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1、土壤源热泵评价软件编制及北方地区适宜性研究摘要： 北方地区土壤源热泵系统的实施应持慎重态度，否则会因土壤吸、放热不平衡而引起土壤温度累积变化，导致系统效率低下甚至无法运行。本文以研究地温变化为基础，结合多方面限制条件，编制了土壤源热泵适宜性的评价软件，并且应用该软件对我国北方地区五个气候分区、三种功能建筑分别进行模拟评价，给出应用土壤源热泵作为冷热源的适宜性评价与建议。关键词： 土壤源热泵 适宜性评价 有限长线源1. 引言土壤源热泵作为可再生能源之一，由于土壤吸热与释热量不平衡所导致的地下能量的堆积效应逐渐受到国际社会的关注。目前有许多专家学者从地下换热器换热效果、可行性评价等各方面对其进行研
2、究。然而现有的可行性评价几乎都是针对具体某个工程，对其他工程不具有广泛适用性，欠缺对于土壤源热泵整体适宜性与可行性情况的把握。此外，由于土壤源热泵初投资费用较高，钻孔难度较大，倘若在不适宜的条件下应用土壤源热泵，不但不能达到节能的效果，还造成了巨大的财力资源浪费。因此，在设计之初需要对土壤源热泵系统适宜性进行评价，并且从宏观上对其适用性进行把握。2. 钻孔区地下温度场求解由于本文重点在于对热泵寿命期内长期运行结果的评价与评估，因此以“有限长线源理论”为基础建立地下换热器解析模型，在保证准确的前提下节省更多的人力及时间。2.1 地下换热器模型在对钻孔外部的土壤进行温度场求解时，应用刁乃仁提出的解
3、析模型1。假设钻孔内为一根长为钻孔深度的线热源，相当于对以地表恒温作为边界条件的半无限大温度场进行求解。假设条件如下：a.地下土壤的初始温度均匀；b.地表温度保持不变，等于土壤初始温度值；c.地下土壤被近似为半无限大的传热介质；d.地下土壤的热物性是均匀的、且不随其温度的变化而变化，即具有常物性；e.忽略钻孔的几何尺度而把钻孔近似为轴心线上有限长度的线热源。将无限长线热源转变为有限长线热源，长度为H，其柱坐标为（0，0）和（0，H）。则一维温度场变为二维温度场： （1-1）利用虚拟热源法对其进行求解，得到地下换热器周围土壤中任意一点（r，z）在任意时刻所产生的过余温度为： （1-2）对其进行无
4、量纲化，令，得到： （1-3）2.2 地下换热器负荷求解在实际运行中，热流密度为非稳态的。而公式1-1是基于常热流边界条件的，因此必须对其进行改进。在长期（20年）的土壤温度模拟中，为了简化计算可适当放大时间步长，取一个月的平均热流作为该月的计算热流，将其等效成以月为单位步长的变热流形式，即将一年12个月简化为12个不同的，进行非稳态的计算。应用动态能耗模拟软件对一个建筑进行能耗分析，计算出该建筑的全年逐时负荷。对其进行处理，从而得到地下换热器单位长度逐月平均热流密度。负荷处理流程图见图2-1。 图2-1 负荷处理流程利用阶跃热流来处理变热流问题2。在长期运行工况的模拟上，利用叠加脉冲原理来模
5、拟变热流密度，可得时刻，（r，z）处的过余温度为： () （2-1）其中，为计算时刻，为时间步长。在本文计算中，取一个月，则。此外，利用叠加原理，在任意位置(x，y，z)的过余温度为它附近4个线热源温度响应的叠加。见公式2-2。 （2-2）其中，分别为周围4个钻孔中心的横纵坐标，公式中所求点距线热源的距离平方为。 因此，在计算土壤源热泵长期（20年）运行后的土壤温度场时，按照以月为单位的变热流密度的方式建立管群模型，则土壤中任一点(x，y，z)处的过余温度为： （2-3）3. 土壤源热泵的适宜性影响因素3.1 节能性指标与常规能源相比，土壤源热泵必须具备节能性才具备应用的意义，因此节能性是可行
