大连理工大学 左婷婷 李祥立 王宗山
我国居住建筑体量大、容积率高，而位于严寒、寒冷地区的居住建筑具有热负荷需求大、冷负荷需求小的特点。因此，地埋管地源热泵系统应用于热负荷占优地区的居住建筑时，将面临埋管所需的地表面积不足和由于吸热量大、土壤自身恢复能力不足导致地温逐年降低的冷堆积问题。针对面积限制问题，文献[1-5]提出了埋深超过1 000 m的中深层套管式地埋管系统，但该系统仅能供暖，无法满足供冷需求；
针对冷堆积问题，文献[6-8]提出了太阳能辅助地埋管地源热泵系统，但该系统建设运行复杂，严寒、寒冷地区使用时运行维护难度大。为了解决上述地埋管地源热泵面临的问题，提出中深层双U形地埋管地源热泵系统。
严寒地区冬季浅层地埋管换热器因持续取热可能导致管内循环流体冻结，使系统换热能力降低，无法稳定运行[9-10]。随着技术的进步，中深层双U形地埋管换热系统的埋管深度可达800 m左右，由于增温带存在0.02～0.05 ℃/m的温度梯度[11]，中深层土壤温度一般不超过33 ℃，既能保证供暖又能供冷；
中深层土壤温度较浅层更高，土壤补热能力更好，有更大的单位孔深换热量，仅需浅层系统20%～50%左右的换热器长度，大大减小了埋管的地表面积，埋管中心区域土壤温度易通过与周围土壤的换热得到恢复[12]，可以有效减少冷堆积。
本文就热负荷占优的严寒地区(即土壤冬季吸热量大于夏季释热量地区)进行分析，以严寒C区居住建筑负荷特性为代表，利用TRNSYS软件研究中深层双U形地埋管系统的适用性，为工程实践提供参考。
建立中深层双U形地埋管热泵系统，地源侧的岩土热物性参数和用户侧建筑内外扰参数均按辽宁省阜新市海州区某住宅小区实际工程设置。本文应用仿真软件研究此系统长期运行的性能，该住宅小区总计3栋高层建筑，总占地面积3 564 m2，总绿地面积2 916 m2。单栋居住建筑的体形系数为0.21，建筑面积为14 256 m2。经设计计算和仿真模拟，中深层系统在埋深600 m左右时体现出最佳的适用性。热源侧是室外58口深600 m的换热井，井内敷设2根U形管，管材采用经过加强处理的PE100高密度聚乙烯U形管，其在含水土壤区域管内外承压平衡，管道安装采用特殊的机器和工艺，该类型管材和安装技术在实际工程中已有使用。阜新市地下土壤主要成分为黏土岩，相对于浅层土壤，该系统所用的中深层土壤具有更大的含水量和压力，因此其拥有更大的导热系数[13]，测得埋管区域土壤的平均单位体积热容为2 348 kJ/(m3·K)，平均导热系数为1.80 W/(m·K)。
1.1 TRNSYS仿真软件
利用TRNSYS仿真模拟600 m埋深双U形地埋管系统，其中U形管换热器模块所用地埋管热存储区域模型DST的示意图见图1，此模型采用空间重叠法得到土壤中的温度分布，采用当量半径法得到钻孔区域的地表面积[14]。
图1 DST模型
图1中ttop为热存储区顶边界温度，取阜新市室外动态空气温度；
tside为热存储区侧边界温度，此温度为阜新市土壤初始温度，取11.314 ℃；
Δt为土壤温度梯度，取拟合值0.034 7 ℃/m；
L1为黏土和泥页岩深度，取0～100 m，土壤平均导热系数取1.55 W/(m·K)；
L2为砂砾岩深度，取100～400 m，土壤平均导热系数取1.80 W/(m·K)；
L3为火成岩和花岗岩深度，取400～600 m，土壤平均导热系数取1.93 W/(m·K)；
B为钻孔间距，受钻孔深度和偏移影响，取值≥6 m；
rb为钻孔半径，由U形管尺寸决定；
rsr为单孔热影响半径，由当量半径法算得，取0.525B；
rsv为热存储区域半径，由钻孔数量和钻孔间距决定。
1.2 仿真对象负荷
