基于巖土失調(diào)溫度限值的土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)評(píng)價(jià)

王勇等

摘要：基于巖土失調(diào)溫度限值、建筑負(fù)荷特征、傳熱機(jī)理等多參數(shù)耦合的分析方法，提出了系統(tǒng)節(jié)能率、系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值和系統(tǒng)失效指標(biāo)等評(píng)價(jià)指標(biāo)，并建立了土壤蓄能狀態(tài)評(píng)價(jià)體系.以評(píng)價(jià)體系為基礎(chǔ)，通過(guò)CFD軟件建立三維地下埋管管群數(shù)值計(jì)算模型，構(gòu)建了評(píng)價(jià)全壽命周期內(nèi)的土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)的計(jì)算方法.計(jì)算和分析結(jié)果表明，評(píng)價(jià)體系和計(jì)算方法不僅可以較客觀地反映土壤的蓄能狀態(tài)，同時(shí)能夠預(yù)測(cè)基于實(shí)際工程運(yùn)行特性下的巖土失調(diào)溫度限值范圍和全壽命周期內(nèi)節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性的失效時(shí)間點(diǎn).

關(guān)鍵詞：土壤源熱泵；全壽命周期；溫度限值；CFD模擬；土壤蓄能狀態(tài)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU381 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

目前中國(guó)的土壤源熱泵系統(tǒng)發(fā)展越來(lái)越快，大規(guī)模的地下埋管換熱器對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期高效運(yùn)行提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，土壤蓄能狀態(tài)問(wèn)題已經(jīng)成為制約其科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵因素.花莉等[1]利用TRNSYS軟件進(jìn)行熱平衡問(wèn)題影響分析，研究了冷熱負(fù)荷比較大時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行50年間COP的變化，并進(jìn)行單因素分析得出緩解由于冷熱不平衡而引起的土壤溫升的措施，但模擬中未將建筑負(fù)荷比與埋管工況等進(jìn)行多參數(shù)耦合分析，所以其結(jié)論對(duì)具體工程指導(dǎo)性不強(qiáng).范蕊等[2]將夏季土壤吸熱負(fù)荷100 kW，冬季土壤放熱負(fù)荷50 kW定義為土壤全年熱不平衡率為50%；冬夏季負(fù)荷相等定義為土壤全年熱不平衡率為0%，其定義沒(méi)有考慮土壤的自平衡能力和建筑負(fù)荷與埋管取（釋?zhuān)嶝?fù)荷的耦合關(guān)系等因素.林東超等[3-4]提出土壤熱失衡問(wèn)題應(yīng)從冬夏空調(diào)負(fù)荷情況、地埋管換熱器的間距、地埋管換熱器系統(tǒng)構(gòu)成和實(shí)際運(yùn)行情況等各方面進(jìn)行考慮，擬定系統(tǒng)不同負(fù)荷下的運(yùn)行策略，但未能建立以實(shí)際工程為基礎(chǔ)的三維管群模型，也沒(méi)有建立建筑負(fù)荷與機(jī)組出力負(fù)荷之間的耦合關(guān)系式.楊衛(wèi)波等[5]建立了部分埋管群的模型，計(jì)算了十年間的土壤溫度變化，得出冷負(fù)荷熱比較大時(shí)，土壤溫升較為明顯，且溫升與負(fù)荷比呈正相關(guān)，但因?yàn)槟Ｐ腿源嬖谝欢ǖ募俣l件，也未以全壽命周期為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，所以未能給出土壤溫度對(duì)熱泵系統(tǒng)失效的限值.

