【摘 要】 以潍坊市某办公楼为研究对象，利用能耗模拟软件建立土壤源热泵系统数值模拟平台。对系统中同一埋管深度、不同钻孔数量的情况进行模拟计算，通过分析比较不同钻孔数量的地埋管出水温度及动态费用年值，得到了该系统的最优钻孔数量。
【关键词】 土壤源热泵 埋管 动态费用年值
地源热泵系统具有明显的节能性，但由于大型公共建筑初投资和运行费用相对较大，没有相对优化的设计会造成资源的严重浪费[1]。利用能耗模拟软件可以有效地解决这一问题。本文对已有的潍坊一办公建筑做了初步选型并利用Trnsys软件搭建了土壤源热泵系统的仿真平台。经过分析可知，地下换热器总长度对系统的初投资及运行费用起着关键作用，文章通过初步设计参数选择了多组钻孔数量，并在所搭建的仿真平台上进行模拟，得到动态费用年值最优的钻孔数量。
1 建筑概况及初步设计
本工程空调面积为6540平方米，一层层高为4.8米，二、三层层高为5.1米。针对该项目搭建模拟平台，利用DeST软件对建筑的全年逐时负荷进行模拟，得到该办公建筑最大冷负荷为1070kW，最大热负荷为888kW，经过热响应实验可知该项目的土壤综合导热系数为1.55w/（m·k）。依照计算负荷与地源热泵系统的设计原则，对该项目进行选型，选择SSD_DH水源热泵螺杆机组1台，制冷量1400kW，制热量1081kW。系统中钻孔半径为150mm，埋管深度10m，钻孔数为126个，换热器为De32的单U型高强度聚乙烯管。
2 土壤源热泵系统主要部件数学模型
2.1 地埋管换热器模型
本文采用的地埋管换热器模型为以地热蓄热系统为研究基础的仿真模型——DST（duct storage system）模型[2]。该蓄热体为以竖直轴对称的柱热源模型，且地埋管被假定为均匀地放置在蓄热体内，管内进行与载热流体的对流换热，管外进行与土壤之间的导热换热。DST模型将钻孔内外的换热完全作为一个整体计算，计算时需要设定土壤、循环流体、回填材料、U形管的相关热物性参数以及钻孔的尺寸和数量，U形管的布置形式（单或双U管）、连接方式并联串联等。除此之外还要有输入参数，包括地埋管换热器的进水温度、流量、蓄热体顶部温度和大气温度。经过计算可以得到输出参数：地埋管换热器出水温度、水源侧流量等。
2.2 Matlab无级调节模块
由于系统中水—水热泵为单级热泵，这与实际运行采用的可实现无级调节的水源螺杆热泵机组不符，因此本文在搭建土壤源热泵模型时，在水—水热泵模块基础上添加了利用Matlab编写的无级调节模块，模块中通过建筑逐时负荷计算出用户所需冷冻水温度，而流量依然由原有的水—水热泵机组模型提供，从而得到部分负荷下的热泵机组的实际功耗。同时，供热、供冷模块将信号传入无级调节模块，实现热泵分时段运行。综合以上内容，改仿真平台可以模拟出符合实际工程的热泵变频情况。
2.3 仿真模型的搭建
本文利用type9 data reader模块以文本格式读入建筑全年逐时冷热负荷，并通过type682将建筑负荷转化为系统的流量需要量。但由于模拟软件中只能模拟单级热泵，这与实际运行采用的可实现无级调节的水源螺杆热泵机组不符，因此本文在搭建土壤源热泵模型时，在水水热泵模块基础上添加了利用matlab编写的无级调节模块，该模块可以通过部分负荷下的性能参数得到机组的实际功耗，以达到实际工程中热泵的无级调节。模型结构图如图1所示。
3 系统优化设计
3.1 优化指标
实际的土壤源热泵工程一旦开工，就需要进行较为大型的投资建设，因此通过合理的工程经济分析，使系统配置达到最大限度的合理化是十分重要的。 动态费用年值法[3]，是指用动态法进行的年计算费用分析，其实质就是将项目初投资的资金现值按其实践价值等额分摊到各使用年限中，与年经营成本相加，其值最小者为最优方案。
动态费用年值法公式：
（1）
其中：AW为费用年值，元；——初投资，元；i 为利率，一般取8%；m为使用寿命，年；为年经营成本，元。
3.2 优化设计
由公式（1）可以得知，对动态费用年值起决定作用的是系统的初投资与运行费用。钻孔数量不仅影响初投资也影响热泵和循环水泵的运行费用，因此本文选择初始设计得到的钻孔数量临近的数值，利用模拟软件中搭建的可以使热泵实现无级调节的土壤源热泵系统，对系统的土壤平均温度、夏季地埋管最高出水温度、热泵COP、循环水泵耗电量分别进行模拟，并进一步计算得到了不同钻孔数量下的动态费用年值，该项目钻孔费用为65元/m。土壤源热泵系统在运行前15年中土壤的冷热不平衡具体结果见表1。
通过对表1数据分析可知：
（1）由于建筑冷负荷大于热负荷，因此土壤温度变化呈上升趋势且系统运行15年的过程中土壤温度变化随着钻孔数量的增多而降低，但温度变化在合理范围内，这也可以说明模拟平台搭建的合理性。
（2）冬季地埋管最低出水温度随着钻孔数量增多逐渐增加，在《地源热泵系统工程技术规范GB50366-2009》中要求夏季运行期间，不添加防冻剂的地埋管换热器出口温度不宜超过33℃，因此低于113个钻孔不利于系统的正常运行。
（3）热泵年运行费用随着钻孔数量的增多逐渐降低，而本文中的系统模型中水泵为定频泵，因此对其只进行供冷供热的启停控制，故运行费用不变。
（4）由6组数据对比可知，动态费用年值与热泵运行费用成反比，这说明钻孔的初投资对系统的费用年值影响更大。故结合分析（2）综合考虑可知，系统的钻孔数量定为113时更为合理。
4 结语
（1）针对实际的工程提出了合理的系统形式即土壤源热泵系统，并利用模拟软件搭建了系统仿真平台，并利用Matlab创建了可使热泵实现多级调节的模块，保持土壤在系统运行15年期间的热平衡。
（2）确定钻孔数量为对土壤源热泵系统费用年值影响最大的变量，并对不同钻孔数量下的系统进行模拟，比较得出最为合理的钻孔数，达到对该系统优化设计的目的。
参考文献：
[1]Jefferey D.Simulation and design of ground source heat pump systems [J].Journal of Shandong University of architecture and engineering，2003，18（1）：1～9.
[2]花莉，范蕊，潘毅群，黄治钟.复合式地源热泵系统的回顾与发展[J].制冷与空调，2011，26（5）：518～525.
[3]管昌生，门小静.地源热泵系统动态经济性分析[J].节能，2009，9：46～48.