樓、住宅、賓館對應的系統(tǒng)模型中使用的全年逐時動態(tài)負荷文件都是使用能耗模擬軟件eQUEST計算得到的。為了使系統(tǒng)在模擬的十年內能正常運行（即地埋管出水溫度滿足相應規(guī)范[9]的要求）四類建筑的對應的全年累計冷熱負荷比都在1左右，賓館最低為0.8；商場和辦公對應的基準系統(tǒng)模型運行一年的土壤全年累計冷熱負荷比大概在2左右，住宅和賓館分別是1.6和1.4。同時為了便于對四類建筑進行橫向對比，四類建筑的峰值負荷都在330kW左右，所建立的四個系統(tǒng)基準模型中熱泵機組和地埋管換熱器的各種參數設定相同，制冷制熱期的設定也相同（見表1），只是模型的輸入負荷文件和系統(tǒng)日運行時間有所不同。四個基準模型中地埋管換熱器都是豎直單U型埋管，換熱器規(guī)模通過根據常規(guī)的工程設計方法確定，一共80口井，井深85m，鉆孔間距5m。

表1 系統(tǒng)年運行時間表

2 單因素影響分析

2.1 影響參數選取及分析方法

影響豎直地埋管換熱器性能的因素眾多，按類別可以分成土壤物性參數、地埋管換熱器參數、管內循環(huán)流體參數和系統(tǒng)運行模式等。本文主要選取土壤導熱系數、土壤體積比熱容、回填料導熱系數、埋管間距、埋管深度、土壤初始溫度及系統(tǒng)日連續(xù)運行時間這八個主要影響因素，根據相關文獻[8]及工程實際確定了各影響因素的基準值和變化范圍（見表2）。

表2 各參數基準值及取值范圍

為了分析各影響因素單獨作用時的影響情況，在模擬計算時分別在建立的四個（商場、辦公、賓館、住宅）基準系統(tǒng)模型基礎上改變研究參數的取值，其他參數取基準值不變，如此通過模擬計算得到各種情況下系統(tǒng)運行十年的性能變化情況。為了反映出各參數變化對系統(tǒng)長期運行性能的影響情況，本文主要以系統(tǒng)10年平均COP和土壤10年溫升為因變量進行研究。

2.2 單因素影響分析

通過對模擬計算結果進行總結分析，得出了在本文研究的前提條件下八個影響參數對系統(tǒng)10年平均COP和土壤10年溫升的影響情況。四類建筑對應土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤10年溫升都隨著土壤導熱系數、土壤體積比熱容、回填料導熱系數、埋管間距、埋管深度、土壤初始溫度的增大而降低，隨著埋管內流體流量、系統(tǒng)日運行時間的増加而增大。四類建筑對應的土壤源熱泵系統(tǒng)10年平均COP都隨著土壤導熱系數、土壤體積比熱容、回填料導熱系數、埋管間距、埋管深度的增大而增大，隨著土壤初始溫度、管內流體流量、系統(tǒng)日運行時間的增大而減小。并且分析結果顯示八個因素中除了土壤導熱系數、埋管內流體流量和埋管深度對系統(tǒng)長期性能的影響較大，其余因素的影響都較不明顯。

2.2.1 土壤導熱系數、埋管內流體流量和埋管深度的影響情況分析

1）土壤導熱系數

圖2反映了隨著土壤導熱系數的增加，商場、辦公、住宅、賓館四類建筑對應的土壤10年溫升都逐漸降低。土壤導熱系數由 0.75W/(m℃)增加到 2.35 W/(m℃)，賓館、住宅、商場、辦公對應的土壤10年溫升降低值依次為 5.63℃、3.34℃、2.54℃、2.0℃，其中賓館降低的幅度最為明顯，這主要是由于賓館對應的系統(tǒng)是全天連續(xù)運行的，而住宅、商場、辦公對應系統(tǒng)都是間歇運行的且全天連續(xù)運行時間依次減少，可見較大的土壤導熱系數對于緩解全天連續(xù)運行系統(tǒng)的土壤溫升問題效果非常明顯，而對于連續(xù)運行時間較短的間歇運行系統(tǒng)作用效果則相對差一點。從圖中還可以看出商場、辦公、住宅對應的三根曲線的變化趨勢差不多，當土壤導熱系數達到1.75W/(m℃)之后導熱系數的增加對減小土壤溫升的作用已經很??；而賓館對應曲線則更陡一些，當土壤導熱系數達到1.95W/(m℃)之后導熱系數的增加對減小土壤溫升的作用才不是很明顯。由圖2中四條曲線變化趨勢可以看出，隨著導熱系數的增大，建筑類型差異對土壤的溫升影響變小。

