土壤源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設計探究

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1、土壤源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設計探究　　【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)化的設計會造成資源的嚴重浪費[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

2、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鍵作用，文章通過初步設計參數(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建筑概況及初步設計6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荷進行模擬，得到該辦公建筑最大冷負荷為1070kW，最大熱負荷為888kW，經(jīng)過熱響應實驗可知該項目的土壤綜合導熱系數(shù)為1.55w/（m·k）。依照計算負荷與地源熱

3、泵系統(tǒng)的設計原則，對該項目進行選型，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熱蓄熱系統(tǒng)為研究基礎的仿真模型——DST（ductstoragesystem）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)進行與載熱流體的對流換熱，管外進行與土壤之間的

4、導熱換熱。DST模型將鉆孔內(nèi)外的換熱完全作為一個整體計算，計算時需要設定土壤、循環(huán)流體、回填材料、U形管的相關熱物性參數(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、水源側流量等。2.2Matlab無級調(diào)節(jié)模塊6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—水熱泵模塊基礎上添

5、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type9datareader模塊以文本格式讀入建筑全年逐時冷熱負荷，并通過type682將建筑負荷轉化為系統(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

6、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荷下的性能參數(shù)得到機組的實際功耗，以達到實際工程中熱泵的無級調(diào)節(jié)。模型結構圖如圖1所示。3系統(tǒng)優(yōu)化設計3.1優(yōu)化指標實際的土壤源熱泵工程一旦開工，就需要進行較為大型的投資建設，因此通過合理的工程經(jīng)濟分析，使系統(tǒng)配置達到最大限度的合理化是十分重要的。6動態(tài)費用年值法[3]，是指用動態(tài)法進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攤到各使用年限中，與年經(jīng)

7、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)水泵耗電量分別進行模擬，并進一步計算得到了不同

8、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果見表1。通過對表1數(shù)據(jù)分析可知：（1）由于建筑冷負荷大于熱負荷，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。6（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