6、性的前提。节能性的常用指标为“一次能源”利用率PER3。本文重点在考察土壤源热泵机组本身的能效，因此在与常规能源进行比较时，主要比较“冷热源”的一次能源利用率，而对于包含各种水泵的系统一次能源利用率不进行比较。供冷季冷源以水冷空调机组为比较对象，供热季热源以锅炉为比较对象。(1) 对于土壤源热泵，其机组一次能源利用率为： 或 （3-1）式中土壤源热泵机组的制热（冷）量，kW；W输入土壤源热泵机组的功率，kW；电厂的供电效率；电网的输送效率，取92%；压缩机的电机效率，取90%；COP土壤源热泵机组的制热（冷）能效比。目前，中国供电煤耗为360g标准煤/kWh，煤的热值为29000kJ/kg，那
7、么发电效率为： （3-2）(2) 对于水冷电动压缩式冷水机组，需要考虑冷却塔风机的耗电，其一次能源利用率为： （3-3）水冷电动压缩冷水机组的一次能源利用率变型为： （3-4）水冷空调机组又分为离心式水冷机组和螺杆式水冷机组，通常情况离心式水冷机组COP较高，而螺杆式相对较低。参照两种机组样本，当机组冷凝器进出口温度为32、37，蒸发器进出口温度为12，7时，离心式及螺杆式水冷机组COP分别取4.5、5.0，求得两种机组一次能源利用率分别为，。(3) 对于锅炉，其一次能源利用率即为锅炉制热效率。公共建筑锅炉最低设计效率见表3-1。表3-1 公共建筑锅炉的最低设计效率锅炉类型发热值在下列锅炉容量
8、（MW）下的设计效率（%）0.71.42.84.27.014.028.0燃煤（烟煤）73747879807476788082燃油、燃气86878788899090可再生能源建筑应用示范项目测评导则规定，在进行土壤源热泵节能性分析时，冬天供热工况以燃煤锅炉为比较对象，则对应的锅炉的一次能源利用率为。而燃气及燃油锅炉对应的一次能源利用率为。3.2 添加防冻剂对机组能效的影响在冬季制热工况时，热泵机组流体出口温度可能会降至0以下，为了维持系统的正常运行，环路内需要填加防冻液。当添加20%浓度的乙二醇为防冻剂时，相同流量的热泵地下换热器的传热能力将为纯水介质下的94%4。因此地下换热器能效应修正为0.
9、94。当然，在不同工况下修正系数会略有差别，因此设地下换热器换热性能衰减系数为，那么添加防冻剂时地下换热器能效根据实际工况计算应修正为。防冻液不仅对与防冻液进行热交换的换热器的传量有影响，而且对机组的整体性能均产生影响。当采用20%乙二醇作为防冻液时，在夏季和冬季工况下，机组制冷、制热性能系数COP分别比纯水工况时降低约2.5%。因此，可以在纯水工况下计算机组逐时COP，添加防冻剂情况修正为0.975COP。实际运算中，应根据机组COP的实际衰减情况计算，设机组性能衰减系数为，那么添加防冻剂时机组性能COP应修正为。3.3 机组地源侧冬夏极限进口温度通过对水源热泵机组自身运行特性的分析，得到机
10、组COP随机组地源侧进口温度的变化规律，得到公式3-1、3-25。制冷工况： （3-1）制热工况： （3-2）式中a，b，c，e，f，g，均为拟合系数；，分别为蒸发器侧进、出水温度，；，分别为冷凝器侧进、出水温度，。本文选定某型号水源热泵，对机组样本进行回归。拟合结果见公式3-3，3-4。制冷工况： （3-3）制热工况： （3-4）我国国标中规定的热泵机组名义工况6地源侧夏季进水温度为30。新版热泵规范规定在冬季运行期间，不添加防冻剂的地埋管换热器进口最低温度宜高于4度；查阅多个地源热泵机组样本，对于添加防冻剂的机组地源侧进口的停机保护温度为-4。在此，应用选定的该机组样本COP回归公式，分别