從圖3可以看出隨著導熱系數的增加四類建筑對應的土壤源熱泵系統(tǒng)10年的平均COP都增加。土壤導熱系數由0.75W/(m℃)增加到2.35W/(m℃)，賓館、住宅、商場、辦公對應系統(tǒng)的10年平均COP的增大值依次為 0.41、0.27、0.21、0.2，其中也是賓館對應系統(tǒng)的增加最明顯，這與土壤溫升降低程度相對應。圖中顯示辦公、商場、住宅對應系統(tǒng)的10年平均COP隨著土壤導熱系數的增大變化趨勢很相似，不過相同土壤導熱系數下三者對應的COP值依次減小，這主要是由于三者對應系統(tǒng)的每天運行小時數和建筑負荷特性的差異引起的。圖3中還能明顯看出賓館對應系統(tǒng)的10年平均COP變化幅度明顯大于其它三類建筑，這說明對于賓館這類全天連續(xù)運行的系統(tǒng)，較大的土壤導熱系數對提高系統(tǒng)長期運行性能作用效果非常明顯。不過跟土壤溫升情況類似，當辦公、商場、住宅對應系統(tǒng)的土壤導熱系數增大到1.75W/(m℃)，賓館對應系統(tǒng)增大到1.95W/(m℃)之后再增大土壤導熱系數作用效果就不是很明顯了。

圖2 土壤10年溫升變化℃

圖3 系統(tǒng)10年平均COP變化

2）埋管內流體流量

圖4和圖5顯示了土壤10年溫升及系統(tǒng)10年平均COP隨著埋管內流體流量增大的變化情況。圖4顯示四類建筑對應的土壤10年溫升都隨著埋管內流體流量的增大先減小后增大，其中商場、住宅、辦公對應系統(tǒng)的埋管內流體流量在0.55～1m3/h之間時對應的土壤10年溫升較小，賓館對應系統(tǒng)的埋管內流體流量在0.25～0.75m3/h之間時對應的土壤10年溫升較小。埋管內流體流量在0.25～2.5m3/h之間時，賓館、住宅、商場、辦公對應的土壤10年溫升最大差值依次為1.47℃、0.77℃、0.47℃、0.35℃，可見埋管內流體流量的變化對土壤10年溫升影響并不大。而土壤溫升隨著埋管流量的增大先減小后增大，主要是由于當管內流體流速過小時流動沒有達到紊流導致流體與周圍土壤換熱不夠充分，而當管內流體流動達到紊流后繼續(xù)增大流速則會使埋管內流體由于流速過大而與周圍土壤換熱不充分，都會影響埋管換熱器的換熱性能。

圖4 土壤10年溫升變化℃

從圖5可以看出隨著埋管內流量的增大四類建筑對應系統(tǒng)的10年平均COP都相應降低。埋管內流體流量由0.25m3/h增大到2.5m3/h，賓館、住宅、商場、辦公對應的系統(tǒng)10年平均COP降低值依次為0.364、0.381、0.473、0.367，COP 的降低主要由于流量增大會導致埋管側循環(huán)水泵的運行能耗增大。由圖4、5可看出當土壤溫升下降時對應的系統(tǒng)10年平均COP還是有所下降的，這主要是由于水泵能耗增大對系統(tǒng)COP的影響比土壤溫升降低對系統(tǒng)COP的影響更大，所以系統(tǒng)COP還是有所下降。流量在0.25～0.75m3/h之間時COP下降的幅值很小，此范圍內四類建筑對應系統(tǒng)的COP都維持在較高的水平。綜合考慮對土壤溫升和系統(tǒng)COP的影響，埋管內流體流量在0.55～0.75m3/h之間較合適。

圖5 系統(tǒng)10年平均COP變化

3）埋管深度

圖6和7分別顯示隨著埋管深度的增大四類建筑對應系統(tǒng)的土壤10年溫升減小，系統(tǒng)10年平均COP增大。埋管深度由65m增大到105m，賓館、住宅、商場、辦公對應的土壤10年溫升降低值依次為2.934℃、1.94℃、1.49℃、1.17℃，對應系統(tǒng) 10年平均COP 的增大值依次為 0.237、0.174、0.151、0.166，這說明增大埋管深度對改善系統(tǒng)長期性能有一定作用。這主要是由于隨著埋管深度的增加，埋管換熱器的換熱能力増大，夏季地埋管出口水溫下降，冬季地埋管出口水溫升高，提高了機組效率及系統(tǒng)的綜合效率。但是由于埋管深度的增大同時也會明顯增大鉆井費用，增大系統(tǒng)的初投資，所以從經濟性角度看并不是埋管深度越大越好而應該針對不同的系統(tǒng)合理選擇埋管深度。從圖中曲線可以明顯看出賓館對應系統(tǒng)對埋管深度變化比其它三類建筑更為敏感，這說明在同樣的設計負荷下，同樣的埋管布局，像賓館這類全天連續(xù)運行的系統(tǒng)需要的合理埋管深度應該比其它間歇運行的系統(tǒng)的合理埋管深度更深。