由于目前土壤蓄能狀態(tài)評(píng)價(jià)模型的缺失，定義的不明確，地下三維管群模型的失真度較高，造成熱平衡理論研究的突破點(diǎn)較少.所以越來(lái)越多的研究偏向于從實(shí)際工程出發(fā)，基于測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)土壤蓄能狀態(tài)進(jìn)行分析評(píng)判.楊紅輝等[6]實(shí)地測(cè)試北京某工程的單U管和雙U管的換熱情況，得出雖然冷熱負(fù)荷差存在一定不匹配，但是大地可以平衡一部分冷熱負(fù)荷差，但是其測(cè)試未能取得管群的影響效果，也未給出大地自我調(diào)節(jié)的極限溫度值.范龍華等[7-9]已經(jīng)意識(shí)到土壤蓄能失衡的主要原因是冬夏季負(fù)荷不等，但是埋管深度、管間距和建筑負(fù)荷等因素也存在影響，根據(jù)工程實(shí)際提出了分區(qū)運(yùn)行，間歇運(yùn)行，增加冰蓄冷系統(tǒng)等策略，但是仍處于定性分析的階段，未能給出土壤蓄能失調(diào)溫度限值和輔助冷熱源開(kāi)啟時(shí)機(jī)等參數(shù)的定量結(jié)果.楊昌智等[10]創(chuàng)造性地提出單位井深換熱成本指數(shù)，將運(yùn)行費(fèi)用與換熱能力結(jié)合，在一定程度上反映系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，但是未將末端和機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用考慮在內(nèi).

目前研究中用到的土壤源熱泵土壤失效溫度基本取自GB 50366—2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，而規(guī)范中的溫度限值僅僅是保證機(jī)組正常運(yùn)行的低位冷卻水/輔熱水溫度范圍，當(dāng)作為巖土溫度限值時(shí)并不能保證熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性.

缺少對(duì)土壤蓄能狀態(tài)的評(píng)價(jià)和定義，缺乏多參數(shù)耦合分析，無(wú)法建立與實(shí)際工程高度仿真的埋管三維管群模型，這是目前對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)熱平衡問(wèn)題分析的不足之處.對(duì)于土壤源熱泵的土壤蓄能狀態(tài)分析僅僅停留在冬夏季負(fù)荷或累計(jì)負(fù)荷比上進(jìn)行估算是不科學(xué)的，必須將建筑負(fù)荷特征，機(jī)組級(jí)數(shù)控制，傳熱機(jī)理，埋管工況等多參數(shù)耦合建模，考慮動(dòng)態(tài)能效，進(jìn)行全壽命周期內(nèi)土壤蓄能狀態(tài)的分析[11].

在已有研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前研究的不足，筆者建立了以系統(tǒng)節(jié)能率、系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值和系統(tǒng)失效指標(biāo)為基礎(chǔ)的土壤蓄能狀態(tài)的評(píng)價(jià)模型以及土壤蓄能狀態(tài)；引入機(jī)組動(dòng)態(tài)能效，以建筑末端負(fù)荷和非穩(wěn)態(tài)三維管群模型為基礎(chǔ)[12]，考慮整個(gè)壽命周期內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行工況，提出了一種分析評(píng)價(jià)土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤蓄能狀態(tài)的一般計(jì)算方法.

1評(píng)價(jià)參數(shù)數(shù)學(xué)描述

1.1系統(tǒng)節(jié)能率

為了具體說(shuō)明土壤源熱泵系統(tǒng)相對(duì)常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能特點(diǎn)，以常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的能效比為對(duì)比基礎(chǔ)，分析土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)相對(duì)于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能率[13].系統(tǒng)節(jié)能率定義為以使用冷水機(jī)組和燃?xì)忮仩t的常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)能效為比較對(duì)象，EERs1（t） 為土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的能效比，EERs2（t） 為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的能效比，兩者的差值與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的能效比相比，得到系統(tǒng)節(jié)能率f.系統(tǒng)節(jié)能率的數(shù)學(xué)描述表達(dá)為：

f=EERs1（t）-EERs2（t）EERs2（t）.（1）

系統(tǒng)節(jié)能率f值若為正值，則代表t時(shí)刻土壤源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行能效比高于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，反之則相反.

1.2系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值

系統(tǒng)節(jié)能率說(shuō)明土壤源熱泵系統(tǒng)相對(duì)常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能特點(diǎn)，但無(wú)法說(shuō)明節(jié)能量的多少，故需要對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的系統(tǒng)總能耗（運(yùn)行費(fèi)用）進(jìn)行計(jì)算.

