賈琪，陳俊亦，崔明輝，劉偉，孫衛(wèi)紅

摘要：由于動物獸舍洞口為敞開式，圍護結(jié)構(gòu)保溫性能較差，導(dǎo)致動物獸舍耗熱量大，獸舍溫度低，為達到獸舍需求的溫度，并減少常規(guī)能源消耗，文章以狼獸舍為例，通過DeST軟件對狼獸舍熱負荷進行模擬分析，根據(jù)提出的峰值熱負荷標準值以及土壤熱物性參數(shù)計算打井深度及數(shù)量。利用TRNSYS軟件分別模擬地源熱泵系統(tǒng)在井間距5，6，7 m時的系統(tǒng)運行情況和土壤溫度變化，結(jié)果表明當井間距為5 m和6 m時，土壤溫度較低，無法滿足系統(tǒng)長時間運行，當井間距為7 m時，土壤溫度穩(wěn)定在14.5 ℃，源測回水最低溫度為6.03 ℃，供回水溫差為4 ℃左右，系統(tǒng)運行效果最佳。因此對于狼獸舍土壤源熱泵系統(tǒng)，滿足供熱需求的最佳井間距為7 m，井深為100 m，打井數(shù)量為20。研究結(jié)果為解決獸舍耗熱量大，溫度低等問題提供了解決方案，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：土木建筑工程設(shè)計其他學科;獸舍供熱;TRNSYS仿真模擬;地源熱泵系統(tǒng);井間距

中圖分類號：TP311文獻標識碼：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

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，中國的能源生產(chǎn)和消費總量已躍升世界首位，其中，供熱已成為全球最大的能源終端消費領(lǐng)域。2018年，供熱供冷產(chǎn)生的能耗在中國的各類能耗中占比約37%[12]，同時建筑供暖關(guān)乎民生，是中國實現(xiàn)小康的重要環(huán)節(jié)[3]。因此，采用清潔環(huán)保的可再生能源成為節(jié)能降耗的重要途徑[3]。目前，民用建筑供熱方式研究已取得一定成果，從最初的集中供熱到“煤改電”、“煤改氣”[4]，如今土壤源、空氣源、太陽能等清潔能源加入其中，在很大程度上為緩解空氣污染狀況作出了貢獻[5]。

第1期賈琪，等：狼獸舍土壤源熱泵系統(tǒng)運行特性研究河北工業(yè)科技第37卷動物園獸舍的供熱問題往往被忽視。向動物園供熱需注意各場館的供熱溫度各有不同，供熱時間靈活，并且各場館的啟停時間也略有區(qū)別。根據(jù)獸舍供熱面積大、建筑面積小、建筑群稀疏的特點，對各場館進行獨立供熱控制，互不影響，來同時滿足不同種類動物對溫度的不同需求。在熱源選擇方面，集中供熱多以鍋爐為主要供熱方式，而鍋爐大致可分為燃煤鍋爐、燃氣鍋爐和電鍋爐3種。其中，燃煤鍋爐的熱效率不高且污染嚴重，所以中小型的燃煤鍋爐經(jīng)整改后已逐漸退出歷史舞臺[6];對于燃氣鍋爐，因為無法利用排煙余熱，并且大范圍采用燃氣供熱會導(dǎo)致東部地區(qū)燃氣資源的匱乏問題更加嚴峻，所以燃氣鍋爐也無法成為最優(yōu)選擇[7];至于電鍋爐，眾所周知其運行費用比較高，并且大多被用于百平米左右的取暖，因此并不適用于諸如動物園之類的大型公共開放園區(qū)[8]。作為清潔能源的空氣源熱泵[9]，其各方面性能較好，且近幾年在低溫運行技術(shù)上也有了很大突破[10]。但是，空氣源熱泵噪聲過大，對斑馬等溫順好靜的動物來說不太友好，不利于對周圍環(huán)境極其敏感的動物生活，因此，這種供熱方式難以滿足獸舍的要求。綜合考慮后，選用土壤源熱泵系統(tǒng)分別對每個獸舍進行供熱，形成各自獨立的供熱系統(tǒng)[11]。土壤源熱泵系統(tǒng)在近幾年發(fā)展迅速，冰島對土壤源熱泵的成功使用是該技術(shù)被再次重視的重要原因。該國85%的地區(qū)都利用地熱能進行取暖，這使得冰島的環(huán)境質(zhì)量在全世界名列前茅[12]。近幾年，中國對土壤源熱泵的研究在借鑒國外的相關(guān)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，對土壤熱環(huán)境的維持和改善進行了探討[13]，以保證土壤源熱泵的可持續(xù)性。本文以石家莊市動物園狼獸舍的土壤源供熱系統(tǒng)為例進行分析。