圖6 土壤10年溫升變化℃

圖7 系統(tǒng)10年平均COP變化

2.2.2 其余影響因素的影響情況分析

本文研究的八個影響因素中除了土壤導熱系數、埋管內流體流量和埋管深度對系長期性能的影響較大，剩下的五個因素對系統(tǒng)10年平均COP的影響都不太明顯，下面對這五個因素的影響情況進行簡要分析。

1）土壤體積比熱容

分析對應的模擬計算結果顯示隨著土壤體積比熱容的增大四類建筑對應的土壤10年溫升都逐漸增大，且變化趨勢類似。土壤體積比熱容由1270kJ/(m3℃)增加到3302kJ/(m3℃)，賓館、住宅、商場、辦公對應的土壤 10年溫升降低值依次為 1.84℃、1.86℃℃、1.66℃、1.33℃，可見土壤體積比熱容的變化對四類建筑對應土壤10年溫升的影響差距不大。這也說明土壤體積比熱容的增大對減少土壤溫升的作用效果與系統(tǒng)對應的建筑類型關系不大。

對應的COP模擬計算結果顯示隨著土壤體積比熱容的増大系統(tǒng)10年平均COP相應增大，不過增大的幅值很小，土壤體積比熱容由1270kJ/(m3℃)增加到3302kJ/(m3℃)，賓館、住宅、商場、辦公對應的系統(tǒng) 10年平均 COP 依次增大 0.041、0.043、0.045、0.051，可見土壤體積比熱容對四類建筑對應系統(tǒng)的10年平均COP影響都很小，這說明增大土壤體積比熱容對改善系統(tǒng)長期運行性能的作用較小。

2）土壤初始溫度

土壤初始溫度對應的模擬計算結果顯示出四類建筑對應的土壤10年溫升和系統(tǒng)10年平均COP都隨著土壤初始溫度的升高而降低，土壤初始溫度由16℃增大到20℃，賓館、住宅、商場、辦公對應的土壤10年溫升降低值依次為 1.68℃、1.37℃、1.18℃、1.09℃，對應的系統(tǒng)10年平均COP降低值依次為0.039、0.041、0.046、0.054，可見土壤初始溫度對四類建筑對應系統(tǒng)的土壤10年溫升有一定影響，但是對系統(tǒng)10年平均COP影響都很小，這表明土壤初始溫度在16～20℃這個范圍內時，土壤初始溫度的變化對系統(tǒng)長期運行性能的影響較小，且對于本文中研究的土壤全年累計冷負荷大于熱負荷的土壤源熱泵系統(tǒng)而言，土壤初始溫度高對系統(tǒng)的長期性能是不利的。

3）回填料導熱系數

由模擬計算結果得出四類建筑對應的土壤10年溫升隨著回填料導熱系數增大都有一定程度的降低，回填料導熱系數由0.85W/(m℃)增加到2.45W/(m℃)，賓館、住宅、商場、辦公對應的土壤10年溫升降低值依次為 0.79℃、0.41℃、0.24℃、0.21℃，其中仍是全天連續(xù)運行的賓館對應的土壤溫升最大，但是明顯看出四類建筑對應的土壤10年溫升降低值都很小，這說明回填料導熱系數對于土壤溫升的影響很小。四類建筑對應的系統(tǒng)10年平均COP隨回填料導熱系數的增大也有所增大，但是隨著導熱系數的增大系統(tǒng)10年平均COP增大的幅值越來越小，當回填料導熱系數達到1.85W/(m℃)之后再繼續(xù)增大對提高系統(tǒng)COP的作用就變的很不明顯了。

