基于EnergyPlus建筑能耗模拟的土壤源热适用性研究

摘要

土壤源热泵技术利用浅层地热资源作为空调冷热源。系统夏季提取建筑中的热量排放到土壤中暂存，冬季将土壤中的热量抽出满足建筑制热需求。与地面上环境空气相比，地面5m以下土壤温度全年基本稳定且略低于年平均气温，可以在夏季和冬季分别提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度。从热力学原理上讲，土壤是一种比环境空气更好的热泵系统的冷热源。土壤源热泵这种使用可再生能源的建筑空调技术可以降低建筑能耗以及减少温室气体排放，可广泛应用于各类不同建筑。
　　然而具体建筑的建筑负荷特性不同，与土壤换热的土壤负荷情况也不同，在长期运行过程中土壤散热量与土壤取热量的差异可能会引起土壤热(冷)堆积的问题，导致钻孔周围温度逐年上升(下降)，使机组运行工况恶化，效率降低，甚至无法运行；同时，传统空调是在车间设计、组装完成的，地源热泵运行比较依赖现场施工、安装，影响系统运行效率的不确定因素比较多，如果使用前缺乏对具体建筑科学的适用性论证，土壤源热泵运行后相比其它传统空调形式的节能优势将会大打折扣。
　　本文使用建筑能耗模拟软件EnergyPlus对动态建筑负荷作用下，建筑、机组和土壤耦合运行的系统特性进行模拟和分析。通过对同一栋建筑在不同气候区域的运行特性模拟，结果表明不同区域土壤热不平衡程度越大造成土壤温度变化趋势越明显，导致机组效率下降严重；模拟不同功能下该栋建筑长期运行的系统特性，表明不同的运行策略对土壤温度变化影响很大，发现系统的间歇运行有助于土壤温度的恢复，而持续的高负荷运行导致土壤温度变化趋势明显，不利于系统长期运行；比较了独立运行系统与混合运行系统对土壤负荷、土壤温度的不同影响，夏季使用冷却塔辅助散热有效地缓解了热堆积，降低了土壤的逐年温升。
　　本文通过EnergyPlus模拟为具体建筑中土壤源热泵的适用性分析提供了科学可行的方法。