基于TRNSYS的土壤源热泵热平衡问题的影响因素分析

摘要：夏热冬冷这种冷负荷占优地区，若由土壤源热泵系统承担所有的空调负荷，则会造成全年土壤取放热量的不平衡，从而出现常年运行后土壤温度的逐渐上升，降低系统夏季的运行效率，不利于系统持续稳定高效的运行。为此首先利用模拟软件TRNSYS搭建土壤源热泵系统模型，对土壤源热泵系统长期运行性能进行模拟分析，从冬夏累计负荷比、埋管间距、埋管深度、土壤导热系数、回填料导热系数这几个影响因素出发，研究土壤源热泵长期运行的热平衡问题，以期对土壤源热泵系统的合理应用和发展提供支持。

0 引言

土壤源热泵由于其节能、环保、运行安全可靠等诸多优点，在全世界范围得到了广泛的应用。土壤源热泵在欧洲的发展已有近30多年的历史，在瑞士、瑞典、奥地利和德国等国家，居住建筑以独栋别墅为主要建筑形式，土壤源热泵在这些国家主要是为解决采暖问题而发展起来的。在中国，自2005年国务院出台《中华人民共和国可再生能源法》以来，土壤源热泵的市场容量增长速度每年都保持在10%以上。

在中国，土壤源热泵的应用现状不同于其他国家，大规模的地下埋管换热器对系统的长期高效运行提出了严峻的考验，土壤热平衡问题已经成为制约其科学发展的关键因素，因此本文主要针对冷负荷占优地区，即土壤夏季吸热量大于冬季释热量这种情况进行分析，从土壤热平衡问题的各影响因素出发，研究诸如管间距、土壤热物参数、冬夏累计负荷比等因素的影响规律，从而进一步明确土壤热平衡问题，实现量化分析，为解决该问题以推动土壤源热泵系统的科学合理发展提供技术支持。

1 土壤源热泵仿真模型的搭建

1.1 模拟软件TRNSYS简介

TRNSYS软件最早由Wisconsin Madison大学Solar Energy实验室(SEL)开发研制，其涉及的范围较广，可对多种系统的运行状况进行动态仿真。TRN.SYS是模块化的动态仿真软件，所谓模块化，即认为所有系统均由若干个小的系统(即模块)组成，一个模块实现某一种特定的功能。

1.2 模块简介

本文应用TRNSYS17来进行土壤源热泵系统热平衡的影响因素分析，主要用到的模块有：

(1)Type 9：Data Reader(Generic Data Files)，可实现以规定的时间步长从外部文件中读取数据，并对这些数据进行相应的处理，然后将之与TRNSYS中的其他组件相连接。

(2)Type557：Vertical Ground Heat Exchanger，竖直埋管换热器模块有两种形式：u形管换热器、套管换热器。TRNSYS中的地埋管换热器模型是DST(Duct~ound Heat Storage)模型，其最初用来模拟地下热存储系统，其与地埋管换热器模型非常相似，因此，DST模型也被广泛应用于土壤源热泵系统的模拟中。DST模型利用空间重叠法来获得土壤中的温度分布，其主要包括以下3个部分：整个储热装置与外部的热传递;在短时间尺度内钻孔壁周围的热传递;与最近的埋管的稳流热传递。此模型利用数值方法来解决前两个问题，用解析方法来解决第三个问题。

(3)Type927：Water to Water Heat Pump-水水热泵模块将负荷侧水环路与埋管侧水环路相连接，实现了两个环路之间的热量传递。

(4)Typel 10：Variable Speed Pump，变速泵。

1.3 建筑与空调系统简介

本文的模型基于上海市同济大学生态园区的某一实际建筑，该建筑为办公与学生实验用楼，空调设计冷负荷240 kW，热负荷93.4 kW，室外共有84口换热井，均采用单U模式，换热孔深度86 m，孔径为160 nlnl。经热响应实验已经测得各岩土层的土壤热物性参数，取不同岩土层的深度作为加权因子，求得岩土层的平均热物性参数。

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