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作
者：
鲍晓峰，胡平放，朱娜，雷飞，邢路，王建东，杨阳，林祖栋
摘自《煤气与热力》2021年8月刊
鲍晓峰
，胡平放
，朱娜
，
等
.
夏热冬冷地区地埋管换热器直接供冷系统模拟
［J］.
煤气与热力，
2021，41（8）
：A21-
A24
.
免费供冷技术是指当室内外环境到达一定条件时，采用现有环境下可直接利用的冷源替代制冷机组，满足室内负荷需求的技术。其中，冷却塔免费供冷技术被最早提出，发展最成熟，应用也最广泛。冷却塔免费供冷技术在我国北方及西北地区均可收到一定的节能效果，但受气象条件、建筑负荷、系统形式等因素影响，该技术在其他地区的应用受到了较大的制约
［
1
］
。近年来，不少学者开展了土壤源直接供冷的相关技术研究，并在北方地区取得了良好的应用效果
［
2-5
］
。
我国夏热冬冷地区典型城市主要分布在长江中下游及其周围地区，该地区日平均温度小于等于
5
℃的时间为
60~89 d
，夏季酷热，冬季湿冷，供冷期室外湿球温度基本高于
19
℃，很难达到使用冷却塔进行直接供冷的技术要求。夏热冬冷地区浅层地温大都低于
20
℃，且基本恒定，可满足毛细管辐射供冷的要求
［
6
］
。
毛细管辐射供冷供热技术最早起源于北欧，具有室内舒适性好、高效节能、静音稳定等优点，但由于表面易结露、安装工艺不成熟等原因未得到广泛推广。近年来，随着塑料管加工工艺的进步及运行方案的不断优化，毛细管辐射供冷供热技术重新引起学术界与消费市场重视
［
7
］
。与常规风机盘管相比，毛细管辐射装置对冷热源品质要求更低，可利用地埋管
换热器
、冷却塔等低品位冷源实现部分负荷下的室内供冷需求。且当供水温度高于
20
℃时，辐射面基本不存在结露风险
［
8
］
。
本文以武汉某办公房间为模拟对象，采用模拟方法，研究夏热冬冷地区地埋管换热器直接供冷系统（末端采用毛细管辐射供冷系统）的供冷期工作时段适用时间。采用相同模拟方法，确定合肥、南昌、上海、南京、杭州等夏热冬冷城市供冷期工作时段适用时间。
本文以武汉某高校的
1
间办公室为原型进行建模分析（以下称为模拟房间）。模拟房间位于一幢
4
层实验楼（朝南坐落）
1
楼的西北角，建筑面积为
35
m
2
，吊顶下有效层高
2.7 m
。西侧与北侧为
240 mm
厚外墙，西侧墙上设有
9 m
2
单层推拉窗。南侧为走廊，宽
2 m
。东侧为相邻空调房间（布局同模拟房间），配有分体式空调。模拟房间有内遮阳，太阳辐射得热系数为
0.55
，室内活动人数为
3
人。围护结构面积及传热系数见表
1
。
毛细管辐射吊顶由
8
张毛细管席并联同程连接而成，单张尺寸为
1.0 m
×
2.5 m
。毛细管外直径
4.3 mm
，壁厚
0.8 mm
，间距
20 mm
。模拟房间物理模型见图
1
。
实验楼设有地埋管地源热泵空调系统，钻孔孔径
110 mm
，钻孔深度
60 m
，采用黄沙回填，孔内埋有单
U
形竖直地埋管，外直径
32 mm
，壁厚
2.5 mm
。选取其中
1
眼位置合适的钻孔作为毛细管辐射供冷系统的冷源。土壤热物性测试结果表明，土壤热导率为
2.4 W/
（
m
·
K
），单位体积热容为
1 265 kJ/
（
m
3
·
K
）。循环泵额定输入电功率
400 W
。
采用
TRNSYS
软件进行仿真模拟，供冷期为
5
月
15
日至
9
月
30
日
［
9
］
，供冷时间为工作时段（工作日
9
：
00
—
17
：
00
）。
在仿真平台内将建筑组件（
Type56a
）、地埋管组件（
Type557a
）、循环泵组件（
Type114
）连接形成冷水循环系统。采用天气组件（
Type109
）、空气焓湿量调用组件（
Type33e
）、天空辐射组件（
Type69b
）连接形成气象系统，并将数据导入建筑组件。采用控制器组件（
Type2b
）、时间表组件（
Type14
）、计算器组件（
Equa
）连接形成控制系统。采用输出组件
Ttype65c
）、计算器组件（
equa
）连接形成输出显示系统。相邻空调房间室内温度设定为
26
℃，走廊与模拟房间的温差始终保持为
