土壤源热泵系统埋管间距对地温平衡的影响

摘要：本文综合运用能耗模拟软件IES-VE及地源热泵系统设计软件Geo-Star，针对埋管间距对地温平衡的影响进行研究。对案例项目运用土壤源热泵系统的最佳埋管间距提出了建议，并为以后其它项目相关问题的分析提供了方法与依据。

关键词：土壤源热泵埋管间距 地温平衡 模拟

中图分类号：Q938文献标识码： A

1 引言

地源热泵系统是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术的环保能源利用系统。地源热泵系统利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环系统，实现节能减排的功能。地源热泵技术具有显著的节能与环保效益，日益受到人们的重视。以土壤作为蓄冷/蓄热体的地源热泵系统，更因其适应性广、不破坏地下水资源，被广泛的应用。地埋管换热器与土壤进行热交换，地温平衡是保证水源热泵机组正常工作以及整套系统高效运行的关键所在。影响地温平衡的因素有很多，包括：岩土参数、填充材料的导热系数、累计冷热负荷比、埋管长度、埋管间距、以及间歇运行等等。土壤源热泵系统的设计需要综合考虑以上各因素，保证地温平衡进而使得系统高效长久的运行。本文以天津市某项目为例以某一项目为例，首先运用能耗模拟软件IES-VE模拟计算出全年的逐时负荷，再将逐时负荷文件导入到地源热泵设计模拟软件Geo Star中，模拟地源热泵系统中不同埋管间距对地温平衡的影响。

2 工程概况

该项目位于天津市，建筑类型为办公建筑，建筑面积13100，地上10层，地下1层。采用土壤源热泵系统作为空调冷热源。可埋管区域为一地上停车场。该地区浅层地热能勘察报告显示，埋管区域土壤初始平均温度为15℃，岩土的导热系数为2W/（m・ K），比热为1.34kj/（kg・ K），密度为1970kg/m3。

3 全年逐时冷、热负荷计算

3.1模型

IES是由英国IES公司开发的集成化建筑模拟软件，其核心思想是通过建立一个三维模型，来进行各种建筑功能分析，减少了重复建模的工作，保证了数据的准确和工作的快捷。运用IES-VE建立物理模型如下：

图1 建筑物理模型图

围护结构传热系数如下表所示：

表围护结构参数汇总表

3.2室内外设计参数

模拟中采用天津市典型年室外逐时气象参数计算，夏季空调室外计算干球温度为33.9℃，湿球温度为26.8℃，冬季空调室外计算干球温度为 -9.6℃,相对湿度为56%。

夏季室内设计干球温度为26℃，相对湿度为50%，冬季室内设计温度为20℃，相对湿度为30%。

3.3采暖期及空调期时间

该地区采暖期为11月13日-3月13日；空调期为5月15日-9月15日。该办公建筑每天的供暖/冷时间为：7:00-18:00。

3.4照明、设备及人员情况

该模型中主要房间的照明、设备功率密度、使用率及人员密度、在室率等情况如下表所示。

表1 照明、设备及人员情况汇总表

表2 照明灯具逐时使用率

表3 设备逐时使用率

表4 人员逐时在室率

3.5模拟计算结果

模拟计算得出了逐时冷热负荷曲线如下图所示。建筑面积设计冷负荷83.0W/m2，建筑面积设计热负荷64.8W/m2。夏季累计冷负荷与冬季累计热负荷比为1.25。

图2 全年逐时冷热负荷曲线

4地埋管换热器模拟计算

Geo Star是山东建筑大学地源热泵研究所开发研制的。该软件从传热基础理论出发，建立较为准确及完善的竖直埋管传热模型，采用国际通用的g-function算法，指导土壤源热泵系统设计。该软件输入界面包括：工程信息，钻孔参数，U型管参数，岩土参数，循环液参数，热泵参数，建筑负荷及逐时负荷，以及太阳能集热器。下文采用该软件针对土壤源热泵系统中不同埋管间距对地温平衡的影响进行模拟计算。

模拟基础参数如下表所示：

表5 埋管换热器设计模拟基础参数

埋管间距分别设置为3×3、4×4、5×5、6×6、7×7、8×8、9×9、10×10、15×15、20×20、25×25、50×50。

将IES计算出的逐时冷热负荷导入到软件Geo Star的逐时负荷界面，进行20年的设计模拟计算，结果如下：

表6 埋管换热器设计模拟结果汇总

5 结论

本文运用模拟软件，针对土壤源热泵系统不同埋管间距对地温平衡的影响进行了研究。结果表明，第一，埋管间距越大，越有利于地温平衡以及保证地源热泵系统的效率，在此类地质条件及建筑负荷特征条件下，埋管间距6m×6m以上，可以认为对地温影响较小。第二，地温变化时众多因素相互作用的结果，埋管间距对地温的影响是有限的，加大埋管间距可以在一定程度上缓解地温变化，但是当埋管间距足够大后，再增加埋管间距对地温变化影响较小。

同时，通过本文的模拟，当项目的地址条件和负荷特性不利于地温平衡的情况下，可以运用适当加大埋管间距的方法来保证地温平衡，进而保证地源热泵系统的高效运行。本文所做研究为地源热泵系统的精细化设计提供了参考和依据。

参考文献：

1. 中华人民共和国建设部， GB50189-2005公共建筑节能设计标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社.

2.李玉杰，刁乃仁.地热换热器循环温度设定浅析[J]. 节能，2008，（5）：49-51.