1狼獸舍負荷計算及分析

在中國，狼是二級保護動物，具有特殊的文化內(nèi)涵，在各動物園幾乎都有飼養(yǎng)，是重要的觀賞動物。目前，中國的野生狼主要分布在東北、內(nèi)蒙以及西藏等人口密度較小的地區(qū)。狼通常在夜間活動頻繁，有厚重濃密的皮毛，御寒能力強，且繁殖期不在供熱期間。綜合以上特點，設(shè)定狼獸舍空調(diào)啟停溫度為2～10 ℃[14]。

1.1狼獸舍建筑描述

如圖1所示，狼獸舍面積約為298.08 m2，建筑長55.8 m，寬6.9 m，最右側(cè)包含工具間、管理室以及設(shè)備室，設(shè)備室無需供熱，工具間和管理室的面積分別為31.56 m2和30.53 m3。用內(nèi)墻將狼獸舍隔成多個獨立單間，且留有2.3 m寬的走廊方便工作人員操作，走廊與獸舍房間用柵欄隔開。狼獸舍每個房間都有一個出入的洞口，洞口沒有設(shè)置遮擋。房間分布整齊，且并排有管理室和工具間，因負荷需求不同，不能劃分為一個大的房間，且DeST無法識別敞開空間，因此將該建筑區(qū)域劃分為若干個小房間。

表1為狼獸舍建筑的具體參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，獸舍的墻體沒有保溫措施，外窗為普通單層玻璃，熱損失大，且獸舍冷風滲透較民用建筑而言明顯增大[15]。獸舍室內(nèi)溫度設(shè)定為2～10 ℃，采用風機盤管末端裝置，通過DeST對建筑進行描述與負荷計算，獸舍逐時熱負荷峰值為115.08 kW，熱負荷指標為55 W/m2。

1.2獸舍負荷的計算分析

狼獸舍逐時熱負荷曲線圖如圖2所示。從圖中可以明顯看出，逐時熱負荷波動較大，這是由于獸舍圍護結(jié)構(gòu)保溫性能無法與民用建筑相比較;且圍護結(jié)構(gòu)未構(gòu)成封閉式空間，導(dǎo)致?lián)Q氣次數(shù)設(shè)定增大，以上2個因素對建筑熱負荷計算產(chǎn)生較大影響。因此，以峰值熱負荷來確定熱泵機組型號顯然不夠合理準確。本文基于獸舍供熱需求及條件的特殊性提出了峰值熱負荷標準值的概念，且認為，確定一個合適的逐時熱負荷標準值是解決獸舍供熱問題的第一步。

借鑒供暖室外溫度t′w的確定方法，決定采用不保證天數(shù)法來確定合理的逐時熱負荷標準值。不保證天數(shù)法的原則是：容許獸舍室內(nèi)實測溫度在幾天內(nèi)稍低于室內(nèi)計算溫度tn值，即容許這幾天的逐時負荷高于選定的逐時熱負荷標準值。不同國家對不保證天數(shù)的規(guī)定有所不同，有1，3和5 d的設(shè)定，中國現(xiàn)行的《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[16]中選定歷年平均不保證5 d的日平均溫度作為采暖室外計算溫度，因此本文確定全年在不保證5 d供熱的情況下確定峰值熱負荷標準值。

