夏熱冬冷地區(qū)混合式地源熱泵間歇運(yùn)行特性與經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化研究一、緒論1.1研究背景與意義隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，成為制約人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。在建筑領(lǐng)域，作為能源消耗的大戶，其能耗占社會(huì)總能耗的比例不斷攀升。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國建筑能耗占社會(huì)總能耗的比例已超過30%，且呈逐年上升趨勢(shì)。在建筑能耗中，供暖、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)的能耗占據(jù)了相當(dāng)大的比重，約為建筑總能耗的50%-70%。因此，降低建筑HVAC系統(tǒng)的能耗，對(duì)于緩解能源短缺和減少環(huán)境污染具有重要意義。夏熱冬冷地區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)、人口密集的區(qū)域，涵蓋了長江中下游及其周邊地區(qū)，包括上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶等省市。該地區(qū)氣候特點(diǎn)顯著，夏季炎熱潮濕，冬季濕冷，年降水量大，日照率低。在這樣的氣候條件下，該地區(qū)的建筑需要同時(shí)滿足夏季制冷和冬季供暖的需求，導(dǎo)致建筑能耗較高。此外，該地區(qū)的建筑大多未按照節(jié)能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能較差，進(jìn)一步加劇了能源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題。傳統(tǒng)的HVAC系統(tǒng)，如空氣源熱泵、燃?xì)忮仩t等，在夏熱冬冷地區(qū)的應(yīng)用存在諸多局限性?？諝庠礋岜迷诙練鉁剌^低時(shí)，制熱效率大幅下降，甚至出現(xiàn)無法正常工作的情況；燃?xì)忮仩t則存在能源消耗大、碳排放高、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。因此，尋求一種高效、節(jié)能、環(huán)保的HVAC系統(tǒng)，成為夏熱冬冷地區(qū)建筑領(lǐng)域亟待解決的問題。地源熱泵作為一種利用淺層地?zé)崮艿母咝Аh(huán)保的供熱和制冷技術(shù)，近年來在夏熱冬冷地區(qū)得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。地源熱泵系統(tǒng)通過地下埋管換熱器與土壤進(jìn)行熱量交換，實(shí)現(xiàn)建筑物的供暖和制冷。與傳統(tǒng)HVAC系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢(shì)。首先，地源熱泵系統(tǒng)利用的淺層地?zé)崮苁且环N可再生能源，取之不盡、用之不竭，符合可持續(xù)發(fā)展的要求；其次，地源熱泵系統(tǒng)的能效比高，能夠顯著降低能源消耗和運(yùn)行成本；再者，地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中幾乎不產(chǎn)生污染物排放，對(duì)環(huán)境友好；此外，地源熱泵系統(tǒng)還具有運(yùn)行穩(wěn)定、噪音低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。然而，地源熱泵系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)。一方面，地源熱泵系統(tǒng)的初投資成本較高，包括地下埋管換熱器的鉆孔、管材、安裝等費(fèi)用，以及熱泵機(jī)組的采購和安裝費(fèi)用，這在一定程度上限制了其推廣應(yīng)用；另一方面，地源熱泵系統(tǒng)的長期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致土壤溫度的變化，進(jìn)而影響系統(tǒng)的性能和效率。如果土壤溫度不能及時(shí)恢復(fù)，可能會(huì)出現(xiàn)“熱堆積”或“冷堆積”現(xiàn)象，導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)的制熱或制冷能力下降。為了解決地源熱泵系統(tǒng)面臨的問題，提高其能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性，本研究提出了混合式地源熱泵間歇運(yùn)行方案?；旌鲜降卦礋岜孟到y(tǒng)結(jié)合了地源熱泵和其他輔助熱源（如冷卻塔、鍋爐等）的優(yōu)點(diǎn)，通過合理配置輔助熱源，能夠有效減少地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，降低土壤溫度的變化幅度，從而提高系統(tǒng)的性能和效率。同時(shí)，間歇運(yùn)行策略可以根據(jù)建筑物的實(shí)際負(fù)荷需求，靈活調(diào)整地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間和功率，進(jìn)一步降低能源消耗和運(yùn)行成本。本研究的意義主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：節(jié)能方面：通過研究混合式地源熱泵間歇運(yùn)行方案，優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略，能夠提高地源熱泵系統(tǒng)的能源利用效率，降低建筑供暖和制冷的能耗，為緩解能源短缺問題做出貢獻(xiàn)。環(huán)保方面：地源熱泵系統(tǒng)利用可再生能源，減少了對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，降低了碳排放和污染物排放，對(duì)改善環(huán)境質(zhì)量具有積極作用?；旌鲜降卦礋岜瞄g歇運(yùn)行方案的實(shí)施，將進(jìn)一步提高地源熱泵系統(tǒng)的環(huán)保效益。系統(tǒng)推廣方面：降低地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行成本是促進(jìn)其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。本研究通過對(duì)混合式地源熱泵間歇運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性分析，為地源熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了經(jīng)濟(jì)可行性依據(jù)，有助于推動(dòng)地源熱泵技術(shù)在夏熱冬冷地區(qū)的普及和發(fā)展。1.2地源熱泵系統(tǒng)概述地源熱泵系統(tǒng)是一種利用淺層地?zé)崮苓M(jìn)行供熱和制冷的高效節(jié)能系統(tǒng)，其工作原理基于逆卡諾循環(huán)。該系統(tǒng)主要由地下?lián)Q熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組和室內(nèi)末端系統(tǒng)三部分組成。按照低位熱源類型的不同，地源熱泵系統(tǒng)可分為地下水地源熱泵系統(tǒng)、地埋管地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。地下水地源熱泵系統(tǒng)通過抽取地下水作為熱源或熱匯，利用地下水的溫度相對(duì)穩(wěn)定的特性，實(shí)現(xiàn)建筑物的供熱和制冷。地埋管地源熱泵系統(tǒng)則是通過在地下埋設(shè)管道，將管道內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)與土壤進(jìn)行熱量交換，從而實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。地表水地源熱泵系統(tǒng)利用江河、湖泊、海洋等地表水作為熱源或熱匯，通過換熱器將地表水中的熱量提取或釋放出來，為建筑物提供供熱和制冷服務(wù)。地源熱泵系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。首先，地源熱泵系統(tǒng)利用的淺層地?zé)崮苁且环N可再生能源，取之不盡、用之不竭，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。據(jù)相關(guān)研究表明，地球表面淺層地?zé)崮苜Y源儲(chǔ)量巨大，相當(dāng)于全球每年能源消耗總量的數(shù)倍。其次，地源熱泵系統(tǒng)的能效比高，能夠顯著降低能源消耗和運(yùn)行成本。在相同的工況下，地源熱泵系統(tǒng)的能效比可比傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)高出30%-50%。再者，地源熱泵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中幾乎不產(chǎn)生污染物排放，對(duì)環(huán)境友好。與傳統(tǒng)的燃煤、燃?xì)忮仩t相比，地源熱泵系統(tǒng)可減少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等污染物的排放，有助于改善空氣質(zhì)量和緩解溫室效應(yīng)。此外，地源熱泵系統(tǒng)還具有運(yùn)行穩(wěn)定、噪音低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)橛脩籼峁└邮孢m、可靠的供熱和制冷服務(wù)。地源熱泵系統(tǒng)的這些優(yōu)勢(shì)使其在建筑節(jié)能領(lǐng)域具有重要的地位和作用。隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，地源熱泵系統(tǒng)作為一種高效、節(jié)能、環(huán)保的供熱和制冷技術(shù)，受到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。在未來的建筑發(fā)展中，地源熱泵系統(tǒng)有望成為建筑節(jié)能的重要手段之一，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。1.3混合式地源熱泵的分類與特征混合式地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)輔助熱源或熱匯的不同，可分為多種類型，常見的有冷卻塔輔助型混合式地源熱泵系統(tǒng)和鍋爐輔助型混合式地源熱泵系統(tǒng)。冷卻塔輔助型混合式地源熱泵系統(tǒng)在夏季制冷時(shí)，當(dāng)?shù)卦礋岜孟到y(tǒng)的排熱量超過土壤的承載能力時(shí)，冷卻塔投入運(yùn)行，分擔(dān)部分排熱任務(wù)，將多余的熱量排放到大氣中，從而減輕土壤的熱負(fù)荷，避免土壤溫度持續(xù)升高導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)性能下降。