夏热冬冷地区地源热泵系统岩土蓄能失调计算方法与评价研究

Ground source heat pump (GSHP) system is an efficient indoor environment control system of building. The heat stored in the earth is transferred to or from building, and the stability of underground thermal condition guarantees normal system operation. The heat rejection to and extraction from the ground are unsteady, and long-term underground thermal imbalance can deteriorate the efficiency of GSHP system and even paralyze the whole system, which will directly influence the indoor environment quality of building. To solve the academic problem of how thermal imbalance ratio influences GSHP system with vertical boreholes, considering multiple parameters including different geological structures, heat load characteristics and dynamic energy saving ratio, the calculation method and model of thermal energy storage maladjustment in hot summer and cold winter area will be proposed. While current researches on judgment of thermal energy storage maladjustment does not base on the multi-parameter analysis of thermal response mechanism, thus the calculation method and evaluation system of thermal energy storage maladjustment with thermal imbalance ratio are expected in academia. By establishing simulation model of multiple parameters coupled three-dimensional ground temperature field, combined with heat transfer characteristics of ground heat exchanger (GHE) field and dynamic energy saving ratio as limit conditions, the calculation method and evaluation system of thermal energy storage maladjustment of vertical GSHP system during life cycle will be achieved, which will be the theoretical foundation of effective control of thermal imbalance of GSHP system.

地源热泵系统是一种高效的建筑室内环境控制系统。岩土作为建筑负荷转移的对象，其蓄能稳定性是环控系统正常运行的前提。岩土对建筑冷热负荷的释放是一个不稳定传热过程，长期的岩土蓄能不平衡将导致地源热泵系统能效逐步降低、甚至系统瘫痪，直接影响建筑室内环境质量。针对竖埋管地源热泵系统中岩土热不平衡率对系统影响的学术性难题，提出了夏热冬冷地区基于地质结构、负荷特征以及动态节能率等多参数影响下的岩土蓄能失调模型和计算方法。目前的岩土蓄能失调性判定还未从多参数共同作用下岩土热响应机理上进行分析，构建评价岩土热不平衡率等因素作用下的岩土蓄能失调计算分析方法更是学术界所期待的成果。通过建立多参数耦合影响条件下的三维岩土温度场仿真计算模型，结合区域地埋管换热特性，以动态节能率为限值条件，获得竖埋管地源热泵系统全寿命周期的岩土蓄能失调计算方法与评价理论，其成果可为竖埋管地源热泵系统蓄能失调的有效控制奠定理论基础。

项目的背景：.地源热泵系统是一种高效的建筑室内环境控制系统。岩土作为建筑负荷转移的对象，其蓄能的稳定性和可靠性是环控系统正常运行的前提。目前不管是工程界还是学术界，均对系统长期蓄能影响因素的判断均缺乏理论基础。其关键突破点是建立多因素耦合影响下的三维计算方法以及可信的理论模型。基于此科学问题，课题提出了解决方法，并得到有效检验，为地源热泵系统的有序推广奠定了基础。.主要研究内容：.提出了夏热冬冷地区基于地质结构、负荷特征以及动态节能率等多参数影响下的岩土蓄能失调模型和计算方法。构建评价岩土热不平衡率等因素作用下的岩土蓄能失调计算分析方法。通过三维仿真计算方法，结合地埋管管群换热特性，以动态节能率为限值条件，获得竖埋管地源热泵系统全寿命周期的岩土蓄能失调评价理论。.重要成果：.1）建立了多参数耦合影响下的三维温度场仿真计算方法，其结果获得了实验台和工程长期运行数据的检验。.2）通过相似模型方法，建立了1：8的相似模型实验台，该实验台可以进行各种复杂工况的可靠实验。.3）获得了兼顾计算简化与准确性、适用于大规模地埋管群系统长期性能的计算方法。.4）提出了三级指标的蓄能失调评价方法，为蓄能失调的判断建立了理论基础。其方法可避免盲目采用辅助冷热源。.5）根据计算与评价方法，指出了目前国家设计、检测等相关标准的不足，为后期国家标准的完善，建立了理论基础。.关键数据：.（1）建立了夏热冬冷地区典型的岩土物性数据库。.（2）计算模型获得了不同冷热负荷输入对岩土热不平衡率的影响结果。该数据将完善国家标准。.（3）实验验证的渗流模型计算得到了不同渗流条件下对埋管换热性能的影响规律，此结论将重塑行业的传统认识。.科学意义：.蓄能失调的评价方法涉及到负荷与机组特性、岩土热物性、渗流等多种参数的耦合影响，通过完善的三维仿真计算方法的建立，能够将多因素的变边界条件全部耦合在计算模型中，这对于地埋管蓄能理论的完善具备显著理论意义。