Q1Q=tw-tn1tw-tn。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：Q1為不保證5 d供熱情況下的逐時熱負荷，kW;Q為峰值熱負荷，kW;tw為冬季供暖室外計算溫度，℃;tn為室內(nèi)設(shè)定溫度，℃;tn1為不保證5 d供熱情況下的室內(nèi)溫度，℃。

通過式（1）計算，得出第120（5×24=120）時刻的逐時負荷為61.55 kW，即為狼獸舍峰值熱負荷標準值。此時，對應(yīng)的時刻為全年的第704小時，此時的狼獸舍與工具間熱負荷占比如圖3所示。

從圖3中可知，狼獸舍熱負荷占比更大，因此，以狼獸舍室溫設(shè)定最高值作為計算標準，通過公式計算得出逐時負荷為61.55 kW時獸舍室溫為0.2 ℃。與設(shè)定的狼獸舍最低溫度相差1.8 ℃。

狼御寒首先靠的是厚實堅韌的皮毛。在與人類社會的關(guān)聯(lián)中，從古至今的獵戶們也常以狼皮來制作冬季保暖的衣物，可見其保暖能力。狼御寒的第2個途徑是食肉。狼作為肉食動物，皮下脂肪的積累能夠滿足其在冬季抵御寒冷的需要。最重要的是，狼擁有獨特的血液循環(huán)系統(tǒng)，血液在經(jīng)腿部流向爪子的過程中被冷卻，因此狼爪中的血液為冷血，這使得狼在與雪地的接觸中，狼爪流失的熱量達到最低。同時，身體在厚實皮毛的保護下，最大程度減少了熱量流失，維持了體溫。圖4為熱感攝像機鏡頭下在冬季夜晚活動的狼，通過圖中的顏色對照表明熱量值，毛發(fā)呈現(xiàn)藍色說明其對熱量起到了很好的保護作用;腿部溫度明顯比狼爪溫度高，這與之前分析是一致的。從生育時間來看，低緯度地區(qū)狼的交配期在1月，高緯度地區(qū)狼的交配期在4月，孕期為61 d左右，無需特殊的供熱。因此2 ℃左右的溫差對于人工飼養(yǎng)的狼來說，不會造成較大的不適感，反而可以提升狼對環(huán)境的適應(yīng)能力，避免因人工飼養(yǎng)而失去原有的極強的環(huán)境適應(yīng)能力[17]。

2土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計

利用TRNSYS軟件對狼獸舍土壤源熱泵系統(tǒng)進行模擬分析，模擬系統(tǒng)如圖5所示。

2.1系統(tǒng)計算

根據(jù)式（2）計算獸舍的打井數(shù)量。

Q′=Q·（1-1CCOP），（2）

式中：Q′為冬季從土壤吸取的熱量，kW;Q為熱負荷計算值，kW;CCOP為設(shè)計工況下地源熱泵機組的供熱系數(shù)。

由于動物獸舍僅考慮冬季供熱，此時土壤每延米吸熱量較冬夏兩用的土壤源熱泵系統(tǒng)的每延米吸熱量更小，結(jié)合檢測到的石家莊市土壤的每延米吸熱量（約35 W/m），在保證供熱效果的前提下給定1.2的富余量（修正系數(shù)），最終確定獸舍土壤源熱泵系統(tǒng)的每延米吸熱量為25 W/m，井深100 m，井口距土壤表層2 m。

L=1 000Q′W， （3）

式中：L為豎井總深度，m;W為單位孔深吸熱量，W/m。

N=LH，（4）

式中：N為豎井數(shù)目;H為單口豎井深度，m。

最終確定獸舍打井數(shù)量為20口，打井深度確定為100 m，打井形式為豎直雙U井。

系統(tǒng)流量計算如下：

G=3 600QcρΔt，（5）

式中：G為負荷側(cè)流量，m3/h;Q為建筑設(shè)計熱負荷，kW;c為循環(huán)介質(zhì)比熱容，4.19×103 J/kg·℃;ρ為循環(huán)介質(zhì)密度，1×103 kg/m3;Δt為供回水溫差，取5 ℃。