這種系統(tǒng)適用于夏季制冷負(fù)荷較大、土壤熱容量相對(duì)較小的地區(qū)。其優(yōu)勢(shì)在于能夠有效降低地埋管換熱器的長度和初投資成本，提高系統(tǒng)在夏季的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。例如，在一些人口密集的城市區(qū)域，土地資源有限，采用冷卻塔輔助型混合式地源熱泵系統(tǒng)可以在較小的占地面積內(nèi)滿足建筑物的制冷需求。鍋爐輔助型混合式地源熱泵系統(tǒng)則在冬季供暖時(shí)，當(dāng)?shù)卦礋岜孟到y(tǒng)的供熱量無法滿足建筑物的需求時(shí)，鍋爐啟動(dòng)，補(bǔ)充不足的熱量。這種系統(tǒng)適用于冬季供暖負(fù)荷較大、土壤溫度較低的地區(qū)。其優(yōu)點(diǎn)是可以確保建筑物在寒冷的冬季獲得充足的熱量供應(yīng)，提高系統(tǒng)的可靠性和供暖效果。在北方一些冬季氣候寒冷的地區(qū)，鍋爐輔助型混合式地源熱泵系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，能夠?yàn)榻ㄖ锾峁┓€(wěn)定的供暖服務(wù)。與傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)相比，混合式地源熱泵系統(tǒng)具有顯著的創(chuàng)新和優(yōu)勢(shì)。首先，混合式地源熱泵系統(tǒng)通過引入輔助熱源或熱匯，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤熱平衡的有效調(diào)節(jié)，減少了土壤溫度的波動(dòng)，提高了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和可靠性。傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)在長期運(yùn)行過程中，由于土壤熱不平衡，容易出現(xiàn)“熱堆積”或“冷堆積”現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)性能逐年下降。而混合式地源熱泵系統(tǒng)能夠避免這種情況的發(fā)生，延長系統(tǒng)的使用壽命。其次，混合式地源熱泵系統(tǒng)可以根據(jù)建筑物的實(shí)際負(fù)荷需求，靈活調(diào)整地源熱泵和輔助熱源的運(yùn)行比例，提高了能源利用效率，降低了運(yùn)行成本。在部分負(fù)荷工況下，地源熱泵系統(tǒng)可以單獨(dú)運(yùn)行，充分利用淺層地?zé)崮艿膬?yōu)勢(shì)；當(dāng)負(fù)荷較大時(shí)，輔助熱源及時(shí)投入工作，保證系統(tǒng)的供熱或制冷能力。這種靈活的運(yùn)行模式能夠更好地適應(yīng)建筑物負(fù)荷的變化，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化配置。此外，混合式地源熱泵系統(tǒng)還具有初投資相對(duì)較低的優(yōu)勢(shì)。通過合理配置輔助熱源或熱匯，可以減少地埋管換熱器的規(guī)模和數(shù)量，降低系統(tǒng)的建設(shè)成本，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性，為地源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了更有利的條件。1.4國內(nèi)外研究現(xiàn)狀地源熱泵技術(shù)作為一種高效、環(huán)保的能源利用方式，在全球范圍內(nèi)受到了廣泛的關(guān)注和研究。國內(nèi)外學(xué)者在系統(tǒng)性能優(yōu)化、間歇運(yùn)行策略以及經(jīng)濟(jì)性分析等方面取得了一系列的研究成果，但仍存在一些有待深入探討的問題。在國外，地源熱泵技術(shù)的研究起步較早。早在20世紀(jì)40年代，美國就開始了地源熱泵系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，并取得了一定的成果。隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，地源熱泵技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國家得到了更廣泛的推廣和應(yīng)用。許多學(xué)者對(duì)混合式地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，通過實(shí)驗(yàn)和模擬分析，優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略，提高系統(tǒng)的性能和效率。例如，美國學(xué)者[具體姓名1]通過對(duì)冷卻塔輔助型混合式地源熱泵系統(tǒng)的長期運(yùn)行監(jiān)測(cè)，分析了不同控制策略對(duì)系統(tǒng)性能和土壤溫度的影響，提出了基于土壤溫度的控制策略，有效提高了系統(tǒng)的能源利用效率和穩(wěn)定性。歐洲學(xué)者[具體姓名2]則針對(duì)鍋爐輔助型混合式地源熱泵系統(tǒng)，研究了輔助熱源的啟動(dòng)控制方法，通過優(yōu)化控制策略，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本和能耗。在國內(nèi)，地源熱泵技術(shù)的研究和應(yīng)用起步相對(duì)較晚，但近年來發(fā)展迅速。隨著國家對(duì)節(jié)能減排和可再生能源利用的重視，地源熱泵技術(shù)在我國得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)者在混合式地源熱泵系統(tǒng)的研究方面也取得了不少成果。例如，[具體姓名3]通過對(duì)某實(shí)際工程的混合式地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，研究了不同輔助熱源配置和運(yùn)行策略對(duì)系統(tǒng)性能和經(jīng)濟(jì)性的影響，提出了適合該工程的優(yōu)化方案，降低了系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行成本。[具體姓名4]則針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)，研究了混合式地源熱泵系統(tǒng)在該地區(qū)的適用性和優(yōu)化運(yùn)行策略，通過實(shí)驗(yàn)和模擬分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)在該地區(qū)應(yīng)用的可行性和節(jié)能效果。在間歇運(yùn)行方面，國內(nèi)外學(xué)者主要研究了間歇運(yùn)行對(duì)地源熱泵系統(tǒng)性能的影響以及如何優(yōu)化間歇運(yùn)行策略以提高系統(tǒng)的能源利用效率。國外學(xué)者[具體姓名5]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，合理的間歇運(yùn)行可以有效降低地源熱泵系統(tǒng)的能耗，提高系統(tǒng)的性能系數(shù)，但間歇時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的能耗增加，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。國內(nèi)學(xué)者[具體姓名6]則利用數(shù)值模擬方法，研究了不同間歇運(yùn)行模式下混合式地源熱泵系統(tǒng)的性能變化規(guī)律，提出了基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的間歇運(yùn)行控制策略，能夠根據(jù)建筑物的實(shí)際負(fù)荷需求，靈活調(diào)整地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間和功率，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的能源利用效率。在經(jīng)濟(jì)性分析方面，國內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注地源熱泵系統(tǒng)的初投資成本、運(yùn)行成本以及投資回收期等指標(biāo)。國外學(xué)者[具體姓名7]通過對(duì)多個(gè)地源熱泵項(xiàng)目的成本分析，建立了地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型，分析了不同因素對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響，為地源熱泵系統(tǒng)的投資決策提供了參考依據(jù)。國內(nèi)學(xué)者[具體姓名8]則結(jié)合我國的實(shí)際情況，研究了地源熱泵系統(tǒng)在不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)性差異，通過對(duì)比分析不同供熱制冷方式的成本，得出了地源熱泵系統(tǒng)在一些地區(qū)具有較好經(jīng)濟(jì)性的結(jié)論，并提出了降低地源熱泵系統(tǒng)成本的建議和措施。盡管國內(nèi)外學(xué)者在混合式地源熱泵間歇運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)性方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足。一方面，現(xiàn)有的研究大多集中在理論分析和模擬研究上，實(shí)際工程案例的研究相對(duì)較少，缺乏對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的深入分析和驗(yàn)證，導(dǎo)致研究成果的實(shí)際應(yīng)用效果有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。另一方面，不同地區(qū)的氣候條件、地質(zhì)條件和能源價(jià)格等因素對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性影響較大，現(xiàn)有的研究成果在不同地區(qū)的適用性存在一定的局限性，需要針對(duì)不同地區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行更深入的研究和分析。此外，在混合式地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制方面，還需要進(jìn)一步探索更加有效的方法和策略，以提高系統(tǒng)的能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性。1.5研究?jī)?nèi)容與方法本研究聚焦于夏熱冬冷地區(qū)混合式地源熱泵間歇運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)性，旨在解決地源熱泵系統(tǒng)面臨的初投資高和土壤溫度變化影響性能等問題，提高系統(tǒng)能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性。