耦合抽-灌井式土壤源热泵系统经济性分析

摘要：简单介绍所研究的耦合抽-灌井式土壤源热泵系统。以天津某工业区的办公楼为例，采用动态费用年值 法，对土壤源热泵系统、耦合抽-灌井式土壤源热泵系统、土壤源热泵+冷却塔辅助复合式系统进行了经济性分析比 较。得出耦合抽-灌井式系统比土壤源热泵系统初投资减少29.8%，动态费用年值减少17.5%，因此耦合抽-灌井式土 壤源热泵系统经济性最佳。

前言

地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再 生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可 靠等特点，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能 源。我国地热资源丰富，市场潜力巨大，发展前景 广阔，因此土壤源热泵系统越来越广泛的被应用到 工程实际当中[1]。然而由于土壤源热泵系统对气候 区域性要求严格，负荷不平衡问题较为常见，土壤 源热泵单独作为建筑冷源或热源使用易产生土壤热 失衡问题。

1、耦合抽-灌井式土壤源热泵系统

图1为耦合抽-灌井式土壤源热泵系统简图， 该耦合式系统在原有地埋管换热器井孔布置基础 上，在场区周围设置含水层抽-灌井，从而引起地埋管所在含水层出现强制渗流过程。进而通过增加 地下水的扰动，改善了地埋管井群的换热，使地埋 管换热器的换热能力得到增强[3]。该模型人为的使 地下含水层出现强制渗流，其作为调控土壤热失衡 的有效措施，同时能够有效缓解地埋管换热器“热 短路”、“热干扰”现象的发生。

图1 耦合抽-灌井式土壤源热泵系统简图

2、数学模型

2.1 移动无限长线热源模型

A. Angelotti 和L. Alberti等人在线热源模 型的基础上，建立了移动无限长线热源模型[6]。该 模型将地埋管换热器简化为一个线热源，假定无 限长热源位于z轴，从t=0时刻开始以恒定的单位换热量强度q发热。地下岩土体中有均匀的渗流速度 ν，则多孔介质中的渗流问题可等同于移动热源问 题。井孔外多孔介质具有相同的初始温度Tg0，且 2U型地埋管的深度远远大于钻孔的直径。因此如 果进一步忽略地面作为一个边界条件的影响和钻孔 有限深度的影响，则所讨论的问题简化为二维问 题。可求得多孔介质中移动无限长线热源产生的二 维瞬变温度场为：

当时间接近无穷大，达到稳态条件时，上述方 程可简化为下述形式：

KO是零阶的第二类修正的贝塞尔函数

相应的，如果达西速度变为零，该问题变为在 线热源中的纯导热问题。则在这种情况下，温度响 应变为：

其中Ei 为指数积分函数。

式中：ε—多孔介质的孔隙度

λ0—多孔介质等效导热系数，W/(m·K)

ρf、ρ—地下水、固体介质的密度，kg/m3

cf、c—地下水、固体介质的定压比热容，kJ/ (kg·K)

a—热扩散系数，m2 /s

q—地埋管单位井深换热量，W/m

2.2 地埋管换热负荷计算

对于土壤源热泵的模拟分析，需要把热泵和地埋管换热器结合起来。当热泵在制冷时，地埋管出口温度越低，热泵的能效比越高；当热泵在制热时，地埋管出口温度越低，热泵的能效比越高。地埋管的换热量与建筑冷、热负荷存在如下关系：

式中 Q＇1—夏季向土壤排放的热量，kW

Q1—夏季设计总冷负荷，kW

Q＇2—冬季从土壤吸收的热量，kW

Q2—冬季设计总热负荷，kW

COP1—夏季设计工况下热泵机组的能效比, 取4.2

COP2—冬季设计工况下地源热泵机组的能效 比,取3.8

经过大量工程实践经验统计可得，土壤源热泵 机组在工作运行的情况下，主机在各个负荷下运行 时间表1，由下表可以近似得到空调的运行能耗。

3、实例计算分析

以天津西青区某学府工业区的办公楼为例，办公楼为公共建筑，共三层，建筑总面积13000m2 。 冬季室内设计采暖负荷为1040kW，夏季设计冷负 荷为1300kW。冬季供暖运行时间为11月15日到3月 15日；夏季制冷运行时间为6月1日到9月30日，即冬季和夏季设计运行天数都为120天。每日运行时 间为早上7：00至晚上5：00，共10小时。经计算， 冬夏季冷热负荷不平衡偏差为25%，超过规定值 20%，土壤源热泵系统可以添加辅助设备。因此， 采用3种冷热源方案：（1）不加任何辅助设备的单 纯的土壤源热泵系统；（2）耦合抽-灌井式土壤 源热泵系统；（3）土壤源热泵+冷却塔辅助设备 复合式系统。使用模拟软件Feflow6.1对地埋管井 群换热性能进行模拟，地埋管的基本参数如表2所 示，得到地埋管单位埋深换热量见表3。该办公建 筑体的末端装置采用风机盘管加独立新风系统，在 末端装置确定的情况下，通过不同方案冷热源之间 的对比，分析耦合抽-灌井式土壤源热泵系统的经 济性。