本文依据实际工程的内外扰设计参数(见表1)，使用TRNSYS的TRNBuild模块建立负荷计算模型。图2显示了模拟得到的建筑全年负荷变化情况。最大热负荷为1 176.83 kW，最大冷负荷为905.10 kW，阜新市供暖期为11月1日至次年4月1日，供冷期为6月15日至9月15日，空调每日00：00—08：00和17：00—24：00开启，09:00—16:00关闭，间歇运行，全年累计热负荷1 435.319 MW·h，全年累计冷负荷597.128 MW·h，负荷比为2.40∶1。
图2 全年动态负荷
表1 建筑内外扰参数
1.3 仿真模型搭建
为了达到更佳的节能效果，设置2台热泵间歇并联运行。冬季热负荷达到热泵额定制热量的10%时仅开启1台热泵，热负荷达到热泵额定制热量的90%时开启2台水泵并联运行；
夏季同理。根据最大负荷选择2台型号RTWD160HE的热泵
机组，额定制热COP为4.7，额定制冷COP为5.4，热泵制热工况下额定供水温度为45 ℃，制冷工况下额定供水温度为7 ℃。根据用户侧所需水量及扬程选用变频泵，变频泵性能曲线如图3所示。
图3 变频水泵性能曲线
地源侧定频水泵的选取由于流量和钻孔数量不同，扬程有差异，不同方案的地源侧水泵选型不同。采用TRNSYS建立的中深层双U形地埋管系统模型如图4所示，模拟分析系统运行状况。
图4 中深层双U形地埋管系统模型
选用系统费用年值(EAC)作为正交试验评价指标进行适用性分析[15]。
式中 r为贴现率，6%；
k为使用寿命，30 a；
C0为系统的投资费用，包括主要设备费用和钻孔费用，其中钻孔费用包括综合成孔费用、回填料费用、土地开挖费用和额外土地使用费用，万元；
C为年管理费用，包括运行费用Cyx和维护费用Cwh，万元。
Cwh=C0ε
(3)
式(2)、(3)中 P为总能耗，kW，在计算运行费用时，近似认为各方案中用户侧水泵和末端风机的总运行费用相等，不会导致费用年值的差异，只考虑地源侧循环水泵和热泵机组的运行费用；
A为辽宁省阜新市居住建筑的电价，为0.5元/(kW·h)；
τ为系统运行时间，h；
ε为概算指标，取5%。
2.1 影响因素分析
本文讨论的影响因素有4个：地源侧流量、地埋管公称直径、钻孔间距、折合热阻，且每个因素分别有4种水平，表2为试验因素水平表。
表2 试验因素水平
在建筑负荷一定的情况下，地源侧流量变化将直接影响地源侧进出水温差，地源侧温差过大会导致温度衰减快，地源侧温差过小则影响温度传递。本文选取地源侧温差为3.0～4.5 ℃时对应的流量；
中深层系统地埋管埋深较深，需要承压能力更强的U形管，选取地埋管公称直径DN50～DN90；
因为埋管具有0.3～0.5°倾斜度，所以中深层地埋管系统所需钻孔间距较浅层系统更大，且为避免占地面积过大，选取钻孔间距为6～9 m；
本文的折合热阻是指U形管管壁热阻与钻孔灌浆回填材料热阻两者的折合热阻，在常见的导热系数范围内选取数值[12]，折合热阻为0.10～0.13 m·K/W。
2.2 正交试验设计
为了更加科学合理地分析不同因素的影响程度，下面采用正交试验的方法进行分析。选用正交表L16(45)，试验指标为费用年值，表3给出了正交试验结果。
表3 直观分析表
根据表3，系统费用年值影响因素主次顺序依次是钻孔间距、地埋管公称直径、折合热阻、地源侧流量。根据模拟结果分析，运行费用仅占系统费用年值的10%左右，维护费用由初投资决定，可见影响费用年值的主要组成成分为投资费用。钻孔间距影响钻孔间热干扰程度，折合热阻影响土壤热存储区域和周围土壤的换热能力，地埋管公称直径影响换热能力和管内流速，地源侧流量影响换热器内介质温差和水泵功率，四者均间接决定系统能效大小，在运行费用方面影响费用年值。根据换热器设计方法，钻孔间距、地埋管公称直径和折合热阻在不同程度上决定钻孔数量，同时地埋管公称直径与钻孔直径呈正比变化，单位深度钻孔造价与钻孔直径有关。钻孔间距增加1 m，钻孔数量减少约6%；