1）土壤源熱泵系統(tǒng)的總能耗W的構(gòu)成：熱泵機(jī)組的能耗W1，地埋管側(cè)水泵的能耗W2，用戶側(cè)循環(huán)水泵的能耗W3，水處理儀的能耗W4及末端風(fēng)系統(tǒng)的能耗W5等.

2）常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的總能耗N的構(gòu)成：冷水機(jī)組與燃?xì)忮仩t的能耗N1，冷卻水泵的能耗N2，用戶側(cè)循環(huán)水泵的能耗N3，水處理儀的能耗N4，末端風(fēng)系統(tǒng)的能耗N5及冷卻塔的能耗N6等.

3）系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值的計(jì)算方法：數(shù)值計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)取為1 d，故系統(tǒng)總能耗的計(jì)算結(jié)果也應(yīng)以“d”為最小單位.例如，第n年第t d的常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)及土壤源熱泵系統(tǒng)的能耗可按式（2），（3）計(jì)算：

N（t）=[N1（t）+N2（t）+N3（t）+N4（t）+

N5（t）+N6（t）]×24；（2）

W（t）=[W1（t）+W2（t）+W3（t）+W4（t）+

W5（t）]×24.（3）

故土壤源熱泵系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值（S1）和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值（S2）可分別按式（4），（5）計(jì)算：

S1=∑15n=1P×∑365t=1W（t）（1+i）n；（4）

S2=∑15n=1P×∑365t=1N（t）（1+i）n.（5）

式中：P為電價(jià)； i為折現(xiàn)率，由于系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值的計(jì)算周期為全壽命周期，不可以忽略資金的時(shí)間價(jià)值（包括通貨膨脹、收回資金的不確定性及機(jī)會(huì)成本）[14]，需要考慮折現(xiàn)率，本文采用2%～3% [15].

1.3系統(tǒng)失效指標(biāo)

系統(tǒng)失效指標(biāo)是指土壤溫度T與保證熱泵系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性的土壤溫度范圍M（Tmin，Tmax）的關(guān)系，指標(biāo)失效也即巖土溫度已不適合土壤源熱泵系統(tǒng)正常運(yùn)行，即

1）當(dāng)T

2）當(dāng)T∈M時(shí)，指標(biāo)即將失效，建議采用相應(yīng)措施來(lái)緩解；

3）當(dāng)T>Tmax時(shí)，指標(biāo)已失效，必須采用相應(yīng)措施保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行.

同一建筑對(duì)于地埋管換熱器系統(tǒng)中的不同鉆孔，由于幾何位置不同，傳熱條件也不盡相同，本文在計(jì)算地埋管換熱器系統(tǒng)失效問(wèn)題時(shí)選擇最不利的鉆孔來(lái)進(jìn)行判斷.

GB 50366—2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定地埋管地源熱泵系統(tǒng)熱泵機(jī)組正常運(yùn)行的冷熱源溫度范圍：10～40 ℃（制冷），-5～25 ℃（制熱），該溫度限值僅僅是針對(duì)保證機(jī)組正常運(yùn)行的低位冷卻水/輔熱水溫度范圍.指標(biāo)失效的主要原因是地下累積的冷（熱）超出了土壤的自平衡能力，失效指標(biāo)是土壤蓄能平衡評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)，土壤蓄能是否平衡直接關(guān)聯(lián)指標(biāo)是否失效.本文提出的土壤蓄能狀態(tài)和計(jì)算方法是將全壽命周期內(nèi)的土壤源熱泵系統(tǒng)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行耦合，并考慮全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷和大地自平衡能力，可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)全壽命周期內(nèi)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性的失效區(qū)間以及對(duì)應(yīng)參數(shù).

2土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)

土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)涉及到多參數(shù)評(píng)價(jià)，為了定義土壤蓄能狀態(tài)，首先要定義巖土失調(diào)溫度限值，而該定義又與各種巖土溫度相關(guān).

