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摘要：为了研究地源热泵系统长期运行对土壤温度场、出水温度及机组自身COP的影响，本文基于TRNSYS软件模拟了济南地区某一办公楼冷热负荷和地源热泵系统运行20年后土壤平均温度、出水温度及机组自身COP变化。模拟结果表明：济南地区该系统排热量是取热量的2.07倍，由于冷热不平衡导致土壤平均温度升高约4.85℃，热堆积率为0.24℃/a。地源测出水温度冬/夏季分别增加了4.5℃/5℃，其夏季COP下降了0.45，冬季COP上升了0.1。总体而言，地埋管地源热泵系统较适合应用于济南地区。
关键词：地埋管地源热泵；TRNSYS模拟；出水温度；土壤温度场；COP
Study on the Influence of Ground Source Heat Pump System on Soil Temperature field in Jinan Area
Abstract：In order to study the influence of long-term operation of the ground source heat pump system on soil temperature field，water outlet temperature and COP of the unit itself，Based on TRNSYS software，this paper simulates the cooling and heating load of an office building in Jinan，and simulates the changes of the average soil temperature，water outlet temperature and COP of the ground source heat pump system after 20 years of operation .The simulation results show that：In Jinan area，the heat discharged by this system is 2.07 times of the heat taken out. Due to the imbalance of cold and heat，the average soil temperature increases by about 4.85℃，and the heat accumulation rate is 0.24℃/a. The measured water temperature in the ground source increased by 4.5℃/5℃ in winter and summer，respectively. The COP in summer decreased by 0.45 and that in winter increased by 0.1. In general，the ground source heat pump system is more suitable for application in Jinan area.
Keywords：Ground source heat pump，TRNSYS Simulation，Outlet temperature，Soil temperature field，COP
1 引言
目前，经济的快速发展导致全球能源消耗呈指数级增长，其中建筑能耗约占全国总能耗的28%，采暖空调能耗占建筑使用能耗的65%左右[1]。地源热泵系统以其节能环保、经济等特点得到学者们的关注，其中地埋管地源热泵系统运行费用比常规空调方式小30% 左右[2]。我国地源热泵起步较国外晚，但是发展前景很好。重庆大学刘宪英等人[3]在建设的10KW浅埋竖管换热器地源热泵系统上进行了夏季间歇运行和变水量运行的测试，得出在保持室温21℃~27℃的情况下，地源热泵的EER为3.46；单位埋管深度换热量为90.60W/m。山东建筑工程学院方肇洪[4]提出了分析竖直埋管热换热器钻孔内传热过程的准三维模型，考虑流体工质在深度方向上的温度分布，给出钻孔内热阻的解析表达式并求得有限长线热源在半无限大介质中的瞬态温度响应解析解。同济大学李元旦等[5]结合对土壤源热泵冬季制热工况的实测，研究了土壤源热泵的启动工况，结果表明土壤源热泵的冬季启动时间比夏季短，约为4-5小时；实测获得单位钻孔长的取热率为40~60w/m。陈莹[6]对地埋管换热器钻孔的回填材料进行对比，通过实验得出回填材料的最佳水灰比为0.55，最佳砂灰比为2。郭春梅[7]等人发现严寒地区地埋管换热器分区运行有利于缓解土壤热堆积。Pei[8]等人发现双Ｕ形换热器对岩土温度的影响比单Ｕ形换热器高约13%。
本文基于TRNSYS对济南地区某一办公楼进行了模拟，研究了地埋管地源热泵对土壤温度场、出水温度的影响以及系统运行COP 的变化等。
2 建筑信息
该建筑位于济南地区，建筑面积为1977.25㎡。共四层，包含有办公室，会议室等常规空调区域，具体参数如图2.1、表2.1所示。
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图2.1 办公楼平面图
表2.1 围护结构传热系数
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济南地区典型年的气象数据如图2.2所示。
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图2.2（a）典型年每月平均温度
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图2.2（b）典型年每月平均日照时数/可照时数
3 仿真模型的搭建
3.1负荷动态模拟
利用TRNSYS搭建如图3.1所示的模型，其系统运行参数见表3.1。
表3.1 房间设计参数