2.2系統(tǒng)其他參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)狼獸舍的峰值熱負荷標準值（61.55 kW）對熱泵部件Type668設(shè)定，選定額定制熱量為67 kW、額定功率為15 kW的熱泵機組，機組CCOP為5。機組用戶側(cè)進口溫度為30 ℃，地源側(cè)進口溫度為14 ℃。

氣象參數(shù)部件Type109TMY中的氣象資料來自外部文件，并用TMY2格式以一定時間間隔來讀取數(shù)據(jù)。外部文件由Meteonorm導(dǎo)出石家莊市的氣象參數(shù)。

地埋管換熱器Type557a中，U形管外徑為0025 m，內(nèi)徑為0.02 m，兩管間中心距為0.025 m，U形管管壁導(dǎo)熱率為0.42 ，不考慮兩管間的傳熱，地溫初值為16 ℃，間隙材料為水，導(dǎo)熱率為0.58 W/（m·k），間隙厚度為0.005 m。各井之間為并聯(lián)形式。

3模擬結(jié)果分析

分別在5，6，7 m的井間距下，對狼獸舍供熱區(qū)的土壤源熱泵系統(tǒng)進行模擬，模擬時間為0～25 176 h，通過對比土壤溫度和源側(cè)供回水溫度，分別對2個獸舍的供熱情況進行分析。根據(jù)TRNSYS中溫控器的設(shè)置，用戶側(cè)供水溫度控制在35～40 ℃，供回水溫差為5 ℃，數(shù)值相對穩(wěn)定，因此，只對比不同井間距的運行情況，將不再討論用戶側(cè)溫度。

圖6為狼獸舍不同井間距下的土壤溫度變化曲線圖。

從圖6中可以看出，井間距越大，土壤溫度相對越高，越趨于穩(wěn)定。當井間距為7 m時，在不加補熱系統(tǒng)的前提下，運行3年內(nèi)土壤基本能穩(wěn)定在145 ℃。隨著井間距加大，土壤供水溫度也相應(yīng)提高，在供熱期不同井間距下，供水平均溫度分別為1304，13.24，13.37 ℃，回水最低溫度分別為5.33，576，6.03 ℃。狼獸舍的供熱需求小，打井數(shù)量少，6 m井間距條件下土壤源熱泵系統(tǒng)就可正常運行，但在7 m井間距條件下土壤源熱泵系統(tǒng)的運行效果更穩(wěn)定。

7 m井間距條件下土壤源側(cè)供回水曲線圖如圖7所示。

第1階段，地埋管側(cè)供水溫度最高為15.9 ℃，最低為11.58 ℃，平均溫度為14.65 ℃，回水溫度最高為15.76 ℃，最低為7.62 ℃，平均溫度為13.74 ℃，土壤源側(cè)供回水平均溫差約為3.5 ℃，此時土壤溫度由初始的16 ℃下降為15.43 ℃，曲線整體較為穩(wěn)定。

第2階段為非供熱期，系統(tǒng)停止運行，土壤溫度由15.43 ℃恢復(fù)到15.56 ℃。

第3階段為完整供熱期（11月15日至第2年的3月15日），土壤源側(cè)供回水溫度整體呈下降趨勢，供水溫度最高為15.51 ℃，最低為10 ℃，平均溫度為12.39 ℃，回水溫度最高為15.12 ℃，最低為603 ℃，平均溫度為10.28 ℃，此時土壤溫度由1552 ℃降至14.12 ℃。

第4階段，經(jīng)過第2年非供熱期的土壤恢復(fù)，溫度從14.12 ℃上升至14.68 ℃。

第5階段為完整供熱期，從第2年的11月15日至第3年的3月15日，供回水溫度的整體變化趨勢與第2階段相同，整體呈下降趨勢，土壤源側(cè)供水溫度最高為14.51 ℃，最低為10.21 ℃，平均供水溫度為13.09 ℃，土壤源側(cè)回水溫度最高為14.51 ℃，最低為6.26 ℃，平均回水溫度為12.08 ℃，此時土壤溫度從14.52 ℃降至13.97 ℃。