2.1與巖土溫度失調(diào)限值相關(guān)的各種巖土溫度

2.1.1巖土溫度

實(shí)際情況下，在沿埋管半徑的水平方向上，巖土的溫度會(huì)隨距埋管中心的距離不同而有所變化；在沿埋管深度的豎直方向上，巖土的溫度會(huì)隨埋管深度的不同而有所變化.故巖土溫度的定義對(duì)象不能是一個(gè)簡(jiǎn)單的點(diǎn)或是一個(gè)面，而是能夠綜合評(píng)價(jià)巖土溫度的定義.

考慮到埋管近管壁處的巖土溫度對(duì)地埋管運(yùn)行周期內(nèi)埋管的換熱性能及埋管進(jìn)、出口水溫度的影響較大，從而影響熱泵機(jī)組的能耗及系統(tǒng)的能效比，故將影響系統(tǒng)能耗及能效比的巖土溫度定義為：埋管回填孔壁及其以?xún)?nèi)回填體的巖土溫度[16].巖土溫度t*的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

t*=∫∫∫VtxyzdVV. （6）

式中：V為整個(gè)回填區(qū)域體；txyz為V區(qū)域體內(nèi)各單元體積的溫度值.

2.1.2系統(tǒng)能效溫度限值的定義

當(dāng)巖土溫度t*達(dá)到某一值時(shí)，此巖土溫度下的埋管出水溫度導(dǎo)致系統(tǒng)節(jié)能率小于零，這個(gè)溫度值就是巖土的能效溫度限值.能效溫度限值表征的是兩個(gè)系統(tǒng)能效比高低的臨界點(diǎn)，是瞬態(tài)值，不適用于全壽命周期內(nèi)巖土溫度限值的評(píng)價(jià).

2.1.3系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用溫度限值的定義

當(dāng)巖土溫度t*達(dá)到某一值時(shí)，土壤源熱泵系統(tǒng)的累計(jì)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值（S1）超過(guò)常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的累計(jì)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值（S2），這個(gè)溫度值就是巖土的運(yùn)行費(fèi)用溫度限值.由于運(yùn)行費(fèi)用溫度限值從能效的累積上對(duì)巖土溫度進(jìn)行了分析，故可以根據(jù)它來(lái)評(píng)價(jià)巖土溫度失調(diào)限值.

由于在土壤源熱泵系統(tǒng)全壽命周期的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)運(yùn)行費(fèi)用溫度限值點(diǎn)，則土壤源熱泵系統(tǒng)的巖土失調(diào)溫度限值范圍應(yīng)為最小值點(diǎn)至最大值點(diǎn).

2.2巖土失調(diào)溫度限值

巖土失調(diào)溫度限值可定義為：在空調(diào)系統(tǒng)正常使用周期內(nèi)，以給定的建筑負(fù)荷特征為基礎(chǔ)，計(jì)算時(shí)間以年為單位，當(dāng)土壤源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用之差為零時(shí)求解得到的對(duì)應(yīng)溫度，其溫度變化范圍為區(qū)間L（Tmin，Tmax）.將區(qū)間L賦值于系統(tǒng)失效指標(biāo)的區(qū)間M，即可得到針對(duì)工程實(shí)際的保證系統(tǒng)節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性的系統(tǒng)失效指標(biāo).該參數(shù)可以用系統(tǒng)節(jié)能率f和系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值S來(lái)表征.

2.3土壤蓄能狀態(tài)

在理解巖土溫度失調(diào)限值定義的基礎(chǔ)上，就可以定義土壤蓄能狀態(tài)：在空調(diào)系統(tǒng)正常使用周期內(nèi)，以給定的建筑負(fù)荷特征為基礎(chǔ)，計(jì)算時(shí)間以年為單位，如果系統(tǒng)節(jié)能率恒大于零，且系統(tǒng)失效指標(biāo)不失效，則稱(chēng)該負(fù)荷特征對(duì)應(yīng)下的土壤蓄能處于平衡狀態(tài)；如果系統(tǒng)節(jié)能率小于零，或系統(tǒng)失效指標(biāo)失效，則稱(chēng)該負(fù)荷特征對(duì)應(yīng)下的土壤蓄能處于不平衡狀態(tài).