具體研究?jī)?nèi)容與方法如下：1.5.1研究?jī)?nèi)容混合式地源熱泵系統(tǒng)分析：詳細(xì)剖析混合式地源熱泵系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理及不同類型（如冷卻塔輔助型、鍋爐輔助型）的運(yùn)行特性，深入研究其在夏熱冬冷地區(qū)的適用性，分析該地區(qū)氣候條件對(duì)系統(tǒng)性能的影響。建立系統(tǒng)模型：基于傳熱學(xué)、熱力學(xué)等理論，運(yùn)用專業(yè)模擬軟件（如TRNSYS、EnergyPlus等），構(gòu)建混合式地源熱泵系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和物理模型。模型涵蓋地下?lián)Q熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組、室內(nèi)末端系統(tǒng)以及輔助熱源系統(tǒng)，充分考慮各部分之間的耦合關(guān)系和動(dòng)態(tài)特性。間歇運(yùn)行特性研究：通過模擬和實(shí)驗(yàn)，深入探究混合式地源熱泵系統(tǒng)在間歇運(yùn)行模式下的性能變化規(guī)律。分析不同間歇時(shí)間、運(yùn)行周期、負(fù)荷特性等因素對(duì)系統(tǒng)供熱/制冷量、能效比、土壤溫度場(chǎng)分布等性能指標(biāo)的影響。研究土壤溫度的恢復(fù)特性，確定合理的間歇運(yùn)行策略，以實(shí)現(xiàn)土壤熱平衡的有效維持和系統(tǒng)性能的優(yōu)化。系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析：全面考慮混合式地源熱泵系統(tǒng)的初投資成本，包括設(shè)備購置、安裝調(diào)試、地下埋管施工等費(fèi)用；以及運(yùn)行成本，如能源消耗費(fèi)用、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用、人工管理費(fèi)用等。運(yùn)用生命周期成本（LCC）分析方法，對(duì)系統(tǒng)在不同運(yùn)行策略和工況下的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估。分析影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素，如能源價(jià)格、設(shè)備使用壽命、系統(tǒng)運(yùn)行效率等，并提出降低系統(tǒng)成本、提高經(jīng)濟(jì)性的有效措施和建議。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與案例分析：搭建混合式地源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，如溫度、壓力、流量、功率等，對(duì)比分析模擬值與實(shí)驗(yàn)值的差異，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。選取夏熱冬冷地區(qū)的實(shí)際工程案例，對(duì)混合式地源熱泵間歇運(yùn)行系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行深入分析。總結(jié)工程實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用提供實(shí)際參考依據(jù)。1.5.2研究方法文獻(xiàn)研究法：廣泛查閱國內(nèi)外關(guān)于地源熱泵、混合式地源熱泵、間歇運(yùn)行策略以及經(jīng)濟(jì)性分析等方面的文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)論文、研究報(bào)告、專利文獻(xiàn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。全面了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)和存在的問題，為研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。模型構(gòu)建與模擬法：運(yùn)用專業(yè)模擬軟件建立混合式地源熱泵系統(tǒng)模型，對(duì)系統(tǒng)在不同工況和運(yùn)行策略下的性能進(jìn)行模擬分析。通過模擬，預(yù)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行特性，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)，減少實(shí)驗(yàn)和實(shí)際工程的成本和風(fēng)險(xiǎn)。利用模擬結(jié)果指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施，提高研究的針對(duì)性和有效性。實(shí)驗(yàn)研究法：搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)混合式地源熱泵系統(tǒng)的間歇運(yùn)行特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的各項(xiàng)性能參數(shù)，獲取真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。深入分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示系統(tǒng)在間歇運(yùn)行模式下的內(nèi)在規(guī)律和影響因素，為理論研究和工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。案例分析法：選取夏熱冬冷地區(qū)的典型混合式地源熱泵工程案例，對(duì)其設(shè)計(jì)方案、運(yùn)行管理、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益等方面進(jìn)行詳細(xì)分析?？偨Y(jié)成功經(jīng)驗(yàn)和存在的問題，提出針對(duì)性的改進(jìn)措施和建議，為類似工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。通過案例分析，深入了解混合式地源熱泵系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)技術(shù)的推廣應(yīng)用。理論分析法：運(yùn)用傳熱學(xué)、熱力學(xué)、工程經(jīng)濟(jì)學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)混合式地源熱泵系統(tǒng)的工作原理、性能特性、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行深入分析。建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)計(jì)算公式，從理論層面揭示系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律和影響因素，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制提供理論指導(dǎo)。二、夏熱冬冷地區(qū)氣候、負(fù)荷及蓄能特性2.1夏熱冬冷地區(qū)氣候特征夏熱冬冷地區(qū)是我國氣候分區(qū)中的重要區(qū)域，涵蓋長江中下游及其周邊地區(qū)，包括上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶等省市。該地區(qū)的氣候具有顯著特點(diǎn)，對(duì)建筑能耗和能源需求產(chǎn)生重要影響。從氣溫條件來看，該地區(qū)最冷月平均溫度在0-10℃之間，最熱月平均溫度在25-30℃之間。夏季高溫悶熱，空氣濕度大，風(fēng)速較小，人體散熱困難，導(dǎo)致居民對(duì)制冷需求強(qiáng)烈。例如，在武漢、南京、重慶等城市，夏季氣溫常常超過35℃，甚至在某些極端天氣下，最高氣溫可達(dá)40℃以上。在這樣的高溫環(huán)境下，空調(diào)等制冷設(shè)備的使用頻率和時(shí)長大幅增加，使得建筑制冷能耗急劇上升。冬季則較為濕冷，由于空氣濕度較高，熱量傳導(dǎo)速度加快，人們會(huì)感覺比實(shí)際氣溫更冷。盡管冬季平均氣溫相對(duì)北方地區(qū)較高，但室內(nèi)沒有集中供暖設(shè)施，居民主要依靠電暖器、空調(diào)制熱等方式取暖，這也導(dǎo)致冬季建筑供暖能耗不容小覷。降水方面，該地區(qū)年降水量較大，一般在1000-1500毫米之間，且降水分布不均，主要集中在夏季。充沛的降水在一定程度上影響了太陽能資源的利用效率。在夏季，頻繁的降雨和多云天氣使得太陽能輻射強(qiáng)度減弱，太陽能熱水器、太陽能光伏發(fā)電等設(shè)備的運(yùn)行效果受到影響。例如，在浙江地區(qū)，夏季太陽能光伏發(fā)電量相比晴朗天氣會(huì)減少30%-50%。同時(shí)，降水還可能導(dǎo)致地下水位上升，對(duì)地下埋管換熱器的運(yùn)行產(chǎn)生潛在影響，如增加土壤的含水率，改變土壤的熱物性參數(shù)，進(jìn)而影響地源熱泵系統(tǒng)的換熱性能。日照率方面，該地區(qū)日照偏少，年日照時(shí)數(shù)一般在1500-2000小時(shí)之間。冬季日照時(shí)間短且輻射強(qiáng)度弱，不利于太陽能的充分利用，進(jìn)一步增加了冬季供暖對(duì)其他能源的依賴。以湖南為例，冬季日照時(shí)數(shù)占全年日照時(shí)數(shù)的比例僅為20%-25%，這使得太陽能在冬季供暖中的應(yīng)用受到較大限制。不同典型區(qū)域在氣候上存在一定差異，這也導(dǎo)致能源需求有所不同。在東部沿海地區(qū)，如上海、浙江等地，受海洋氣候影響較大，夏季氣溫相對(duì)內(nèi)陸地區(qū)略低，但空氣濕度更高，制冷需求主要集中在高溫高濕的時(shí)段。同時(shí)，由于沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，商業(yè)建筑和工業(yè)建筑密集，這些建筑的能耗特點(diǎn)與住宅建筑有所不同，對(duì)能源的需求更加多樣化。在中部?jī)?nèi)陸地區(qū)，如湖北、湖南等地，夏季氣溫較高，晝夜溫差相對(duì)較小，制冷能耗在建筑能耗中占比較大。冬季則相對(duì)更為濕冷，供暖需求也較為突出。此外，不同城市的地理環(huán)境和城市熱島效應(yīng)也會(huì)對(duì)局部氣候產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響能源需求。例如，大城市由于人口密集、建筑物眾多、工業(yè)活動(dòng)頻繁，城市熱島效應(yīng)明顯，夏季氣溫比周邊地區(qū)更高，制冷需求相應(yīng)增加。2.2夏熱冬冷地區(qū)建筑能耗與負(fù)荷特性夏熱冬冷地區(qū)的建筑能耗現(xiàn)狀呈現(xiàn)出獨(dú)特的特點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，該地區(qū)建筑能耗以電力和空調(diào)能耗為主。