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图3.1 建筑负荷模拟界面
建筑物全年动态负荷结果如图3.2所示
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图3.2 建筑负荷模拟结果
由上图可知，冷负荷为正，热负荷为负。排除持续时间较短的极端天气外，夏季最大冷负荷为200KW，冬季最大热负荷为160KW。所选机组制冷量为208kW，制热量为227kW。在制热模式中，冷凝器（使用侧）进水温度为40℃，出水温度为45℃，流量为39m³/h；蒸发器（地源侧）进水温度为10℃，出水温度为6℃，流量为39m³/h；在制冷模式中蒸发器（使用侧）的进水温度为12℃，出水温度为7℃，流量为36m³/h；冷凝器（地源侧）进水温度为25℃，出水温度为30℃，流量为41m³/h。其中冬季热泵制热系数COP为3.5，夏季制冷系数
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为4.2。
3.2系统模拟
冬季和夏季地下换热量是指冬季从土壤吸收的热量和夏季向土壤排放的热量。根据下列公式土壤换热量[9]。
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（3-1）
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为夏季向土壤排放的热量；
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为夏设计季冷负荷。
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（3-2）
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为冬季从土壤中吸收的热量；
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为冬季的设计热负荷。
按照夏季负荷计算地埋管的长度，如下式：
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（3-3）
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TRNSYS搭建的系统模拟界面如图3.3所示。
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图3.3 系统模拟界面
4 模拟结果及分析
4.1 8760小时运行模拟
将系统按照设置模式运行，模拟了土壤平均温度、地源侧出水温度、负荷侧出水温度和机组COP的变化，其8760小时运行模拟结果如图4.1所示。
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图4.1（a）地源侧出口温度
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图4.1（b）土壤平均温度与负荷侧出水温度
由图4.1（a）可知，夏季地源侧出水温度大约在20.5℃到23.0℃之间，冬季出水温度在13.2℃到15.2℃之间；由图4.1（b）可知，冬季土壤平均温度在14.8℃到15.1℃，夏季土壤平均温度在15℃到16.7℃；负荷侧冬季出水温度为45℃，夏季为7℃。
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图4.1（c）热泵机组全年cop数值模拟
由图4.1（c）可得：冬季刚开始供暖时负荷较小，随着热负荷的增大 cop达到最大为3.2，同理，夏季冷负荷接近额定制冷量时cop达到最大为4.1。
4.2 长期运行模拟
为了研究长期运行时土壤温度的变化以及系统cop的变化，本文将模拟时间延长为二十年，分析系统的COP和土壤平均温度。运行结果如图4.2所示。
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图4.2（a）模拟运行20年地源侧出口水温变化
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图4.2（b）模拟运行20年土壤平均温度变化
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图4.2（c）模拟运行20年机组cop变化
由图4.2（a）可见地源侧出口温度逐年上升，冬季温度从开始的14℃左右到运行20年后的18.5℃，增加了4.5℃；夏季出口温度从开始的21.5℃到运行20年后的26.5℃，增加了5℃。由图4.2（b）可知土壤的平均温度也在逐年增加，夏季平均温度从第一年的16.7℃到最后的21.6℃，增加了4.9℃，冬季土壤平均温度从第一年的15.1℃到最终的19.9℃增加了4.8℃；从图4.2（c）可以看出机组夏季cop呈逐年下降趋势，第一年的最大值为4.1变为最后的最大值3.65，冬季的cop呈逐年上升趋势但变化不是很大，但从第一年的3.2上升到3.3。
此系统夏季累计排热1227096.00MJ，冬季累计吸热量为592479MJ。排热量大于放热量，土壤温度降逐年升高，造成夏季地埋管与土壤间的温差减小，换热能力下降，导致地埋管出口温度升高，cop下降。但是土壤温度的升高在冬季使得地埋管与土壤的温差加大，增强了换热能力有利于热泵冬季的吸热运行。
5 结论
（1）地源热泵系统夏季排热为1227096.00MJ，冬季取热592479.36MJ，排热量是取热量的2.07倍。
（2）经过20年运行后，土壤平均温度升高4.85℃，热堆积率为0.24℃/a。
（3）经过20年运行后，地源测出水温度冬季增加了4.5℃，夏季增加了5℃。
（4）经过20年运行后，机组夏季COP下降了0.45，冬季COP上升了0.1。
参考文献：
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