地埋管管径增大1号，钻孔数量减少约4%，综合单价增大约9%；
折合热阻减小0.01 m·K/W，钻孔数量减少约2%；
根据热存储区域当量半径计算法，钻孔间距增加1 m，埋管面积增加约31%，钻孔数量增加1口，埋管面积增加约2%，三者在投资费用方面影响费用年值。
根据方差分析表(见表4)，钻孔间距和地埋管公称直径对费用年值有较大影响，影响程度占比分别为42.03%和38.10%，而其他因素对费用年值无显著影响。因此在考虑系统适用性问题时需要考虑的主要因素是钻孔间距和地埋管公称直径。综合上述分析，虽然折合热阻和地源侧流量对费用年值有一定的影响，但是由于地埋管和回填料导热系数及介质换热温差变化范围相对较小，因此这种影响并不显著，影响程度占比分别为11.61%和8.26%。
表4 方差分析
2.3 模拟运行结果
根据中深层双U形地埋管热泵系统模型和正交试验最优方案A1B1C3D4，模拟系统持续运行30 a 的土壤平均温度、地埋管进出水温度及系统能效，结果如图5所示。尽管热冷负荷不平衡造成地下土壤和换热器内介质温度逐年降低，系统能效冬季稍有下降，夏季略有上升。但由于中深层土壤有较好的补热能力，单井换热量为22.30 kW，在运行周期内，土壤平均温度仅下降3.77 ℃，换热器内循环水最低温度为8.91 ℃，不会引起机组结冰和循环水冻结，换热器内循环水最高温度为30.24 ℃，不会降低供冷节能效果[16]。在运行周期内，冬季平均系统能效为3.63，夏季平均系统能效为4.52，系统逐年运行比较稳定。
图5 中深层双U形地埋管热泵系统30 a运行效果
针对严寒地区居住建筑的冷热需求，将现有的能保证供暖供冷的太阳能辅助地埋管地源热泵系统与本文系统进行对比。
3.1 太阳能复合地源热泵蓄热系统
利用TRNSYS建立太阳能复合地源热泵蓄热系统模型并进行设计计算，该系统利用太阳能供暖季和过渡季向土壤补热，系统模型如图6所示。集热侧控制策略：当集热器内平均水温与蓄热水箱平均水温之差大于5 ℃时，集热泵开启；
否则集热泵关闭。蓄热侧控制策略：当蓄热水箱平均水温与土壤平均温度之差大于3 ℃时，蓄热泵开启；
当温差小于1 ℃时，蓄热泵关闭。在相同建筑负荷条件下，模拟得到全年累计集热量为410.754 MW·h，累计蓄热量为407.031 MW·h，累计土壤吸释热量差值为414.593 MW·h。
图6 太阳能复合地源热泵蓄热系统模型
3.2 适用性对比
中深层双U形地埋管热泵系统设计最优方案的设备参数如表5所示。利用TRNSYS模拟运行30 a，最优方案的费用年值为157.51万元。太阳能复合地源热泵蓄热系统的设备参数如表6所示。利用TRNSYS模拟其30 a运行，得到费用年值为283.98万元。
表5 中深层双U形地埋管热泵系统设备参数
本文提出了中深层双U形地埋管系统，通过TRNSYS软件仿真模拟了阜新市某居住小区中深层双U形地埋管系统，依据模拟结果，此系统适用于热负荷占优地区。
1) 通过正交试验研究发现，对于系统费用年值的影响占比，主次顺序依次为钻孔间距42.03%，地埋管公称直径38.10%，折合热阻11.61%，地源侧流量8.26%。在系统设计过程中应首先考虑增大钻孔间距，当间距受埋管区域限制不能增大时，则应考虑增大地埋管公称直径等措施，以保证寿命周期内系统适用性。本文提到的影响因素的作用规律不一定适用于常规地埋管地源热泵系统。
2) 中深层双U形地埋管热泵系统与常见的太阳能复合地源热泵蓄热系统相比，系统费用年值降低了44.53%，在寿命周期内体现出更佳的适用性。
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