在能源消耗結(jié)構(gòu)中，電力耗能占比最高，約為總能量消耗的66.3%，這主要是由于該地區(qū)居民生活中廣泛使用各類電器設(shè)備，以及建筑中大量采用電力驅(qū)動(dòng)的空調(diào)系統(tǒng)來滿足制冷和供暖需求。空調(diào)能耗在總能耗中也占據(jù)重要比例，約為22.5%，這與該地區(qū)夏季炎熱、冬季濕冷的氣候條件密切相關(guān)，居民和建筑使用者對(duì)空調(diào)的依賴程度較高。從建筑類型來看，住宅的能源消耗是該地區(qū)城市居住建筑中的主要能源消耗來源，占比約為55.2%。住宅能耗高的原因主要包括以下幾個(gè)方面。一方面，該地區(qū)住宅的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能普遍較差，無法有效阻擋室外熱量的傳入和室內(nèi)熱量的散失，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)需要消耗更多的能量來維持室內(nèi)的舒適溫度。例如，許多老舊住宅的外墻采用普通的磚混結(jié)構(gòu)，窗戶多為單層玻璃，這些圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)較大，熱量容易通過墻體和窗戶進(jìn)行傳遞。另一方面，居民的生活習(xí)慣和能源消費(fèi)觀念也對(duì)住宅能耗產(chǎn)生影響。部分居民在使用空調(diào)時(shí)，設(shè)置的溫度不合理，或者長時(shí)間開啟空調(diào)，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。此外，隨著生活水平的提高，居民家中的電器設(shè)備數(shù)量不斷增加，如電視、冰箱、洗衣機(jī)、電腦等，這些設(shè)備的待機(jī)能耗也不容忽視。在商業(yè)建筑和辦公樓中，能源消耗也較為可觀。商業(yè)建筑由于營業(yè)時(shí)間長、人員密度大、空間開闊、照明及各類電器設(shè)備使用頻繁等特點(diǎn)，導(dǎo)致其電負(fù)荷比較集中和穩(wěn)定，全年都存在冷負(fù)荷。例如，商場(chǎng)內(nèi)的照明燈具全天開啟，各類電器設(shè)備如電梯、自動(dòng)扶梯、通風(fēng)系統(tǒng)等運(yùn)行時(shí)間長，使得商場(chǎng)的電負(fù)荷較高。同時(shí)，商場(chǎng)內(nèi)的人員活動(dòng)和商品展示等也會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，增加了冷負(fù)荷需求。辦公樓的能源消耗則與辦公人員的上班時(shí)間和活動(dòng)規(guī)律密切相關(guān)，白天辦公時(shí)間內(nèi)，照明、電腦、打印機(jī)等設(shè)備的使用，以及空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，導(dǎo)致能源消耗較大。建筑冷熱負(fù)荷特性與該地區(qū)的氣候條件緊密相連。夏季，該地區(qū)氣候炎熱潮濕，太陽輻射強(qiáng)烈，建筑冷負(fù)荷主要由圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、太陽輻射得熱、室內(nèi)人員散熱散濕、室內(nèi)設(shè)備散熱等因素構(gòu)成。在日間，由于室外氣溫高，太陽輻射強(qiáng)，建筑內(nèi)外溫差大，室內(nèi)空調(diào)需要制冷來維持舒適溫度，因此負(fù)荷峰值較高。以武漢地區(qū)的某商業(yè)建筑為例，夏季日間12:00-16:00時(shí)段，室外氣溫常常超過35℃，太陽輻射強(qiáng)度大，此時(shí)建筑的冷負(fù)荷達(dá)到峰值，空調(diào)系統(tǒng)需要滿負(fù)荷運(yùn)行才能滿足制冷需求。而在夜間，氣溫相對(duì)較低，自然通風(fēng)效果好，建筑內(nèi)外溫差小，負(fù)荷較低。例如，夜間22:00-次日6:00時(shí)段，室外氣溫下降到28℃左右，自然通風(fēng)能夠帶走部分室內(nèi)熱量，空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷明顯降低，甚至可以暫停運(yùn)行。冬季，該地區(qū)氣候濕冷，建筑熱負(fù)荷主要來自圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、室內(nèi)人員散熱、室內(nèi)設(shè)備散熱等。由于冬季陽光不充足，室內(nèi)外溫差小，室內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定，散熱較慢，日間負(fù)荷峰值相對(duì)較低。但在夜間，氣溫急劇下降，需要使用取暖設(shè)備進(jìn)行供暖，造成能耗峰值。例如，在南京地區(qū)的某住宅，冬季夜間20:00-次日6:00時(shí)段，室外氣溫可降至5℃以下，居民開啟電暖器、空調(diào)制熱等設(shè)備，導(dǎo)致該時(shí)段的熱負(fù)荷明顯增加。負(fù)荷特性對(duì)混合式地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行有著重要影響。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，準(zhǔn)確掌握建筑的冷熱負(fù)荷特性是合理確定地源熱泵系統(tǒng)和輔助熱源設(shè)備容量的關(guān)鍵。如果設(shè)計(jì)容量過大，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備投資增加，系統(tǒng)運(yùn)行效率低下，能源浪費(fèi)；如果設(shè)計(jì)容量過小，則無法滿足建筑的供熱和制冷需求，影響室內(nèi)舒適度。例如，對(duì)于夏季冷負(fù)荷較大的建筑，在設(shè)計(jì)混合式地源熱泵系統(tǒng)時(shí)，需要適當(dāng)增加冷卻塔等輔助散熱設(shè)備的容量，以確保系統(tǒng)能夠及時(shí)排出多余的熱量，維持土壤熱平衡。在系統(tǒng)運(yùn)行方面，負(fù)荷特性決定了地源熱泵系統(tǒng)和輔助熱源的運(yùn)行模式和時(shí)間。根據(jù)建筑負(fù)荷的變化，合理調(diào)整地源熱泵系統(tǒng)和輔助熱源的運(yùn)行比例和時(shí)間，可以提高系統(tǒng)的能源利用效率，降低運(yùn)行成本。在部分負(fù)荷工況下，優(yōu)先運(yùn)行地源熱泵系統(tǒng)，充分利用淺層地?zé)崮埽划?dāng)負(fù)荷較大時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)輔助熱源，確保系統(tǒng)的供熱和制冷能力。此外，負(fù)荷特性還會(huì)影響系統(tǒng)的控制策略，通過對(duì)負(fù)荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，采用智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。2.3夏熱冬冷地區(qū)土壤蓄能策略地質(zhì)條件和土壤熱物性參數(shù)是影響地源熱泵系統(tǒng)性能的重要因素。夏熱冬冷地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多樣，不同區(qū)域的土壤類型和性質(zhì)存在較大差異。在長江中下游平原地區(qū)，土壤主要為沖積土和湖積土，土層深厚，土質(zhì)較為均勻，土壤顆粒細(xì)膩，孔隙率相對(duì)較小。而在丘陵山區(qū)，如江西、湖南等地的部分區(qū)域，土壤多為紅壤、黃壤等，土層較薄，巖石較多，土壤顆粒較粗，孔隙率較大。這些不同的地質(zhì)條件會(huì)對(duì)土壤的熱物性參數(shù)產(chǎn)生顯著影響。土壤的熱物性參數(shù)主要包括導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量和熱擴(kuò)散系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)是衡量土壤傳導(dǎo)熱量能力的重要指標(biāo)，其大小直接影響地下埋管換熱器與土壤之間的換熱效率。在夏熱冬冷地區(qū)，土壤導(dǎo)熱系數(shù)一般在1.0-2.5W/（m?K）之間。例如，在上海地區(qū)的粉質(zhì)黏土中，導(dǎo)熱系數(shù)約為1.5W/（m?K）；而在湖北地區(qū)的砂質(zhì)土中，導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)2.0W/（m?K）左右。熱容量則反映了土壤儲(chǔ)存熱量的能力，它與土壤的成分、含水率等因素密切相關(guān)。土壤的容積熱容量一般在1.5-3.0MJ/（m3?K）之間。當(dāng)土壤含水率較高時(shí)，由于水的熱容量較大，會(huì)使土壤的熱容量相應(yīng)增加。熱擴(kuò)散系數(shù)表示土壤在受熱或冷卻時(shí)，溫度變化的快慢程度，它與導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量有關(guān)。在該地區(qū)，土壤熱擴(kuò)散系數(shù)一般在0.5-1.5×10??m2/s之間。地源熱泵在夏熱冬冷地區(qū)的應(yīng)用具有獨(dú)特的特點(diǎn)。一方面，該地區(qū)氣候條件導(dǎo)致建筑冷熱負(fù)荷差異較大，夏季制冷負(fù)荷和冬季供暖負(fù)荷都比較突出。這就要求地源熱泵系統(tǒng)能夠在不同季節(jié)高效地滿足建筑的供熱和制冷需求。另一方面，由于土壤熱物性參數(shù)的差異，不同區(qū)域的地源熱泵系統(tǒng)性能表現(xiàn)也有所不同。在土壤導(dǎo)熱系數(shù)較高的地區(qū)，地源熱泵系統(tǒng)的換熱效率相對(duì)較高，能夠更有效地提取或釋放土壤中的熱量。然而，長期運(yùn)行過程中，地源熱泵系統(tǒng)與土壤之間的熱量交換會(huì)導(dǎo)致土壤溫度場(chǎng)的變化。如果土壤溫度不能及時(shí)恢復(fù)，會(huì)影響系統(tǒng)的性能和效率，甚至可能出現(xiàn)“熱堆積”或“冷堆積”現(xiàn)象?；旌鲜降卦礋岜孟到y(tǒng)的集成方式主要是將地源熱泵與輔助熱源（如冷卻塔、鍋爐等）進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。在夏季制冷時(shí)，當(dāng)?shù)卦礋岜孟到y(tǒng)的排熱量超過土壤的承載能力時(shí)，冷卻塔投入運(yùn)行，分擔(dān)部分排熱任務(wù)。冷卻塔通過將熱量散發(fā)到大氣中，降低了地源熱泵系統(tǒng)對(duì)土壤的熱負(fù)荷，有助于維持土壤溫度的相對(duì)穩(wěn)定。在一些商業(yè)建筑中，夏季制冷負(fù)荷較大，采用冷卻塔輔助型混合式地源熱泵系統(tǒng)，可以有效減輕土壤的散熱壓力，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在冬季供暖時(shí)，當(dāng)土壤溫度較低，地源熱泵系統(tǒng)的供熱量無法滿足建筑物需求時(shí)，鍋爐啟動(dòng)，補(bǔ)充不足的熱量。鍋爐可以快速提供大量的熱量，保證建筑物在寒冷的冬季能夠獲得足夠的供暖。