3
℃，将地面、顶棚视为绝热，西侧与北侧为外墙。
仿真系统结构（软件截图）见图
2
。在建筑组件中模拟房间
Roof
设置时，添加
active layer
建立毛细管辐射供冷系统仿真模型，通过
Auto segmentation
命令，将吊顶划分为
8
个区块，单个区块面积
2.5
m
2
。使用
Edit Building
命令，设置室内人员发热量为
40 W/
人，设备发热量为
50 W
，照明装置发热量为
5 W/m
2
。在地埋管组件设置时，土壤初始温度取
19.4
℃，热影响体（以钻孔为中心的圆柱体，圆柱体高为钻孔深度）体积
3 000 m
3
。其他参数根据实际情况进行设定。
输入数据及控制参数：采用武汉地区典型气象年数据输入气象组件。冷水流量设定为
1 m
3
/h
。循环泵控制策略为：工作时段室内温度高于
27
℃时开启，冷水流量保持
1 m
3
/h
；非工作时段（室内无人且设备关停）关闭，开启外窗自然通风（由软件设定完成）。
供冷期工作时段室内逐时温度见图
3
。在满足室内舒适性需求条件下，当采用吊顶辐射供冷系统时，空调室内设计温度可适当提高至
27
℃
［
10
］
。由图
3
可知，供冷期工作时段室内平均温度为
28.2
℃。供冷期工作时段有
350 h
室内温度低于
27
℃，均分布在供冷初末期：供冷初期有
208 h
，供冷末期有
142 h
。
供冷期工作时段毛细管逐时进出水温见图
4
。由图
4
可知，供冷期工作时段毛细管平均进水温度为
22.2
℃，平均出水温度为
23.7
℃，平均进出水温差为
1.5
℃。
将预期平均评价值（
Predicted Mean Vote
，
PMV
）大于
-1.5
且小于
1.5
的时间作为地埋管换热器直接供冷系统的适用时间。
PMV
是表征人体热冷热感的评价指标
［
11
］
，
PMV
值的
7
级分度见表
2
。
PMV
值由
TRNSYS
软件计算，已知参数：人体代谢率按办公室内轻微劳动人体取
80 W/
m
2
，人体周围空气温度取室内平均温度，人体周围水蒸气分压力、平均辐射温度由
TRNSYS
软件计算（初值分别为
2.5 kPa
、
20
℃），服装热阻取
0.11 m
2
·
K/W
，室内空气流速取
0.2 m/s
。
供冷期工作时段室内逐时
PMV
值见图
5
。由图
5
可知，供冷期工作时段适用时间有
359 h
，绝大多数分布在供冷初末期：供冷初期有
279 h
，供冷末期有
79 h
。
选取夏热冬冷地区
5
座城市，选取当地气象参数并调整土壤热物性参数
［
12
］
，模拟这
5
座城市办公建筑地埋管换热器直接供冷系统的供冷期工作时段适用时间（判定标准仍为
PMV
值大于
-1.5
且小于
1.5
）。除供冷期与武汉不同外，
5
座城市参与模拟的办公室与武汉模拟房间设置相同，循环泵的控制策略也不变。
由模拟结果可知，这
5
座城市供冷期工作时段适用时间绝大多数分布在供冷初末期，供冷初末期工作时段适用时间见表
3
。由表
3
可知，合肥、南昌、上海、南京、杭州地埋管换热器直接供冷系统均有较长的供冷期工作时段适用时间。在配置传统制冷系统的基础上，根据供冷期初末期的工作时段适用时间分布情况，优先采用地埋管换热器直接供冷系统。缩短供冷期传统制冷系统的工作时间，降低整体能耗。
①对于武汉：供冷期工作时段室内平均温度为
28.2
℃。供冷期工作时段有
350 h
室内温度低于
27
℃，均分布在供冷初末期：供冷初期有
208 h
，供冷末期有
142 h
。供冷期工作时段毛细管平均进水温度为
22.2
℃，平均出水温度为
23.7
℃，平均进出水温差为
1.5
℃。以
PMV
值为评价指标，供冷期工作时段适用时间有
359 h
，绝大多数分布在供冷初末期：供冷初期有
279 h
，供冷末期有
79 h
。
②对于合肥、南昌、上海、南京、杭州：以
PMV
值为评价指标，供冷期工作时段适用时间绝大多数分布在供冷初末期，供冷初末期工作时段适用时间分别为
358
、
281
、
495
、
436
、
429 h
。
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