基于岩土失调温度限值的土壤源热泵系统土壤蓄能状态评价摘要：基于岩土失调温度限值、建筑负荷特征、传热机理等多参数耦合的分析方法，提出了系统节能率、系统总运行费用现值和系统失效指标等评价指标，并建立了土壤蓄能状态评价体系.以评价体系为基础，通过CFD软件建立三维地下埋管管群数值计算模型，构建了评价全寿命周期内的土壤源热泵系统土壤蓄能状态的计算方法.计算和分析结果表明，评价体系和计算方法不仅可以较客观地反映土壤的蓄能状态，同时能够预测基于实际工程运行特性下的岩土失调温度限值范围和全寿命周期内节能性和经济性的失效时间点.关键词：土壤源热泵；全寿命周期；温度限值；CFD模拟；土壤蓄能状态：TU381文献标识码：A目前中国的土壤源热泵系统发展越来越快，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，土壤蓄能状态问题已经成为制约其科学发展的关键因素.花莉等[1]利用TRNSYS软件进行热平衡问题影响分析，研究了冷热负荷比较大时系统运行50年间COP的变化，并进行单因素分析得出缓解由于冷热不平衡而引起的土壤温升的措施，但模拟中未将建筑负荷比与埋管工况等进行多参数耦合分析，所以其结论对具体工程指导性不强.范蕊等[2]将夏季土壤吸热负荷100kW，冬季土壤放热负荷50kW定义为土壤全年热不平衡率为50%；冬夏季负荷相等定义为土壤全年热不平衡率为0%，其定义没有考虑土壤的自平衡能力和建筑负荷与埋管取（释）热负荷的耦合关系等因素.林东超等[3-4]提出土壤热失衡问题应从冬夏空调负荷情况、地埋管换热器的间距、地埋管换热器系统构成和实际运行情况等各方面进行考虑，拟定系统不同负荷下的运行策略，但未能建立以实际工程为基础的三维管群模型，也没有建立建筑负荷与机组出力负荷之间的耦合关系式.杨卫波等[5]建立了部分埋管群的模型，计算了十年间的土壤温度变化，得出冷负荷热比较大时，土壤温升较为明显，且温升与负荷比呈正相关，但因为模型仍存在一定的假定条件，也未以全寿命周期为基础进行分析，所以未能给出土壤温度对热泵系统失效的限值.由于目前土壤蓄能状态评价模型的缺失，定义的不明确，地下三维管群模型的失真度较高，造成热平衡理论研究的突破点较少.所以越来越多的研究偏向于从实际工程出发，基于测试数据，对土壤蓄能状态进行分析评判.杨红辉等[6]实地测试北京某工程的单U管和双U管的换热情况，得出虽然冷热负荷差存在一定不匹配，但是大地可以平衡一部分冷热负荷差，但是其测试未能取得管群的影响效果，也未给出大地自我调节的极限温度值.范龙华等[7-9]已经意识到土壤蓄能失衡的主要原因是冬夏季负荷不等，但是埋管深度、管间距和建筑负荷等因素也存在影响，根据工程实际提出了分区运行，间歇运行，增加冰蓄冷系统等策略，但是仍处于定性分析的阶段，未能给出土壤蓄能失调温度限值和辅助冷热源开启时机等参数的定量结果.杨昌智等[10]创造性地提出单位井深换热成本指数，将运行费用与换热能力结合，在一定程度上反映系统的经济性，但是未将末端和机组的运行费用考虑在内.目前研究中用到的土壤源热泵土壤失效温度基本取自GB50366―2005《地源热泵系统工程技术规范》，而规范中的温度限值仅仅是保证机组正常运行的低位冷却水/辅热水温度范围，当作为岩土温度限值时并不能保证热泵系统的经济性和节能性.缺少对土壤蓄能状态的评价和定义，缺乏多参数耦合分析，无法建立与实际工程高度仿真的埋管三维管群模型，这是目前对土壤源热泵系统热平衡问题分析的不足之处.对于土壤源热泵的土壤蓄能状态分析仅仅停留在冬夏季负荷或累计负荷比上进行估算是不科学的，必须将建筑负荷特征，机组级数控制，传热机理，埋管工况等多参数耦合建模，考虑动态能效，进行全寿命周期内土壤蓄能状态的分析[11].在已有研究成果的基础上，针对目前研究的不足，笔者建立了以系统节能率、系统总运行费用现值和系统失效指标为基础的土壤蓄能状态的评价模型以及土壤蓄能状态；引入机组动态能效，以建筑末端负荷和非稳态三维管群模型为基础[12]，考虑整个寿命周期内系统运行工况，提出了一种分析评价土壤源热泵系统的土壤蓄能状态的一般计算方法.1评价...