在一些寒冷的冬季，當(dāng)土壤溫度降至較低水平時(shí)，鍋爐輔助型混合式地源熱泵系統(tǒng)能夠及時(shí)啟動(dòng)鍋爐，滿足建筑物的供暖需求。土壤蓄能策略是混合式地源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行的關(guān)鍵。合理的土壤蓄能策略可以有效利用土壤的蓄熱能力，維持土壤熱平衡，提高系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)性。在夏季，利用土壤的蓄冷能力，將部分多余的冷量?jī)?chǔ)存到土壤中，為后續(xù)的制冷過程提供冷源。通過控制地源熱泵系統(tǒng)和冷卻塔的運(yùn)行時(shí)間和負(fù)荷分配，使土壤在夏季能夠吸收適量的熱量，同時(shí)避免過度蓄熱導(dǎo)致土壤溫度過高。在冬季，利用土壤的蓄熱能力，將之前儲(chǔ)存的熱量釋放出來，滿足建筑物的供暖需求。通過優(yōu)化地源熱泵系統(tǒng)和鍋爐的運(yùn)行模式，充分利用土壤中的蓄熱，減少鍋爐的運(yùn)行時(shí)間和能耗。此外，還可以根據(jù)土壤溫度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整地源熱泵系統(tǒng)和輔助熱源的運(yùn)行參數(shù)，確保土壤溫度始終保持在合理的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)土壤蓄能的最大化利用。三、混合式地源熱泵系統(tǒng)模型建立3.1冷卻塔模型冷卻塔是混合式地源熱泵系統(tǒng)中重要的輔助散熱設(shè)備，其工作原理基于蒸發(fā)散熱和接觸散熱。在冷卻塔內(nèi)部，熱水從頂部進(jìn)入，通過噴淋裝置被均勻地噴灑在填料上，形成一層薄薄的水膜。與此同時(shí)，空氣從底部或側(cè)面進(jìn)入冷卻塔，與水膜充分接觸。在接觸過程中，部分水蒸發(fā)為水蒸氣，吸收了水中的熱量，使得水的溫度降低。這一過程遵循道爾頓定律，即水蒸氣從飽和層向大氣中擴(kuò)散的快慢取決于飽和層的水蒸氣壓力和大氣的水蒸氣壓力差。從熱力學(xué)角度來看，冷卻塔內(nèi)的熱質(zhì)交換過程涉及到焓差驅(qū)動(dòng)力?？諝馀c水之間存在焓差，水的焓值較高，空氣的焓值較低，熱量從水傳遞到空氣，從而實(shí)現(xiàn)水的冷卻。具體而言，水的蒸發(fā)潛熱是熱量傳遞的關(guān)鍵因素。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的蒸發(fā)潛熱約為2260kJ/kg。當(dāng)水蒸發(fā)時(shí)，每蒸發(fā)1kg的水，就會(huì)帶走2260kJ的熱量，使得剩余水的溫度降低。此外，接觸散熱也是冷卻塔散熱的重要方式之一。在空氣與水接觸的過程中，由于兩者之間存在溫度差，熱量通過傳導(dǎo)和對(duì)流的方式從水傳遞到空氣。冷卻塔的性能受到多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的影響，包括空氣流量、水流量、進(jìn)水溫度、環(huán)境濕球溫度等。這些參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)，共同決定了冷卻塔的冷卻能力和效率。空氣流量對(duì)冷卻塔性能有著重要影響。當(dāng)空氣流量增加時(shí)，空氣與水的接觸更加充分，能夠帶走更多的熱量，從而提高冷卻塔的冷卻能力。但如果空氣流量過大，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)能耗增加，同時(shí)可能引起水滴飛濺，造成水資源浪費(fèi)。水流量也是影響冷卻塔性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。水流量過大，會(huì)使水膜過厚，不利于蒸發(fā)散熱和接觸散熱；水流量過小，則無法滿足系統(tǒng)的散熱需求。進(jìn)水溫度和環(huán)境濕球溫度則直接影響了冷卻塔內(nèi)的焓差和傳熱驅(qū)動(dòng)力。進(jìn)水溫度越高，環(huán)境濕球溫度越低，冷卻塔的冷卻效果越好。為了準(zhǔn)確描述冷卻塔的性能，需要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。常見的冷卻塔數(shù)學(xué)模型包括基于焓差法的Merkel模型和基于傳質(zhì)系數(shù)的NTU模型。Merkel模型是目前應(yīng)用最為廣泛的冷卻塔模型之一，它基于焓差法，通過對(duì)冷卻塔內(nèi)的熱質(zhì)交換過程進(jìn)行分析，建立了冷卻塔性能與各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。在Merkel模型中，冷卻塔的冷卻能力與焓差、傳質(zhì)系數(shù)、填料高度等因素有關(guān)。具體表達(dá)式為：\int_{t_2}^{t_1}\frac{dt}{h^*-h}=N_{tu}其中，t_1和t_2分別為進(jìn)水溫度和出水溫度，h^*為與水溫t對(duì)應(yīng)的飽和空氣焓值，h為實(shí)際空氣焓值，N_{tu}為冷卻塔的傳熱單元數(shù)。該模型通過對(duì)積分的計(jì)算，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)冷卻塔在不同工況下的性能。NTU模型則基于傳質(zhì)系數(shù)，通過定義冷卻塔的傳熱單元數(shù)（NTU）來描述冷卻塔的性能。傳熱單元數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)、水流量、空氣流量等因素有關(guān)。NTU模型的表達(dá)式為：NTU=\frac{K_aV}{G}其中，K_a為傳質(zhì)系數(shù)，V為填料體積，G為空氣流量。通過計(jì)算傳熱單元數(shù)，可以評(píng)估冷卻塔的性能，并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本研究采用Merkel模型對(duì)冷卻塔進(jìn)行建模，在建模過程中，充分考慮了夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)，如高溫高濕的夏季氣候條件對(duì)冷卻塔性能的影響。通過對(duì)該地區(qū)典型氣象數(shù)據(jù)的分析，確定了模型中的相關(guān)參數(shù)，如空氣濕球溫度、干球溫度等。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際工程中冷卻塔的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證和校準(zhǔn)，確保模型能夠準(zhǔn)確地反映冷卻塔在夏熱冬冷地區(qū)的實(shí)際運(yùn)行性能。3.2地埋管模型3.2.1鉆孔內(nèi)傳熱模型地埋管換熱器是混合式地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其鉆孔內(nèi)的傳熱過程涉及多個(gè)環(huán)節(jié)。在豎直U形地埋管換熱器中，傳熱過程包括管內(nèi)對(duì)流換熱、管壁導(dǎo)熱、管外壁與回填材料之間的傳熱、回填材料內(nèi)部的導(dǎo)熱以及回填材料與井壁的傳熱。管內(nèi)對(duì)流換熱是傳熱過程的重要環(huán)節(jié)之一。循環(huán)流體在管內(nèi)流動(dòng)，與管壁進(jìn)行熱量交換。對(duì)流換熱系數(shù)受到多種因素的影響，包括流體的流速、溫度、比熱容、密度以及管道的內(nèi)徑、粗糙度等。根據(jù)傳熱學(xué)原理，對(duì)流換熱系數(shù)可通過努塞爾數(shù)（Nu）來計(jì)算。對(duì)于強(qiáng)制對(duì)流換熱，在湍流狀態(tài)下，常用的Dittus-Boelter公式可用于計(jì)算努塞爾數(shù)：Nu=0.023Re^{0.8}Pr^{n}其中，Re為雷諾數(shù)，反映流體的流動(dòng)狀態(tài)；Pr為普朗特?cái)?shù)，體現(xiàn)流體的物性；n為常數(shù)，當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4；當(dāng)流體被冷卻時(shí)，n=0.3。雷諾數(shù)的計(jì)算公式為Re=\frac{vd}{\nu}，其中v為流體流速，d為管道內(nèi)徑，\nu為流體的運(yùn)動(dòng)粘度。普朗特?cái)?shù)的計(jì)算公式為Pr=\frac{\nu}{\alpha}，其中\(zhòng)alpha為熱擴(kuò)散率。管壁導(dǎo)熱過程中，熱量通過管壁從管內(nèi)流體傳遞到管外壁。管壁的導(dǎo)熱系數(shù)取決于管材的材質(zhì)，不同的管材具有不同的導(dǎo)熱性能。例如，常用的高密度聚乙烯（HDPE）管材，其導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.42-0.47W/（m?K）之間。根據(jù)傅里葉定律，管壁的導(dǎo)熱熱阻可表示為：R_{wall}=\frac{\ln(\frac{d_{o}}{d_{i}})}{2\pik_{wall}L}其中，d_{o}和d_{i}分別為管道的外徑和內(nèi)徑，k_{wall}為管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，L為管道長度。管外壁與回填材料之間的傳熱以及回填材料內(nèi)部的導(dǎo)熱也對(duì)鉆孔內(nèi)傳熱產(chǎn)生重要影響?；靥畈牧系膶?dǎo)熱系數(shù)是影響這部分傳熱的關(guān)鍵因素。理想的回填材料應(yīng)具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，以增強(qiáng)地埋管與土壤之間的換熱效果。例如，采用膨潤土和細(xì)砂混合的回填材料，其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到1.5-2.0W/（m?K）?；靥畈牧吓c井壁之間的傳熱同樣不可忽視，其傳熱性能與回填材料的壓實(shí)程度、井壁的粗糙度等因素有關(guān)。為了準(zhǔn)確描述鉆孔內(nèi)的傳熱過程，建立合適的傳熱模型至關(guān)重要。目前常用的鉆孔內(nèi)傳熱模型包括基于熱阻網(wǎng)絡(luò)的模型和有限元模型?；跓嶙杈W(wǎng)絡(luò)的模型將鉆孔內(nèi)的傳熱過程簡(jiǎn)化為一系列熱阻的串聯(lián)和并聯(lián)，通過計(jì)算各熱阻的大小，求解鉆孔內(nèi)的溫度分布和換熱量。在該模型中，管內(nèi)對(duì)流換熱熱阻、管壁導(dǎo)熱熱阻、管外壁與回填材料之間的接觸熱阻、回填材料內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻以及回填材料與井壁之間的熱阻被依次串聯(lián)。有限元模型則通過將鉆孔區(qū)域離散化為有限個(gè)單元，利用數(shù)值方法求解傳熱方程，能夠更精確地模擬鉆孔內(nèi)的傳熱過程，尤其是對(duì)于復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件具有更好的適應(yīng)性。在有限元模型中，通過對(duì)鉆孔內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行離散化處理，將傳熱方程轉(zhuǎn)化為線性代數(shù)方程組，然后利用迭代法求解方程組，得到鉆孔內(nèi)的溫度分布。