11、计算其停机保护时所对应的一次能源利用率PER。制冷工况下，极限温度对应机组的PER为1.0，即为夏季最低极限PER。制热工况下，对于不添加防冻剂的机组来说，其极限PER为1.1；而添加防冻剂的机组极限PER为0.7。4. 评价指标体系构建在保证机组正常运行的情况下比较其节能性，将评价结果划分为5类，即A-E，其意义分别对应从最适用到最不适用。A为最优评价。当热泵机组节能性很好，PER很高，并且土壤基本无冷（热）堆积现象，长期运行下寿命期内始终具有节能性。机组冬季运行工况良好，不需添加防冻剂。表明在该条件下，热泵机组非常适用。B为较优评价。与较高标准的常规冷热源进行比较，即供冷工况与离心式水冷空
12、调机组比较，供热工况与燃油（汽）锅炉做比较。同时土壤冷（热）堆积现象不明显，由于严寒地区初始土壤温度较低，尽管冷堆积现象很小，但仍会出现介质水的冻结危险，需要添加防冻剂。但是在长期运行下寿命期内土壤源热泵始终由于高标准的常规冷热源。表明在该条件下，热泵机组比较适用。C为可接受评价。参考可再生能源建筑应用示范项目测评导则69，在地源热泵机组节能性分析上，将其与一般标准的常规冷热源进行比较，即供冷工况与螺杆式水冷空调机组比较，供热工况与燃煤锅炉做比较。长期运行下寿命期内土壤源热泵始终由于普通标准的常规冷热源。其土壤冷（热）堆积程度须在可接受范围内，机组需要添加防冻剂。表明在该条件下，热泵机组本身从
13、技术节能上考虑是完全适用的，然而由于该方案节能效果一般，是否具有经济性则需要根据具体情况做进一步经济分析。D为较差评价。分析热泵机组自身限定条件，如地源侧进口温度的最低限制等，以及参考行业的最低制定标准，仅保证土壤源热泵可以正常运行。其土壤也出现了一定程度的冷（热）堆积现象，机组需要添加防冻剂。在寿命期内长期运行后，机组已不具备优于常规冷热源的节能性。热泵机组不再适用。对于初始PER大于常规冷热源机组，而由于工况恶劣导致PER逐年下降的情况，应找出PER开始下降到常规冷热源PER以下的年份，在该年之前机组仍具备节能特性，那么可对其进行经济性分析。E为最差评价。经过长期工况模拟计算，到达寿命期内
14、的某一年限时，土壤源热泵不但不具备节能性，而且由于土壤严重的冷（热）堆积现象，导致机组停机，热泵无法正常运行。表明在该条件下热泵机组不适用。综上所述，具体评价指标见表4-1。表4-1 评价方案累积冷负荷大（热堆积）累积热负荷大（冷堆积）A供冷供热B与离心式水冷空调机组比较：供冷与燃油（汽）锅炉比较：供热C与螺杆式水冷空调机组比较：供冷与燃煤锅炉比较：供热D与机组停机保护温度比较：供冷与机组停机保护温度比较：供热E供冷供热5. 评价软件编制5.1 机组长期运行工况平均COP及钻孔深度计算由于各计算参数之间出现了相互嵌套的情况，无法正常推导。因此本文以长期运行工况平均COP为突破口，采用迭代法进行COP求解，求解思路见图5-1。在迭代求解求得平均COP后，即可依次求出其他参数。5.2 评价流程在进行可行性与适用性评价时，应用上述方法求解土壤源热泵各参数，结合第4章所制定的评价方案，本文应用C+语言编制评价软件。评价流程图见图5-2。软件界面见图5-35。图5-1 COP求解过程6. 北方地区土壤源热泵适宜性