3計(jì)算方法、數(shù)學(xué)模型描述

3.1建筑逐時(shí)能耗計(jì)算

本文采用DeST軟件作為建筑能耗模擬軟件.根據(jù)項(xiàng)目的施工圖，按照建筑實(shí)際情況建立模型，室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)參考GB 50189-2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，可以得到示例工程的逐時(shí)負(fù)荷圖.

3.2末端負(fù)荷至出力負(fù)荷轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型

根據(jù)熱泵機(jī)組的壓縮機(jī)級(jí)數(shù)調(diào)節(jié)和啟?？刂撇呗詠?lái)處理建筑逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，將末端側(cè)的冷熱負(fù)荷需求量Q1轉(zhuǎn)化為熱泵機(jī)組的實(shí)際冷熱負(fù)荷輸出量Q2.以夏季制冷工況為例，以具體項(xiàng)目的熱泵機(jī)組的壓縮機(jī)實(shí)際調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)為基礎(chǔ)，將建筑逐時(shí)負(fù)荷導(dǎo)入編譯的程序后，得到機(jī)組的出力逐時(shí)負(fù)荷[9].

為保證土壤源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)有一個(gè)比較的平臺(tái)，假設(shè)冷水機(jī)組在夏季的啟停及運(yùn)行情況的確定方法與土壤源熱泵機(jī)組一致，而冬季燃?xì)忮仩t的啟停及運(yùn)行情況則由建筑負(fù)荷直接決定.根據(jù)工程的實(shí)際冷水機(jī)組及燃?xì)忮仩t選型可以得到常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的逐時(shí)出力負(fù)荷.

3.3動(dòng)態(tài)能效比下出力負(fù)荷與進(jìn)出水溫耦合關(guān)系數(shù)學(xué)模型

3.3.1土壤源熱泵機(jī)組耦合關(guān)系式

熱泵機(jī)組的出力負(fù)荷Q2與向大地的放（?。崃縌3之間的關(guān)系式在文獻(xiàn)[17]中可以查得，該式適用于冬、夏季工況.

3.3.2冷水機(jī)組耦合關(guān)系式

常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)夏季制冷依靠冷水機(jī)組和冷卻塔，若需要進(jìn)行冷水機(jī)組的動(dòng)態(tài)能效分析，需要建立冷卻塔模型，以逆流式冷卻塔作為討論對(duì)象.冷卻塔的冷卻數(shù)N可以由冷卻塔進(jìn)水溫度t1，出水溫度t2，室外空氣濕球溫度ts三者組成的函數(shù)計(jì)算[18].

3.4土壤源熱泵系統(tǒng)及常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗數(shù)學(xué)模型

3.4.1土壤源熱泵系統(tǒng)全年能耗數(shù)學(xué)模型

土壤源熱泵系統(tǒng)的能耗模型為：

4基于三維傳熱管群模型的實(shí)際工程計(jì)算

分析

4.1工程概況

該示例工程位于重慶市，空調(diào)系統(tǒng)在夏季為該樓裙房（共4層，第1層主要為食堂；第2層主要為辦公室和會(huì)議室；第3和第4層為專(zhuān)家公寓）供冷，總冷負(fù)荷為231.21 kW.冬季為該樓第1層食堂、第2層辦公室和會(huì)議室的低溫輻射地板及副樓羽毛球場(chǎng)供暖，總熱負(fù)荷為230 kW.地埋管換熱器布置在建筑旁邊的草坪下面，地下?lián)Q熱器系統(tǒng)由60個(gè)鉆孔組成，鉆孔成6×10矩形布置，鉆孔直徑110 mm，鉆孔之間的距離為4 m，換熱器采用直徑為25 mm，深度為80 m的PE管，兩支管間距為50 mm，埋管換熱器回水管上設(shè)有60 m深的保溫層，管群沒(méi)有分區(qū)[12].

該工程選用2臺(tái)3機(jī)頭熱泵機(jī)組，壓縮機(jī)級(jí)數(shù)調(diào)節(jié)分為“0%，-33%，-66%，-100%” 4個(gè)等級(jí)，壓縮機(jī)運(yùn)行級(jí)數(shù)的選擇由末端負(fù)荷大小決定.熱泵機(jī)組的啟?？刂撇呗砸?jiàn)表1，控制策略參數(shù)分為冬季運(yùn)行工況和夏季運(yùn)行工況.

