【摘 要】 以濰坊市某辦公樓為研究對象，利用能耗模擬軟件建立土壤源熱泵系統(tǒng)數(shù)值模擬平臺。對系統(tǒng)中同一埋管深度、不同鉆孔數(shù)量的情況進(jìn)行模擬計算，通過分析比較不同鉆孔數(shù)量的地埋管出水溫度及動態(tài)費用年值，得到了該系統(tǒng)的最優(yōu)鉆孔數(shù)量。
【關(guān)鍵詞】 土壤源熱泵 埋管 動態(tài)費用年值
地源熱泵系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能性，但由于大型公共建筑初投資和運行費用相對較大，沒有相對優(yōu)化的設(shè)計會造成資源的嚴(yán)重浪費[1]。利用能耗模擬軟件可以有效地解決這一問題。本文對已有的濰坊一辦公建筑做了初步選型并利用Trnsys軟件搭建了土壤源熱泵系統(tǒng)的仿真平臺。經(jīng)過分析可知，地下?lián)Q熱器總長度對系統(tǒng)的初投資及運行費用起著關(guān)鍵作用，文章通過初步設(shè)計參數(shù)選擇了多組鉆孔數(shù)量，并在所搭建的仿真平臺上進(jìn)行模擬，得到動態(tài)費用年值最優(yōu)的鉆孔數(shù)量。
1 建筑概況及初步設(shè)計
本工程空調(diào)面積為6540平方米，一層層高為4.8米，二、三層層高為5.1米。針對該項目搭建模擬平臺，利用DeST軟件對建筑的全年逐時負(fù)荷進(jìn)行模擬，得到該辦公建筑最大冷負(fù)荷為1070kW，最大熱負(fù)荷為888kW，經(jīng)過熱響應(yīng)實驗可知該項目的土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.55w/（m·k）。依照計算負(fù)荷與地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計原則，對該項目進(jìn)行選型，選擇SSD_DH水源熱泵螺桿機組1臺，制冷量1400kW，制熱量1081kW。系統(tǒng)中鉆孔半徑為150mm，埋管深度10m，鉆孔數(shù)為126個，換熱器為De32的單U型高強度聚乙烯管。
2 土壤源熱泵系統(tǒng)主要部件數(shù)學(xué)模型
2.1 地埋管換熱器模型
本文采用的地埋管換熱器模型為以地?zé)嵝顭嵯到y(tǒng)為研究基礎(chǔ)的仿真模型——DST（duct storage system）模型[2]。該蓄熱體為以豎直軸對稱的柱熱源模型，且地埋管被假定為均勻地放置在蓄熱體內(nèi)，管內(nèi)進(jìn)行與載熱流體的對流換熱，管外進(jìn)行與土壤之間的導(dǎo)熱換熱。DST模型將鉆孔內(nèi)外的換熱完全作為一個整體計算，計算時需要設(shè)定土壤、循環(huán)流體、回填材料、U形管的相關(guān)熱物性參數(shù)以及鉆孔的尺寸和數(shù)量，U形管的布置形式（單或雙U管）、連接方式并聯(lián)串聯(lián)等。除此之外還要有輸入?yún)?shù)，包括地埋管換熱器的進(jìn)水溫度、流量、蓄熱體頂部溫度和大氣溫度。經(jīng)過計算可以得到輸出參數(shù)：地埋管換熱器出水溫度、水源側(cè)流量等。
2.2 Matlab無級調(diào)節(jié)模塊
由于系統(tǒng)中水—水熱泵為單級熱泵，這與實際運行采用的可實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)的水源螺桿熱泵機組不符，因此本文在搭建土壤源熱泵模型時，在水—水熱泵模塊基礎(chǔ)上添加了利用Matlab編寫的無級調(diào)節(jié)模塊，模塊中通過建筑逐時負(fù)荷計算出用戶所需冷凍水溫度，而流量依然由原有的水—水熱泵機組模型提供，從而得到部分負(fù)荷下的熱泵機組的實際功耗。同時，供熱、供冷模塊將信號傳入無級調(diào)節(jié)模塊，實現(xiàn)熱泵分時段運行。綜合以上內(nèi)容，改仿真平臺可以模擬出符合實際工程的熱泵變頻情況。
2.3 仿真模型的搭建
