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土壤源热泵评价软件编制及北方地区适宜性研究
北京市建筑设计研究院孟桃
摘要: 北方地区土壤源热泵系统的实施应持慎重态度,否则会因土壤吸、放热不平衡而引起土壤温度累积变化,导致系统效率低下甚至无法运行。本文以研究地温变化为基础,结合多方面限制条件,编制了土壤源热泵适宜性的评价软件,并且应用该软件对我国北方地区五个气候分区、三种功能建筑分别进行模拟评价,给出应用土壤源热泵作为冷热源的适宜性评价与建议。
关键词: 土壤源热泵适宜性评价有限长线源
1. 引言
土壤源热泵作为可再生能源之一,由于土壤吸热与释热量不平衡所导致的地下能量的堆积效应逐渐受到国际社会的关注。目前有许多专家学者从地下换热器换热效果、可行性评价等各方面对其进行研究。然而现有的可行性评价几乎都是针对具体某个工程,对其他工程不具有广泛适用性,欠缺对于土壤源热泵整体适宜性与可行性情况的把握。此外,由于土壤源热泵初投资费用较高,钻孔难度较大,倘若在不适宜的条件下应用土壤源热泵,不但不能达到节能的效果,还造成了巨大的财力资源浪费。
因此,在设计之初需要对土壤源热泵系统适宜性进行评价,并且从宏观上对其适用性进行把握。
2. 钻孔区地下温度场求解
由于本文重点在于对热泵寿命期内长期运行结果的评价与评估,因此以“有限长线源理论”为基础建立地下换热器解析模型,在保证准确的前提下节省更多的人力及时间。
地下换热器模型
在对钻孔外部的土壤进行温度场求解时,应用刁乃仁提出的解析模型[1]。假设钻孔内为一根长为钻孔深度的线热源,相当于对以地表恒温作为边界条件的半无限大温度场进行求解。假设条件如下:
;
,等于土壤初始温度值;
;
、且不随其温度的变化而变化,即具有常物性;
。
将无限长线热源转变为有限长线热源,长度为H,其柱坐标为(0,0)和(0,H)。则一维温度场变为二维温度场:
(1-1)
利用虚拟热源法对其进行求解,得到地下换热器周围土壤中任意一点(r,z)在任意时刻τ所产生的过余温度为:
(1-2)
对其进行无量纲化,令,,,,得到:
(1-3)
地下换热器负荷求解
在实际运行中,热流密度为非稳态的。而公式1-1是基于常热流边界条件的,因此必须对其进行改进。
在长期(20年)的土壤温度模拟中,为了简化计算可适当放大时间步长,取一个月的平均热流作为该月的计算热流,将其等效成以月为单位步长的变热流形式,即将一年12个月简化为12个不同的,进行非稳态的计算。
应用动态能耗模拟软件对一个建筑进行能耗分析,计算出该建筑的全年逐时负荷。对其进行处理,从而得到地下换热器单位长度逐月平均热流密度。负荷处理流程图见图2-1。
图2-1 负荷处理流程
利用阶跃热流来处理变热流问题[2]。在长期运行工况的模拟上,利用叠加脉冲原理来模拟变热流密度,可得τ时刻,(r,z)处的过余温度为:
() (2-1)
其中,,,为计算时刻,为时间步长。在本文计算中,取一个月,则。
此外,利用叠加原理,在任意位置(x,y,z)的过余温度为它附近4个线热源温度响应的叠加。见公式2-2。
(2-2)
其中,,分别为周围4个钻孔中心的横纵坐标,公式中所求点距线热源的距离平方为。
因此,在计算土壤源热泵长期(20年)运行后的土壤温度场时,按照以月为单位的变热流密度的方式建立管群模型,则土壤中任一点(x,y,z)处的过余温度为:
(2-3)
3. 土壤源热泵的适宜性影响因素
节能性指标
与常规能源相比,土壤源热泵必须具备节能性才具备应用的意义,因此节能性是可行性的前提。
节能性的常用指标为“一次能源”利用率PER[3]。本文重点在考察土壤源热泵机组本身的能效,因此在与常规能源进行比较时,主要比较“冷热源”的一次能源利用率,而对于包含各种水泵的系统一次能源利用率不进行比较。供冷季冷源以水冷空调机组为比较对象,供热季热源以锅炉为比较对象。
(1) 对于土壤源热泵,其机组一次能源利用率为:
或(3-1)
式中
——土壤源热泵机组的制热(冷)量,kW;
W——输入土壤源热泵机组的功率,kW;
——电厂的供电效率;
——电网的输送效率,取92%;
——压缩机的电机效率,取90%;
COP——土壤源热泵机组的制热(冷)能效比。
目前,中国供电煤耗为360g标准煤/kWh,煤的热值为29000kJ/kg,那么发电效率为:
(3-2)
(2) 对于水冷电动压缩式冷水机组,需要考虑冷却塔风机的耗电,其一次能源利用率为:
(3-3)
水冷