第6階段為土壤恢復(fù)期，土壤溫度從13.97 ℃恢復(fù)到14.46 ℃。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，狼獸舍供熱區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)3年運行過程中，土壤溫度從16 ℃降至14.46 ℃。第1個完整供熱期土壤溫度下降1.4 ℃，第2個完整供熱期土壤下降0.55 ℃，第1個土壤恢復(fù)期恢復(fù)0.13 ℃，第2個恢復(fù)期恢復(fù)0.56 ℃，第3個土壤恢復(fù)期恢復(fù)0.49 ℃。供回水溫度都在正常運行范圍內(nèi)，且供熱季開始前土壤溫度基本能恢復(fù)到上一個供熱開始時的溫度。因此，不考慮添加土壤補熱系統(tǒng)，采用土壤源熱泵系統(tǒng)進行供熱。

4結(jié)語

本文通過對狼獸舍的土壤源熱泵系統(tǒng)運行結(jié)果分析，得出以下結(jié)論。

1）狼獸舍負荷需求較小，打井數(shù)量少，因此土壤源熱泵系統(tǒng)運行時，根據(jù)本文的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，土壤溫度最低為14 ℃，且基本穩(wěn)定在14.5 ℃，能保證土壤供水溫度的要求。

2）通過對3種井間距下的土壤源熱泵系統(tǒng)模擬分析可知，5 m井間距條件下的土壤源側(cè)供水平均溫度為13.04 ℃，回水最低溫度為5.33 ℃，6 m井間距條件下的土壤源側(cè)供水平均溫度為13.24 ℃，回水最低溫度為5.76 ℃，7 m井間距下的土壤源側(cè)供水平均溫度為13.37 ℃，回水最低溫度為6.03 ℃。考慮到5 m井間距條件下的土壤源側(cè)供回水溫度較低，且土壤溫度變化幅度明顯，因此不建議選擇5 m井間距進行施工。6 m井間距的土壤源熱泵系統(tǒng)能保證系統(tǒng)正常運行，但是7 m井間距條件下的系統(tǒng)運行效果更好。

3）在其他條件不變的前提下，通過改變地埋管的井間距，進行對比模擬，可以發(fā)現(xiàn)井間距越大，土壤溫度相對越穩(wěn)定，變化幅度越小，因此在條件允許的情況下，建議選擇井間距大的施工設(shè)計方案。

4）狼獸舍墻體無保溫，冷風滲透量大，導(dǎo)致熱損失較大。因此，建議在施工時對獸舍適當添加墻體保溫材料，在獸舍洞口可設(shè)置風幕等設(shè)施，減少熱損失，進一步減少打井數(shù)量、降低投資。

此外，本研究尚存在不足之處：

1）模擬時間較短，無法準確判斷10年以上的系統(tǒng)運行情況和土壤溫度變化情況;

2）本系統(tǒng)的末端形式為空調(diào)系統(tǒng)送風形式，但對于這種末端供熱形式的室內(nèi)運行狀況還未進行詳細研究，今后應(yīng)根據(jù)動物的實際高度對送風高度進行調(diào)整，確定最佳送風效果;

3）動物獸舍中，動物出入洞口為常開狀態(tài)，今后可以考慮安裝風幕或感應(yīng)門來減少冷風滲透，同時對室內(nèi)風場流動進行模擬，為確定安裝位置提供依據(jù)。

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收稿日期：20191013;修回日期：20191224;責任編輯：王海云

基金項目：河北省科學院科研基金（18702）

第一作者簡介：賈琪（1994—），女，河北張家口人，碩士研究生，主要從事暖通空調(diào)新能源利用與節(jié)能技術(shù)方面的研究。

通訊作者：崔明輝教授。Email：cuiminghui666@163.com

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