4.2地下巖土三維傳熱管群模型

數(shù)值計(jì)算的幾何模型按示例工程實(shí)際情況建立，所以該模型是高度仿真的.模型中共60組地埋管，取1/4區(qū)域埋管，其布置示意圖如圖3所示.

5土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)分

析的一般計(jì)算方法流程圖

土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)分析的一般計(jì)算方法流程圖如圖5所示.

1）利用DeST軟件計(jì)算得到建筑全年逐時(shí)末端負(fù)荷；

2）利用末端負(fù)荷至出力負(fù)荷轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型求得熱泵機(jī)組及冷水機(jī)組（鍋爐）的全年出力負(fù)荷；

3）利用出力負(fù)荷與進(jìn)出水溫耦合關(guān)系數(shù)學(xué)模型求得動(dòng)態(tài)能效比下的數(shù)值計(jì)算模型埋管進(jìn)出水溫度；

4）將埋管進(jìn)、出水溫度的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系式通過(guò)UDF作為埋管進(jìn)口的邊界條件，導(dǎo)入高度仿真的數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行全壽命周期的流動(dòng)、換熱計(jì)算，求得全壽命周期內(nèi)地下?lián)Q熱器埋管進(jìn)出水溫度及土壤溫度分布場(chǎng)；

5）將數(shù)值計(jì)算得到的全壽命周期埋管出水溫度導(dǎo)入土壤源熱泵系統(tǒng)的能耗模型，再代入S1，S2，EERs1，EERs2，f的定義式求得土壤源熱泵系統(tǒng)及常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的全壽命周期運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值S1和S2和系統(tǒng)節(jié)能率f.

6計(jì)算結(jié)果分析

6.1土壤蓄能處于平衡狀態(tài)的情況

對(duì)4.1節(jié)中提到的4層建筑所有負(fù)荷進(jìn)行分析計(jì)算.冬夏季累計(jì)負(fù)荷比為1∶1.55.

按圖5所示流程圖進(jìn)行運(yùn)算，最終系統(tǒng)節(jié)能率和系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值分別如圖6和圖7所示.

按照本文所提出的計(jì)算方法可以得知，全壽命周期內(nèi)，土壤源熱泵系統(tǒng)的能效比始終比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)高，系統(tǒng)節(jié)能率f>0；同時(shí)S1-S2=0方程無(wú)解，土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值恒小于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值，也即不存在運(yùn)行費(fèi)用溫度限值，所以該土壤源熱泵系統(tǒng)在此工況下運(yùn)行不存在巖土溫度失調(diào)限值，區(qū)間為空集.

再按照本文所提出的計(jì)算方法可以得知，系統(tǒng)節(jié)能率f>0，且土壤溫度T∈恒不成立，系統(tǒng)失效指標(biāo)恒不失效，所以該土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能處于平衡狀態(tài).

綜上可知，該熱泵系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)，以4層樓的全部建筑負(fù)荷為基礎(chǔ)，以年為單位計(jì)算時(shí)間，系統(tǒng)不存在巖土溫度失調(diào)限值，且大地蓄能是平衡的，不必采用相應(yīng)措施來(lái)主動(dòng)調(diào)節(jié)大地蓄能，從4年實(shí)際運(yùn)行效果看，系統(tǒng)運(yùn)行是穩(wěn)定的.

6.2土壤蓄能處于不平衡狀態(tài)的情況

為了尋求土壤蓄能處于不平衡狀態(tài)的情況，現(xiàn)假設(shè)該項(xiàng)目冬季供暖的副樓羽毛球場(chǎng)不使用，即對(duì)4.1節(jié)中提到的4層建筑所有負(fù)荷除冬季副樓羽毛球場(chǎng)的供暖負(fù)荷外按照計(jì)算方法對(duì)該工程重新進(jìn)行計(jì)算分析.冬夏季累計(jì)負(fù)荷比為1∶4.82.

經(jīng)流程圖運(yùn)算，最終系統(tǒng)節(jié)能率和系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值分別如圖8和圖9所示.

