无锡某科技住宅项目地源热泵土壤热平衡分析

无锡某科技住宅项目地源热泵土壤热平衡分析

刘天伟

江苏慧居建筑科技有限公司210023

摘要：本文利用TRNSYS软件对无锡某采用地源热泵系统的住宅项目进行地下土壤热平衡模拟分析。模拟运行结果表明：该项目地源热泵工程的热平衡状况良好，符合系统多年稳定运行的条件。

关键词：TRNSYS；地源热泵；热平衡

一、工程概况

项目地块位于无锡市滨湖区太湖新城板块，观山路和瑞景路交汇处，距中山路-崇安寺商圈约10公里，紧靠无锡新市政府，属于板块中区的生活居住片区，地处板块核心区域，权属明确。规划用地面积123153.4平米，基地东西长约355m，南北长约370m。基地地势较平坦，平均黄海高程3.9米左右。

本次计算是针对整个地块建立的模型，囊括了地块内所有采用集中空调及热水系统的楼栋。

二、计算软件及理论

本次计算采用的软件版本为TRNSYS_16。TRNSYS软件中的地埋管换热器模型采用（Ductstoragesystem—DST）中心对称的竖直有限长柱热源模型，基于以下两点假设：

1）换热器管群中钻孔均匀布置（忽略钻孔布局形状的影响）；

2）钻孔内部是对流换热而外部与土壤之间是导热。

钻孔与土壤之间的热流量大小由流体温度、热交换性能和钻孔周围的土壤温度决定，而温度以及由温差引起的热流沿管道是变化的。吸收或放出热量的多少将影响土壤综合的传热过程，同时，综合温度场也会对局部传热问题分析产生影响。假定换热器均匀排列，基于这种对称性，换热器与换热区域也一一对应。埋管的公共区域面积用表示。对矩形的钻孔布置而言，钻孔间距为B和，则公共区域面积为：

四、系统运行策略

天棚辐射系统夏季冷负荷为3134.4KW，冬季热负荷为2076.9KW；新风冷负荷3091KW，新风热负荷1792.6KW，热水设计制热量为760KW。考虑系统位于夏热冬冷地区，建筑空调全年负荷以冷负荷为主导，故在夏季供冷时，系统的新风冷负荷由新风用冷水机组优先承担，余下不足部分由新风用热泵机组承担。根据系统负荷和无锡气候特点，系统供冷季设定为5月1日---10月16日，供热季设定为12月15日---3月15日。计算得天棚用热泵机组承担的累计冷负荷为7109416kWh，累计热负荷为2491058kWh；新风用热泵机组承担的累计冷负荷为2342260kWh，累计热负荷为2098916kWh。

五、地埋管换热模型参数

根据建设单位提供的岩土热响应测试报告和设计图纸，将TRNSYS中地埋管换热器模型的参数设置如下：（1）钻孔深度100m，（2）土壤初始温度18.5℃，（3）土壤导热系数1.71W/m.℃，（4）换热管内、外直径分别为25.0mm和32mm，（5）回填材料导热系数1.5W/m.℃，（6）换热管内水流速0.6m/s，（7）钻孔间距5.0m，（8）钻孔直径130mm，（9）钻孔数量984个。

六.模拟运行结果

利用TRNSYS构建的系统仿真模型进行全年8760h的计算，计算所得的地埋管进出水温度和土壤平均温度变化。根据运行模拟结果，全年地埋管进水温度最大值38.14℃，最小值7.12℃，地埋管进水温度最大值33.80℃，最小值12.29℃，全年地埋管的出水温度基本能使地源热泵机组保持在一个高效运行的范围内，有利于整个系统节能性的体现。

根据土壤年地下负荷不平衡率的定义：

全年8760h，该系统累计向土壤放出热量9814000KW，从土壤吸收热量8252615KW，土壤年地下负荷不平衡率为15.9%。工程上一般认为，如果全年地下放热与取热的不平衡率在±20以内，均可认为达到季节性平衡[1][2]。土壤年地下负荷的基本平衡，这主要得益于热水热泵机组在过渡季节和冬季的始终出力，一定程度上弥补了冬夏空调冷热负荷的差异。

土壤温度场的热平衡是判定地源热泵系统长期稳定运行的重要依据，地温的恢复有利于机组运行过程中冷凝温度的降低（夏季）和蒸发温度的提高（冬季），从而可有效提高机组运行的性能系数和降低能耗。运行一年后土壤平均温度为19.02℃，通过进一步的模拟验算，该系统土壤10年的变化如下表所示：

从上可以看出，尽管运行第一年土壤平均温度上升了0.52℃，但土壤温度的升高也将一定程度上抑制系统夏季对土壤的放热过程，土壤温度的升高过程呈逐渐延缓趋势，运行十年土壤温度变化约3℃，可以保证地源热泵系统的持续可靠高效运行。值得一提的是，以上结果都是在系统连续运行的条件下得出的，是最不利工况，如果在实际运行中，系统得到一定程度的间歇运行，促进土壤温度恢复，土壤温度场将更有利，整个地源热泵系统的运行将更加稳定良好。

根据以上的全年地下放热与取热的不平衡率计算结果和土壤温度变化，可以认为该项目地源热泵工程的热平衡状况良好，符合系统多年稳定运行的条件。

参考文献

[1]杨卫波，陈振乾，施明恒.跨季节蓄能型地源热泵地下蓄能与释能特性[J].东南大学学报，2010，40（54）：973—978．

[2]朱红芬，杜震宇.土壤源热泵系统热平衡问题对生态环境的影响[J].能源与节能，