本文利用type9 data reader模塊以文本格式讀入建筑全年逐時冷熱負(fù)荷，并通過type682將建筑負(fù)荷轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的流量需要量。但由于模擬軟件中只能模擬單級熱泵，這與實際運行采用的可實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)的水源螺桿熱泵機組不符，因此本文在搭建土壤源熱泵模型時，在水水熱泵模塊基礎(chǔ)上添加了利用matlab編寫的無級調(diào)節(jié)模塊，該模塊可以通過部分負(fù)荷下的性能參數(shù)得到機組的實際功耗，以達(dá)到實際工程中熱泵的無級調(diào)節(jié)。模型結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
3 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計
3.1 優(yōu)化指標(biāo)
實際的土壤源熱泵工程一旦開工，就需要進(jìn)行較為大型的投資建設(shè)，因此通過合理的工程經(jīng)濟分析，使系統(tǒng)配置達(dá)到最大限度的合理化是十分重要的。 動態(tài)費用年值法[3]，是指用動態(tài)法進(jìn)行的年計算費用分析，其實質(zhì)就是將項目初投資的資金現(xiàn)值按其實踐價值等額分?jǐn)偟礁魇褂媚晗拗�，與年經(jīng)營成本相加，其值最小者為最優(yōu)方案。
動態(tài)費用年值法公式：
�。�1）
其中：AW為費用年值，元；——初投資，元；i 為利率，一般取8%；m為使用壽命，年；為年經(jīng)營成本，元。
3.2 優(yōu)化設(shè)計
由公式（1）可以得知，對動態(tài)費用年值起決定作用的是系統(tǒng)的初投資與運行費用。鉆孔數(shù)量不僅影響初投資也影響熱泵和循環(huán)水泵的運行費用，因此本文選擇初始設(shè)計得到的鉆孔數(shù)量臨近的數(shù)值，利用模擬軟件中搭建的可以使熱泵實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)的土壤源熱泵系統(tǒng)，對系統(tǒng)的土壤平均溫度、夏季地埋管最高出水溫度、熱泵COP、循環(huán)水泵耗電量分別進(jìn)行模擬，并進(jìn)一步計算得到了不同鉆孔數(shù)量下的動態(tài)費用年值，該項目鉆孔費用為65元/m。土壤源熱泵系統(tǒng)在運行前15年中土壤的冷熱不平衡具體結(jié)果見表1。
通過對表1數(shù)據(jù)分析可知：
（1）由于建筑冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷，因此土壤溫度變化呈上升趨勢且系統(tǒng)運行15年的過程中土壤溫度變化隨著鉆孔數(shù)量的增多而降低，但溫度變化在合理范圍內(nèi)，這也可以說明模擬平臺搭建的合理性。
�。�2）冬季地埋管最低出水溫度隨著鉆孔數(shù)量增多逐漸增加，在《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范GB50366-2009》中要求夏季運行期間，不添加防凍劑的地埋管換熱器出口溫度不宜超過33℃，因此低于113個鉆孔不利于系統(tǒng)的正常運行。
�。�3）熱泵年運行費用隨著鉆孔數(shù)量的增多逐漸降低，而本文中的系統(tǒng)模型中水泵為定頻泵，因此對其只進(jìn)行供冷供熱的啟�？刂�，故運行費用不變。
�。�4）由6組數(shù)據(jù)對比可知，動態(tài)費用年值與熱泵運行費用成反比，這說明鉆孔的初投資對系統(tǒng)的費用年值影響更大。故結(jié)合分析（2）綜合考慮可知，系統(tǒng)的鉆孔數(shù)量定為113時更為合理。
4 結(jié)語
�。�1）針對實際的工程提出了合理的系統(tǒng)形式即土壤源熱泵系統(tǒng)，并利用模擬軟件搭建了系統(tǒng)仿真平臺，并利用Matlab創(chuàng)建了可使熱泵實現(xiàn)多級調(diào)節(jié)的模塊，保持土壤在系統(tǒng)運行15年期間的熱平衡。
�。�2）確定鉆孔數(shù)量為對土壤源熱泵系統(tǒng)費用年值影響最大的變量，并對不同鉆孔數(shù)量下的系統(tǒng)進(jìn)行模擬，比較得出最為合理的鉆孔數(shù)，達(dá)到對該系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的目的。
參考文獻(xiàn)：
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