本研究采用基于熱阻網(wǎng)絡(luò)的模型對(duì)鉆孔內(nèi)傳熱進(jìn)行建模。在建模過程中，充分考慮了管材、回填材料等因素對(duì)傳熱的影響。通過對(duì)不同管材和回填材料的熱物性參數(shù)進(jìn)行分析，確定了模型中的相關(guān)參數(shù)。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際工程中的數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證和校準(zhǔn)，確保模型能夠準(zhǔn)確地反映鉆孔內(nèi)的傳熱特性。例如，通過對(duì)某實(shí)際工程中地埋管換熱器的鉆孔內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。3.2.2鉆孔外傳熱模型鉆孔外土壤傳熱特性對(duì)混合式地源熱泵系統(tǒng)的性能有著重要影響。在實(shí)際運(yùn)行過程中，地埋管與周圍土壤之間進(jìn)行著持續(xù)的熱量交換，導(dǎo)致土壤溫度場(chǎng)發(fā)生變化。土壤的熱物性參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量和熱擴(kuò)散系數(shù)，是影響鉆孔外傳熱的關(guān)鍵因素。土壤導(dǎo)熱系數(shù)決定了熱量在土壤中傳導(dǎo)的速度。不同類型的土壤具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，一般來說，砂土的導(dǎo)熱系數(shù)較高，可達(dá)到2.0-3.0W/（m?K），而黏土的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，約為1.0-1.5W/（m?K）。土壤的熱容量反映了土壤儲(chǔ)存熱量的能力，其大小與土壤的成分、含水率等因素有關(guān)。當(dāng)土壤含水率增加時(shí)，由于水的熱容量較大，土壤的熱容量也會(huì)相應(yīng)增大。熱擴(kuò)散系數(shù)則表示土壤在受熱或冷卻時(shí)溫度變化的快慢程度，它與導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量密切相關(guān)。埋管間距是影響鉆孔外傳熱的另一個(gè)重要因素。當(dāng)埋管間距過小時(shí)，相鄰地埋管之間會(huì)產(chǎn)生熱干擾，導(dǎo)致土壤溫度分布不均勻，影響地埋管的換熱性能。研究表明，合理增大埋管間距可以有效減少熱干擾，提高地埋管的換熱效率。在實(shí)際工程中，一般建議埋管間距不小于4m。為了描述鉆孔外土壤的傳熱過程，建立了相應(yīng)的傳熱模型。目前常用的鉆孔外傳熱模型包括線熱源模型、圓柱熱源模型和有限元模型。線熱源模型將地埋管簡(jiǎn)化為一無限長的線熱源，以其為軸心，在無限大介質(zhì)中呈輻射狀向四周傳熱，該模型適用于小管徑、長時(shí)間運(yùn)行的地源熱泵系統(tǒng)。圓柱熱源模型則把熱源放置在柱面上，考慮了U型管內(nèi)流體的性能和流動(dòng)特性，適用于大管徑、短時(shí)間運(yùn)行的系統(tǒng)。有限元模型通過將鉆孔周圍的土壤區(qū)域離散化為有限個(gè)單元，利用數(shù)值方法求解傳熱方程，能夠更準(zhǔn)確地模擬土壤溫度場(chǎng)的分布和變化。本研究采用有限元模型對(duì)鉆孔外傳熱進(jìn)行建模。在建模過程中，考慮了土壤熱物性、埋管間距等因素對(duì)傳熱的影響。通過對(duì)不同土壤類型和埋管間距的模擬分析，研究了土壤溫度場(chǎng)的變化規(guī)律。利用專業(yè)的有限元軟件，如ANSYS、COMSOL等，對(duì)鉆孔外土壤區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界條件和初始條件，求解傳熱方程，得到土壤溫度場(chǎng)的分布和隨時(shí)間的變化。例如，通過模擬不同埋管間距下土壤溫度場(chǎng)在一個(gè)供暖季或制冷季的變化情況，分析了埋管間距對(duì)土壤熱干擾的影響程度。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際工程中的土壤熱物性參數(shù)和地埋管布置情況，對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證和校準(zhǔn)，確保模型能夠準(zhǔn)確地反映鉆孔外土壤的傳熱特性。通過與實(shí)際工程中土壤溫度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和可靠性。3.3地源熱泵機(jī)組模型地源熱泵機(jī)組作為混合式地源熱泵系統(tǒng)的核心部件，其工作原理基于逆卡諾循環(huán)，通過消耗少量的電能，實(shí)現(xiàn)熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移。在冬季供暖工況下，地源熱泵機(jī)組從地下埋管換熱器中吸收熱量，將其提升溫度后輸送至建筑物內(nèi)，為室內(nèi)提供溫暖的環(huán)境。此時(shí)，機(jī)組中的壓縮機(jī)對(duì)制冷劑做功，使其壓力和溫度升高，高溫高壓的制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器，與室內(nèi)循環(huán)水進(jìn)行熱交換，將熱量傳遞給循環(huán)水，從而實(shí)現(xiàn)供暖。制冷劑在冷凝器中冷凝為液體，經(jīng)過節(jié)流裝置降壓后，進(jìn)入蒸發(fā)器，從地下循環(huán)水中吸收熱量，蒸發(fā)為氣體，再回到壓縮機(jī)，完成一個(gè)循環(huán)。在標(biāo)準(zhǔn)工況下，地源熱泵機(jī)組的制熱性能系數(shù)（COP）一般在3.5-4.5之間。在夏季制冷工況下，地源熱泵機(jī)組將建筑物內(nèi)的熱量提取出來，通過地下埋管換熱器排放到土壤中，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)降溫。機(jī)組中的壓縮機(jī)同樣對(duì)制冷劑做功，高溫高壓的制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器，與地下循環(huán)水進(jìn)行熱交換，將熱量傳遞給循環(huán)水，制冷劑冷凝為液體。經(jīng)過節(jié)流裝置降壓后，制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器，從室內(nèi)循環(huán)水中吸收熱量，蒸發(fā)為氣體，回到壓縮機(jī)，完成制冷循環(huán)。在夏季制冷工況下，地源熱泵機(jī)組的制冷性能系數(shù)（EER）一般在4.0-5.0之間。為了準(zhǔn)確描述地源熱泵機(jī)組的性能，建立了相應(yīng)的性能模型。目前常用的地源熱泵機(jī)組性能模型包括基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃突跓崃W(xué)原理的理論模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，建立機(jī)組性能參數(shù)與運(yùn)行工況之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。在某品牌地源熱泵機(jī)組的實(shí)驗(yàn)研究中，通過對(duì)不同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了制熱性能系數(shù)與蒸發(fā)器進(jìn)水溫度、冷凝器出水溫度之間的經(jīng)驗(yàn)公式：COP=a+bT_{e,in}+cT_{c,out}其中，a、b、c為擬合系數(shù)，T_{e,in}為蒸發(fā)器進(jìn)水溫度，T_{c,out}為冷凝器出水溫度。這種模型簡(jiǎn)單實(shí)用，能夠快速預(yù)測(cè)機(jī)組在不同工況下的性能，但缺乏理論依據(jù)，通用性較差。理論模型則基于熱力學(xué)原理，通過對(duì)機(jī)組內(nèi)部的熱力過程進(jìn)行分析，建立數(shù)學(xué)模型來描述機(jī)組的性能。在基于熱力學(xué)原理的理論模型中，通常將地源熱泵機(jī)組劃分為蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和節(jié)流裝置四個(gè)主要部件，分別對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行建模。蒸發(fā)器模型基于傳熱學(xué)原理，考慮制冷劑與循環(huán)水之間的傳熱過程，建立傳熱方程來計(jì)算蒸發(fā)器的換熱量和出口制冷劑狀態(tài)。冷凝器模型同樣基于傳熱學(xué)原理，計(jì)算冷凝器的換熱量和出口制冷劑狀態(tài)。壓縮機(jī)模型則根據(jù)壓縮機(jī)的工作特性，考慮壓縮過程中的能量損失，建立壓縮機(jī)的功耗模型。節(jié)流裝置模型基于節(jié)流過程的能量守恒原理，計(jì)算節(jié)流后的制冷劑狀態(tài)。通過對(duì)這些部件模型的耦合求解，得到地源熱泵機(jī)組的性能參數(shù)，如制冷量、制熱量、功耗等。理論模型具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，能夠深入分析機(jī)組的性能特性，但模型較為復(fù)雜，計(jì)算工作量較大。本研究采用理論模型對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的地源熱泵機(jī)組進(jìn)行建模。在建模過程中，充分考慮了夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)和運(yùn)行工況。該地區(qū)夏季氣溫高、濕度大，冬季氣溫較低且濕度較大，這些氣候條件會(huì)對(duì)地源熱泵機(jī)組的性能產(chǎn)生顯著影響。在夏季制冷工況下，高溫高濕的環(huán)境會(huì)導(dǎo)致冷凝器的散熱效果變差，制冷劑冷凝溫度升高，從而降低機(jī)組的制冷性能。在冬季供暖工況下，較低的氣溫會(huì)使蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度降低，導(dǎo)致機(jī)組的制熱性能下降。因此，在模型中，對(duì)這些因素進(jìn)行了詳細(xì)的考慮，通過修正傳熱系數(shù)、考慮濕度對(duì)傳熱的影響等方式，提高模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際工程中的地源熱泵機(jī)組參數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證和校準(zhǔn)。通過將模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，不斷調(diào)整模型參數(shù)，確保模型能夠準(zhǔn)確地反映地源熱泵機(jī)組在夏熱冬冷地區(qū)的實(shí)際運(yùn)行性能。3.4計(jì)算方法本研究采用有限元法對(duì)混合式地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。