按照本文所提出的計(jì)算方法可以得知：

1）開(kāi)始運(yùn)行至第1年夏季，土壤源熱泵系統(tǒng)能效比要比常規(guī)冷熱源系統(tǒng)能效比高，且土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值要比常規(guī)冷熱源運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值低，所以該熱泵系統(tǒng)土壤蓄能處于平衡狀態(tài).

2）第1年夏季至第7年秋季，土壤源熱泵系統(tǒng)能效比要比常規(guī)冷熱源系統(tǒng)能效比低，但土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值也要比常規(guī)冷熱源運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值低，建議采用相應(yīng)措施來(lái)主動(dòng)調(diào)節(jié)大地蓄能，以緩解土壤蓄能不平衡狀態(tài).

3）第7年秋季至第8年夏季及以后，土壤源熱泵系統(tǒng)能效比要比常規(guī)冷熱源系統(tǒng)能效比低，且土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值要比常規(guī)冷熱源運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值高，必須采用相應(yīng)措施來(lái)主動(dòng)調(diào)節(jié)大地蓄能，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行.

7結(jié)論

1） 建立了以系統(tǒng)節(jié)能率、系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用現(xiàn)值和系統(tǒng)失效指標(biāo)等參數(shù)為基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)模型，可以客觀具體地反映土壤蓄能狀態(tài)，同時(shí)利用評(píng)價(jià)模型對(duì)土壤蓄能狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià).

2） 提出了一種能分析評(píng)價(jià)土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤蓄能狀態(tài)的一般計(jì)算方法，利用該計(jì)算方法能夠?qū)ν寥涝礋岜孟到y(tǒng)的土壤蓄能的平衡狀態(tài)或不平衡狀態(tài)進(jìn)行定量分析.

3） 利用該計(jì)算方法得出了可以保證系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性的巖土失調(diào)溫度限值范圍，同時(shí)結(jié)合運(yùn)行后的工程實(shí)際，對(duì)土壤源熱泵的土壤蓄能狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而對(duì)全壽命周期內(nèi)的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性的失效時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便維護(hù)人員提前做好相應(yīng)措施來(lái)滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的需要.

4） 土壤蓄能平衡研究涉及到的參數(shù)較多，包括地下水流動(dòng)的影響等，沒(méi)有在評(píng)價(jià)模型中體現(xiàn)，在后續(xù)的研究中，將不斷改進(jìn)和完善模型，同時(shí)簡(jiǎn)化計(jì)算方法，使其更實(shí)用于工程實(shí)際.

參考文獻(xiàn)

[1]花莉，潘毅群，范蕊， 等. 基于TRNSYS的土壤源熱泵熱平衡問(wèn)題的影響因素分析[J].建筑節(jié)能，2012，40（3）：23-29.

HUA Li，PAN Yiqun，F(xiàn)AN Rui， et al. Impacting factor on ground heat balance of GSHP system using TRNSYS[J]. Buliding Energy Efficiency，2012，40（3）：23-29.（In Chinese）

[2]范蕊，高巖，陳旭， 等. 基于熱平衡的土壤源熱泵系統(tǒng)特性分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，39（2）：282-286.

FAN Rui，GAO Yan， CHEN Xu， et al. Analysis on influence of yearly heat imbalance on heat transfer characteristic of groundcoupled heat pump system[J].Journal of Tongji University：Natural Science，2011，39（2）：282-286.（In Chinese）

[3]馬宏權(quán)，龍惟定. 地埋管地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡[J].暖通空調(diào)， 2009，39（1）：102-106.

MA Hongquan， LONG Weiding. Ground heat balance in GSHP[J]. Heating Ventilating and Air Conditioning，2009，39（1）：102-106. （In Chinese）

[4]林東超，沈劍. 土壤源熱泵熱平衡的驗(yàn)證[J].發(fā)電與空調(diào)， 2013， 34（2）：44-48.