表3中可以发现，方案2中抽、灌井的运行，对 于提高地埋管换热器的换热能力效果显著，故其模 拟结果得到的取值较大。而方案1与方案3中，地埋 管换热器的换热环境相同，其单位埋深换热量取值 也相同。对于方案2，在保证地埋管井群的换热效 果时，又不过多的导致该耦合式系统运行能耗的增 加，按照每45口地埋管设置1口抽水井。同时依 据当地水文地质结构，为确保地下水全部回灌， 按1:3的抽灌比例设置抽、回灌工作井。

方案1和方案2中土壤源热泵机组的容量按夏季 冷负荷选择，方案3中冷却塔调峰运行，承担夏季 与冬季负荷之差的多余冷负荷，故方案3中土壤源 热泵机组的容量按冬季供暖负荷选择。

3.1 地埋管井孔数目的计算

影响土壤源热泵系统初投资和运行成本的因素有很多，在地埋管换热器长度一定时，井孔数目 对系统的初投资和运行能耗有重要影响。井孔数 目可由埋管的总换热量、供冷（热）季节埋管的 平均单位埋深换热量q以及每口井孔地埋管的长 度确定。则地埋管井孔数目n：

经计算，不同方案所需要的地埋管数目不同。 结合工程实际，应选用供暖季或制冷季计算得出井 口数目较多的工况。三种方案中均以夏季冷负荷计 算得出的井口数目最多，其中方案1需要588口，与 其它两种方案相比实际所需要的井口数目最多；方 案二需要417口，与其它两种方案相比实际所需要 的井口数目最少。

3.2 不同方案经济性对比分析

3.2.1 不同方案初投资对比

对各方案初投资进行比较可以看出，初投资按 从大到小的排序方案P1>P3>P2。方案P1的初投资 最高，方案P2初投资最少，方案P1比方案P2的初 投资高出29.8%。从表5中可以发现，地埋管的成 本对系统的初投资有很大的影响，在各个方案中钻 孔费均占整个初投资的50%以上。其中方案2中由 于系统中设置抽、回灌井，地埋管井群换热能力增 加，导致系统中地埋管数量减少，故方案P2初投资 较方案P1明显减少。

3.2.2 不同方案年运行费用

不同方案中年运行费用的对比，方案P3年运 行费用最低，方案P2年运行费用最高。方案2系 统中增加了抽、回灌井的运行，导致系统能耗增 加。方案P2年运行费用比方案P2、P3分别高出 2.6%、10.7%。

3.3 动态费用年值

动态费用年值法是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时 间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[9]。初投资和运行费用

这两个指标只能反映出各方案经济性的一个方面， 在决策时只能就各方案某一指标进行比较，具有一 定的局限性。因此动态费用年值法全面的考虑了初 投资和运行费用两种因素，分析评价更加客观。

动态费用年值的计算公式为：

ACj —第 j 方案的费用年值，万元/年；

Pj —第 j 种方案的初投资，万元；

— j 方案的年经营费用，万元/年；

i—基准收益率，一般取8%；

nj —第 j 种方案的寿命周期，年

4、结论

（1）地埋管井孔数目对系统的初投资影响最 大，在进行土壤源热泵系统设计时应充分考虑地埋 管换热器单位埋深换热量。耦合抽-灌井式土壤源 热泵系统井群换热效果较好，因此其所需井口数目 最少，系统初投资较低。

（2）虽然在运行费用方面，耦合式土壤源热泵系统还不具有优势，但其在初投资具有显著的 优势，导致该系统动态费用年值最少，经济性 最佳。耦合式系统具有良好的运行效果和经济 性，将会被越来越广泛应用于建筑供热空调系 统中。

参考文献

[1] 国家发展与改革委员会.《地热能开发利用 “十三五”规划》 [2] Alberto L, Bo Nordell, et al. Influence of regional groundwater flow onground temperature around heat extraction boreholes [J].Geothermics, 2015, 56: 119-127. [3] 马玖辰，张志刚.耦合抽-灌井式埋地换热 系统咸水层传热过程研究[J]. 流体机械. 2015，43 （12）:55-60. [4] 李营，由世俊，张欢.冷却塔复合式地源热 泵系统的运行策略研究[J]. 太阳能学 . 2017，38 （6）:1680-1684. [5] 黄兵，杨昌智.土壤源热泵系统模拟 和经济性评估研究[J]. 流体机械. 2010，38 （6）:75-80. [6] Angelotti A, Alberti L, La Licata I, et al. Energy performance and thermal impact of a borehole heat exchanger in a sandy aquifer: influence of the groundwater velocity [J ].Energy Conversion and Management, 2014, 77: 700-708. [7] 毛会敏.土壤源热泵空调系统的设计与经济 性分析[M]. 硕士学位论文.同济大学.2007. [8] 刘正华.地源热泵系统埋地换热器的理论研 究与经济性分析[D]. 硕士学位论文.哈尔滨工业大 学.2006. [9] 邵洋，蔡亮，张建忠.土壤源热泵系统在 不同岩土类型下的经济性分析[J]. 建筑热能通风空 调.2017，36(3):80-84.