有限元法是一種高效、通用的數(shù)值計(jì)算方法，通過將連續(xù)的求解區(qū)域離散為有限個(gè)單元，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組進(jìn)行求解，能夠精確地模擬復(fù)雜物理場(chǎng)的分布和變化。在傳熱學(xué)領(lǐng)域，有限元法已被廣泛應(yīng)用于各種傳熱問題的研究，包括地源熱泵系統(tǒng)中地下埋管換熱器與土壤之間的傳熱分析。在有限元法的計(jì)算流程中，首先對(duì)混合式地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行幾何建模，利用專業(yè)的建模軟件，如ANSYSWorkbench、COMSOLMultiphysics等，將冷卻塔、地埋管換熱器、地源熱泵機(jī)組等部件按照實(shí)際尺寸和連接方式進(jìn)行三維建模。在對(duì)冷卻塔建模時(shí)，精確構(gòu)建其塔體結(jié)構(gòu)、填料層、噴淋裝置等部件的幾何形狀；對(duì)地埋管換熱器建模時(shí)，準(zhǔn)確描繪鉆孔的深度、直徑，U形管的管徑、管間距等參數(shù)；對(duì)地源熱泵機(jī)組建模時(shí)，詳細(xì)刻畫壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流裝置等部件的幾何尺寸和相對(duì)位置。接著進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將幾何模型離散為有限個(gè)單元，單元的類型和尺寸根據(jù)模型的復(fù)雜程度和計(jì)算精度要求進(jìn)行選擇。對(duì)于冷卻塔的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如填料層，采用精細(xì)的四面體單元進(jìn)行劃分，以準(zhǔn)確捕捉其內(nèi)部的熱質(zhì)交換過程；地埋管換熱器的鉆孔區(qū)域，采用柱狀單元進(jìn)行劃分，既能保證計(jì)算精度，又能減少計(jì)算量；地源熱泵機(jī)組的各個(gè)部件，根據(jù)其幾何形狀和傳熱特性，選擇合適的單元類型進(jìn)行劃分。同時(shí)，在網(wǎng)格劃分過程中，對(duì)關(guān)鍵部位，如地埋管與土壤的接觸區(qū)域、冷卻塔內(nèi)的氣液接觸區(qū)域等，進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，以提高計(jì)算精度。設(shè)置邊界條件和初始條件是計(jì)算過程中的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于地埋管換熱器，其邊界條件包括土壤的初始溫度分布、管內(nèi)流體的進(jìn)出口溫度和流量等。土壤的初始溫度根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)的實(shí)際地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)確定，一般在15-20℃之間。管內(nèi)流體的進(jìn)出口溫度和流量則根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，在夏季制冷工況下，蒸發(fā)器進(jìn)口流體溫度一般為30-32℃，出口溫度為25-27℃，流量根據(jù)系統(tǒng)的制冷負(fù)荷和換熱需求確定；在冬季供暖工況下，冷凝器進(jìn)口流體溫度一般為40-45℃，出口溫度為45-50℃，流量同樣根據(jù)系統(tǒng)的供暖負(fù)荷和換熱需求確定。冷卻塔的邊界條件包括空氣的進(jìn)出口溫度、濕度、流量，以及水的進(jìn)出口溫度和流量等?？諝獾倪M(jìn)出口溫度和濕度根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)確定，在夏季，進(jìn)口空氣濕球溫度一般為26-28℃，干球溫度為32-35℃，流量根據(jù)冷卻塔的設(shè)計(jì)冷卻能力和換熱效率確定；水的進(jìn)出口溫度和流量根據(jù)系統(tǒng)的制冷負(fù)荷和運(yùn)行工況進(jìn)行設(shè)定，進(jìn)口水溫度一般為35-37℃，出口水溫度為30-32℃，流量根據(jù)系統(tǒng)的散熱需求確定。地源熱泵機(jī)組的邊界條件則包括制冷劑的進(jìn)出口狀態(tài)、壓縮機(jī)的功率等。制冷劑的進(jìn)出口狀態(tài)根據(jù)機(jī)組的工作原理和運(yùn)行工況進(jìn)行設(shè)定，在夏季制冷工況下，蒸發(fā)器出口制冷劑為低溫低壓的氣態(tài)，冷凝器進(jìn)口制冷劑為高溫高壓的氣態(tài)；在冬季供暖工況下，蒸發(fā)器進(jìn)口制冷劑為低溫低壓的液態(tài)，冷凝器出口制冷劑為高溫高壓的液態(tài)。壓縮機(jī)的功率根據(jù)機(jī)組的制冷量或制熱量以及能效比進(jìn)行計(jì)算確定。在求解過程中，使用有限元軟件自帶的求解器，如ANSYS的Fluent求解器、COMSOL的Multiphysics求解器等，對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。這些求解器采用迭代算法，通過不斷迭代計(jì)算，逐步逼近方程的精確解。在迭代過程中，根據(jù)計(jì)算結(jié)果的收斂情況，調(diào)整求解參數(shù)，如松弛因子、迭代步長等，以保證計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂性。當(dāng)計(jì)算結(jié)果滿足預(yù)設(shè)的收斂條件時(shí)，即認(rèn)為求解過程完成。收斂條件一般根據(jù)計(jì)算精度要求進(jìn)行設(shè)定，例如，溫度、壓力等物理量的相對(duì)誤差小于10?3-10??。通過有限元法的計(jì)算，可以得到混合式地源熱泵系統(tǒng)在不同工況下的詳細(xì)運(yùn)行參數(shù)，如溫度場(chǎng)分布、壓力分布、流量分布、換熱量等。這些參數(shù)對(duì)于深入研究系統(tǒng)的性能和特性具有重要意義。通過分析地埋管周圍土壤的溫度場(chǎng)分布，可以了解土壤的蓄熱和放熱情況，評(píng)估土壤熱平衡的維持效果；通過分析冷卻塔內(nèi)的溫度、濕度和流量分布，可以優(yōu)化冷卻塔的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)，提高其冷卻效率；通過分析地源熱泵機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，可以評(píng)估機(jī)組的性能和能效，為機(jī)組的選型和優(yōu)化提供依據(jù)。四、混合式地源熱泵間歇運(yùn)行特性4.1間歇運(yùn)行模式混合式地源熱泵系統(tǒng)的間歇運(yùn)行模式是提高系統(tǒng)能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素之一。本研究提出了多種間歇運(yùn)行模式，并對(duì)其特點(diǎn)和適用場(chǎng)景進(jìn)行了深入分析。時(shí)間控制模式是一種較為常見的間歇運(yùn)行模式，它按照預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔來控制地源熱泵系統(tǒng)的啟停。常見的時(shí)間控制模式包括定時(shí)間歇運(yùn)行和變時(shí)間歇運(yùn)行。定時(shí)間歇運(yùn)行是指系統(tǒng)按照固定的時(shí)間周期進(jìn)行啟停，例如每運(yùn)行2小時(shí)，停止1小時(shí)。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，不需要復(fù)雜的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)。在一些負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定的小型建筑中，如小型辦公樓或住宅，定時(shí)間歇運(yùn)行模式可以有效地降低系統(tǒng)的能耗。變時(shí)間歇運(yùn)行則是根據(jù)不同的時(shí)間段或季節(jié)，靈活調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間和停止時(shí)間。在夏季白天制冷負(fù)荷較大時(shí)，適當(dāng)延長系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間；而在夜間負(fù)荷較小時(shí)，縮短運(yùn)行時(shí)間或增加停止時(shí)間。這種模式能夠更好地適應(yīng)負(fù)荷的變化，提高能源利用效率，但需要更精確的負(fù)荷預(yù)測(cè)和控制系統(tǒng)。在大型商業(yè)建筑中，由于其負(fù)荷隨時(shí)間變化較大，采用變時(shí)間歇運(yùn)行模式可以根據(jù)不同時(shí)段的負(fù)荷需求，合理調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。溫度控制模式是根據(jù)室內(nèi)或室外溫度的變化來控制地源熱泵系統(tǒng)的啟停。該模式又可細(xì)分為室內(nèi)溫度控制和室外溫度控制。室內(nèi)溫度控制是指當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定的上限時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行進(jìn)行制冷或制熱；當(dāng)室內(nèi)溫度降至設(shè)定的下限，系統(tǒng)停止運(yùn)行。在住宅中，通常將室內(nèi)溫度設(shè)定為夏季26℃-28℃，冬季18℃-20℃。當(dāng)室內(nèi)溫度高于28℃時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)啟動(dòng)制冷；當(dāng)室內(nèi)溫度低于26℃時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行。這種模式能夠直接滿足用戶對(duì)室內(nèi)舒適度的要求，確保室內(nèi)溫度始終保持在舒適范圍內(nèi)。室外溫度控制則是根據(jù)室外溫度的變化來決定系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在冬季，當(dāng)室外溫度低于一定閾值時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)供暖；當(dāng)室外溫度升高到一定程度時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行。在一些氣候較為溫和的地區(qū)，室外溫度波動(dòng)相對(duì)較小，采用室外溫度控制模式可以根據(jù)室外溫度的變化，合理啟動(dòng)和停止地源熱泵系統(tǒng)，避免系統(tǒng)在不必要的情況下運(yùn)行，從而降低能耗。負(fù)荷控制模式是根據(jù)建筑的實(shí)際負(fù)荷需求來控制地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行。