LIN Dongchao， SHEN Jian. Verification of heat balance in groundsource heat pump[J].Refrigeration Air Conditioning and Electric Power Machinery，2013，34（2）：44-48. （In Chinese）

[5]楊衛(wèi)波，陳振乾，劉光遠(yuǎn). 土壤源熱泵系統(tǒng)地下熱平衡問(wèn)題分析[C]//吳元煒.中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.天津：中國(guó)制冷學(xué)會(huì)，2009：963-968.

YANG Weibo，CHEN Zhenqian，LIU Guangyuan. Analysis on the ground heat balance of ground coupled heat pump system[C]//WU Yuanwei. Academic Conference Proceedings of Chinese Association of Refrigeration in 2009.Tianjin：Chinese Association of Refrigeration， 2009：963-968. （In Chinese）

[6]楊紅輝. 土壤源熱泵系統(tǒng)的地埋管熱平衡分析[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2012，10：100-104.

YANG Honghui.Heat balance analysis in groundsource heat pump[J]. Construction and Design for Project，2012，10：100-104. （In Chinese）

[7]范龍華，王勇. 土壤源熱泵系統(tǒng)中地埋管換熱器熱平衡問(wèn)題及解決方案[J]. 黑龍江冶金， 2011，31（1） ：44-45.

FAN Longhua，WANG Yong. Heat balance problem ground heat exchanger and solutions in groundsource heat pump system [J]. Heilongjiang Yejin， 2011，31（1） ：44-45.（In Chinese）

[8]崔宏楨. 地源熱泵系統(tǒng)土壤熱平衡分析[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)， 2011， 11：95-98.

CUI Hongzhen. Heat balance analysis of soil for the groundsource heat pump system[J].Construction and Design for Project，2011，11：95-98. （In Chinese）

[9]李永安，高亞南，邢滕，等. 土壤源熱泵蓄能系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，36（12）：40-43.

LI Yongan，GAO Yanan，XING Teng，et al. Research and application of groundcoupled heat pump and ice storage [J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences，2009，36（12）：40-43. （In Chinese）

[10]楊昌智，黃兵.U型管換熱性能影響因素研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，36（12）：44-48.

YANG Changzhi，HUANG Bing.Study on influence factor of heat transfer performance of the Utube[J].Journal of Hunan University：Natural Sciences，2009，36（12）：44-48.（In Chinese）

[11]金逸韜.夏熱冬冷地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)的蓄能失調(diào)限值分析[D].重慶：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，2012：30-33.

JIN Yitao.The energy storage imbalance limitanalysis of ground source heat pumpsystem in hotsummer and coldwinter zone[D].Chongqing： College of Urban Construction and Environmental Engineering，Chongqing University，2012：30-33.（In Chinese）

[12]賈亞北.典型氣候區(qū)典型建筑土壤源熱泵系統(tǒng)蓄能不平衡率分析[D].重慶：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，2012：14-19.

JIA Yabei.Analysis on heat storage unbalance rate in ground source heat pump system of the typical buildings of the typical climate area[D].Chongqing： College of Urban Construction and Environmental Engineering，Chongqing University，2012：14-19.（In Chinese）

[13]王勇，韓傳璞，李文，等. 開(kāi)式地表水源熱泵系統(tǒng)取水能耗限值確定方法[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34（3）：110-115.

WANG Yong，HAN Chuanpu，LI Wen，et al. The determination method of limit energy consumption of water supply in openloop surface water source heatpump systems[J]. Journal of Chongqing University，2011，34（3）： 110-115. （In Chinese）

[14]王光偉. 貨幣，利率與匯率經(jīng)濟(jì)學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003：107-111.

WANG Guangwei.Currency， interest rate and exchange rate economics[M].Beijing：Tsinghua University Press，2003：107-111.（In Chinese）

[15]周立，葛耀君. 全壽命經(jīng)濟(jì)分析中折現(xiàn)率的確定[J]. 上海公路，2007（2）：51-54.

ZHOU Li，GE Yaojun. Discount rates of the life cycle cost analysis[J]. Shanghai Highways，2007（2）：51-54. （In Chinese）

[16] 王勇，金逸韜. 回填空氣間隙對(duì)地埋管巖土溫度恢復(fù)性能的影響[J]. 土木建筑與環(huán)境工程，2012，34（4）：142-148.