4）埋管間距

模擬計算結果顯示隨著埋管間距的增大四類建筑對應系統(tǒng)的土壤10年溫升下降都較顯著，其它條件不變情況下埋管間距從4m增大到6.5m，賓館、住宅、商場、辦公對應的土壤10年溫升降低值依次為2.19℃、2.42℃、2.21℃、1.79℃，說明增大埋管間距對緩解土壤熱堆積問題作用效果很好。但是結果顯示增大埋管間距對增大四類建筑對應系統(tǒng)的10年平均COP作用非常小。分析其原因可能是由于系統(tǒng)基準模型建立的地埋管換熱器規(guī)模相對于輸入的負荷偏大，4m的埋管間距已經能很好地保證埋管換熱器運行性能，再增大埋管間距對管內流體與周圍土壤的換熱過程基本沒什么影響，所以對系統(tǒng)COP影響非常小。這也表明由于不同工程中實際的單位井深換熱量存在一定差異，所以目前工程設計中常用的根據單位井深換熱量的經驗值和峰值負荷估算埋管換熱器規(guī)模的這種方法可能存在較大誤差。如埋管換熱器設計規(guī)模偏大的情況雖然可以保證系統(tǒng)較好的運行，但可能會增大不必要的初投資；而若設計規(guī)模偏小則會影響系統(tǒng)長期運行的性能，所以為了確定較優(yōu)的埋管換熱器規(guī)模在系統(tǒng)設計階段對整個系統(tǒng)長期運行進行模擬計算很有必要。

5）日運行小時數

分析模擬計算結果得出商場對應系統(tǒng)隨著日連續(xù)運行小時數從8h增加到14h土壤10年平均溫度增大1.48℃，系統(tǒng)10年平均COP降低0.089；住宅對應系統(tǒng)日連續(xù)運行小時數從12h增加到17h土壤10年平均溫度增大 1.53℃，系統(tǒng) 10年平均 COP降低0.033；辦公對應系統(tǒng)日連續(xù)運行小時數從7h增加到14h土壤10年平均溫度增大2.23℃，系統(tǒng)10年平均COP降低0.087?？擅黠@看出商場、辦公、住宅對應系統(tǒng)的日連續(xù)運行小時數對系統(tǒng)10年平均COP影響很小。分析其原因可能跟埋管間距影響很小的原因一樣，還是由于系統(tǒng)基準模型中地埋管換熱器規(guī)模偏大，導致日連續(xù)運行時間加長后系統(tǒng)還是能比較好的滿足負荷要求。在之后的研究中會選擇通過對系統(tǒng)進行模擬計算來確定較合理的埋管換熱器規(guī)模。

表3 回歸方程匯總

3 單因素回歸分析

本文通過對各參數的影響情況進行分析之后，利用統(tǒng)計分析軟件SPSS對模擬計算結果進行擬合得到了四類建筑對應的土壤源熱泵系統(tǒng)10年平均COP（cop）和土壤10年溫升（t）與主要影響參數的回歸方程（如表3所示），所有回歸方程及其回歸系數均已通過了顯著性檢驗。

4 結語

通過使用模擬軟件TRNSYS建立商場、辦公、住宅、賓館這四種不同功能建筑對應的土壤源熱泵系統(tǒng)基準模型，在建立的各基準模型基礎上對影響系統(tǒng)長期（10年）運行性能的八個主要參數的影響情況進行了分析，并通過回歸分析得出關系式使得各參數影響程度得到量化。本文得到的主要結論如下：

1）四類建筑對應系統(tǒng)中的埋管內流體流量及回填料導熱系數對土壤10年溫升的影響都很小，土壤導熱系數對土壤10年溫升的影響最大；土壤體積比熱容、土壤初始溫升、埋管間距、運行模式對系統(tǒng)10年平均COP影響較小，土壤導熱系數、埋管深度、管內流速對系統(tǒng)10年平均COP的影響較大。

2）商場、辦公、住宅的土壤導熱系數達到1.75 W/(m℃)之后導熱系數的增加對減小土壤溫升的作用已經很??；而賓館土壤導熱系數則要達到1.95W/(m℃)之后導熱系數的增加對減小土壤溫升的作用才不是很明顯。

3）綜合考慮對土壤溫升和系統(tǒng)COP的影響，埋管內流體流量在0.55～0.75m3/h之間較合適。

4）當回填料導熱系數達到1.85W/(m℃)之后再繼續(xù)增大對提高系統(tǒng)長期性能的作用變的很不明顯。

5）同樣的設計負荷下，像賓館這類全天連續(xù)運行的系統(tǒng)需要的埋管換熱器規(guī)模應該比其它間歇運行的系統(tǒng)更大。

由于本論文只是基于特定地埋管換熱器規(guī)模進行了分析，所以結論也必然存在一定局限性，之后會結合實際工程實驗研究在其它規(guī)模情況下進行大量分析，以期更全面的了解主要影響因素的影響規(guī)律。

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