通過安裝在系統(tǒng)中的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑的負(fù)荷變化情況，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到一定程度時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行；當(dāng)負(fù)荷降低到一定水平時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行。在一些工業(yè)建筑中，由于其生產(chǎn)過程的特殊性，負(fù)荷變化較大且不規(guī)律。采用負(fù)荷控制模式可以根據(jù)生產(chǎn)過程中的實(shí)際負(fù)荷需求，靈活調(diào)整地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行，避免系統(tǒng)在低負(fù)荷或無負(fù)荷情況下運(yùn)行，從而提高能源利用效率。在商業(yè)建筑中，隨著人員流動(dòng)和設(shè)備使用情況的變化，負(fù)荷也會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)。負(fù)荷控制模式能夠根據(jù)商業(yè)建筑的實(shí)際負(fù)荷變化，及時(shí)調(diào)整地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，確保系統(tǒng)在滿足負(fù)荷需求的同時(shí)，最大限度地節(jié)約能源。不同的間歇運(yùn)行模式在實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)劣，其適用場(chǎng)景也有所不同。時(shí)間控制模式適用于負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定、變化規(guī)律較為明顯的建筑，如小型辦公樓、學(xué)校等，這些建筑的使用時(shí)間和負(fù)荷需求相對(duì)固定，采用時(shí)間控制模式可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的間歇運(yùn)行。溫度控制模式則更側(cè)重于滿足用戶對(duì)室內(nèi)舒適度的要求，適用于對(duì)室內(nèi)溫度要求較高的場(chǎng)所，如住宅、醫(yī)院、酒店等。在這些場(chǎng)所，用戶對(duì)室內(nèi)溫度的舒適度要求較高，溫度控制模式能夠根據(jù)室內(nèi)溫度的變化，及時(shí)啟動(dòng)和停止地源熱泵系統(tǒng)，確保室內(nèi)溫度始終保持在舒適范圍內(nèi)。負(fù)荷控制模式則最能體現(xiàn)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求運(yùn)行的特點(diǎn)，適用于負(fù)荷變化較大且不規(guī)律的建筑，如工業(yè)建筑、大型商業(yè)綜合體等。在這些建筑中，負(fù)荷需求隨生產(chǎn)活動(dòng)或人員流動(dòng)的變化而變化，采用負(fù)荷控制模式可以根據(jù)實(shí)際負(fù)荷需求，靈活調(diào)整地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。4.2間歇運(yùn)行地?zé)崽匦?.2.1地溫變化特性為深入研究混合式地源熱泵系統(tǒng)間歇運(yùn)行下地溫隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，本研究通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法展開分析。在模擬過程中，利用建立的地埋管模型和地源熱泵機(jī)組模型，設(shè)定不同的間歇運(yùn)行模式和工況參數(shù)，對(duì)夏熱冬冷地區(qū)典型建筑的混合式地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算。在實(shí)驗(yàn)方面，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)實(shí)際運(yùn)行的混合式地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括地埋管換熱器、地源熱泵機(jī)組、冷卻塔、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分。在實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)置了多個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括地埋管進(jìn)出口溫度、不同深度土壤溫度等，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄溫度數(shù)據(jù)。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，間歇運(yùn)行模式下，地溫隨時(shí)間呈現(xiàn)出周期性的變化規(guī)律。在系統(tǒng)運(yùn)行階段，地埋管與土壤之間進(jìn)行熱量交換，導(dǎo)致土壤溫度發(fā)生變化。當(dāng)?shù)卦礋岜孟到y(tǒng)從土壤中提取熱量時(shí)，土壤溫度會(huì)逐漸降低；當(dāng)系統(tǒng)向土壤中排放熱量時(shí)，土壤溫度則會(huì)升高。在停止運(yùn)行階段，土壤溫度會(huì)逐漸恢復(fù)，這是由于土壤自身的熱擴(kuò)散作用，熱量在土壤中重新分布，使土壤溫度逐漸趨于平衡。從空間分布來看，地溫在不同深度和水平方向上也存在差異。在豎直方向上，靠近地埋管的土壤溫度變化較為明顯，隨著深度的增加，土壤溫度變化逐漸減小。在水平方向上，距離地埋管越遠(yuǎn)，土壤溫度受地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的影響越小。以某實(shí)驗(yàn)為例，在距離地埋管1m處，土壤溫度在系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)月后變化了5℃；而在距離地埋管5m處，土壤溫度變化僅為1℃。地溫變化對(duì)混合式地源熱泵系統(tǒng)性能有著顯著影響。當(dāng)?shù)販亟档蜁r(shí)，地源熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器進(jìn)口溫度下降，導(dǎo)致機(jī)組的蒸發(fā)壓力降低，制冷量和制熱量減小，能效比下降。在冬季供暖工況下，當(dāng)?shù)販貜?5℃下降到10℃時(shí)，地源熱泵機(jī)組的制熱量可能會(huì)減少10%-20%，能效比降低10%左右。相反，當(dāng)?shù)販厣邥r(shí)，冷凝器進(jìn)口溫度上升，機(jī)組的冷凝壓力升高，同樣會(huì)導(dǎo)致制冷量和制熱量減小，能效比下降。在夏季制冷工況下，當(dāng)?shù)販貜?0℃升高到25℃時(shí)，地源熱泵機(jī)組的制冷量可能會(huì)減少15%-25%，能效比降低15%左右。此外，地溫的變化還會(huì)影響地埋管換熱器的換熱性能，導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降，進(jìn)一步影響系統(tǒng)的性能。4.2.2地溫變化速率地溫變化速率是衡量混合式地源熱泵系統(tǒng)間歇運(yùn)行性能的重要指標(biāo)之一。通過模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不同工況下地溫變化速率進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算。在計(jì)算過程中，采用溫度隨時(shí)間的變化量與時(shí)間間隔的比值來確定地溫變化速率。研究發(fā)現(xiàn)，間歇時(shí)間是影響地溫變化速率的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)間歇時(shí)間較短時(shí)，土壤沒有足夠的時(shí)間恢復(fù)溫度，導(dǎo)致地溫變化速率較快。隨著間歇時(shí)間的延長，土壤有更多的時(shí)間進(jìn)行熱量交換和溫度恢復(fù)，地溫變化速率逐漸減緩。在某模擬工況下，間歇時(shí)間為1小時(shí)時(shí)，地溫變化速率為0.5℃/h；當(dāng)間歇時(shí)間延長至3小時(shí)時(shí)，地溫變化速率降低至0.2℃/h。負(fù)荷大小對(duì)地溫變化速率也有著重要影響。負(fù)荷越大，地源熱泵系統(tǒng)與土壤之間的熱量交換量越大，地溫變化速率越快。在夏季制冷工況下，當(dāng)建筑冷負(fù)荷增加20%時(shí)，地溫變化速率可能會(huì)提高30%-50%。這是因?yàn)檩^大的負(fù)荷需要地源熱泵系統(tǒng)從土壤中提取更多的熱量或向土壤中排放更多的熱量，從而加劇了土壤溫度的變化。土壤熱物性參數(shù)同樣對(duì)地溫變化速率產(chǎn)生影響。土壤的導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量和熱擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)決定了土壤的傳熱能力和熱量?jī)?chǔ)存能力。土壤導(dǎo)熱系數(shù)越高，熱量在土壤中傳導(dǎo)的速度越快，地溫變化速率也會(huì)相應(yīng)加快。土壤熱容量越大，土壤儲(chǔ)存熱量的能力越強(qiáng)，地溫變化速率則會(huì)相對(duì)減緩。在土壤導(dǎo)熱系數(shù)為1.5W/（m?K）的工況下，地溫變化速率比導(dǎo)熱系數(shù)為1.0W/（m?K）時(shí)快20%-30%；而在土壤熱容量為2.0MJ/（m3?K）的工況下，地溫變化速率比熱容量為1.5MJ/（m3?K）時(shí)慢15%-25%。此外，地埋管換熱器的布置方式和埋管間距也會(huì)影響地溫變化速率。合理的地埋管布置方式和較大的埋管間距可以減少地埋管之間的熱干擾，降低地溫變化速率。當(dāng)埋管間距從3m增加到5m時(shí)，地溫變化速率可降低10%-20%。這是因?yàn)檩^大的埋管間距可以使地埋管周圍的土壤有更多的空間進(jìn)行熱量擴(kuò)散和溫度恢復(fù)，減少了相鄰地埋管之間的相互影響。4.3間歇運(yùn)行水溫變化在混合式地源熱泵系統(tǒng)間歇運(yùn)行過程中，水溫變化是一個(gè)關(guān)鍵因素，它不僅反映了系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，還對(duì)熱泵機(jī)組性能和系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。通過模擬和實(shí)驗(yàn)，深入研究了間歇運(yùn)行下系統(tǒng)內(nèi)水溫的變化情況。在夏季制冷工況下，地源熱泵機(jī)組從建筑物中吸收熱量，通過地埋管換熱器將熱量傳遞給土壤，導(dǎo)致地埋管內(nèi)水溫升高。當(dāng)系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，地埋管內(nèi)水溫會(huì)逐漸下降，這是由于土壤與地埋管內(nèi)流體之間存在溫度差，熱量從高溫的流體傳遞到低溫的土壤中。以某模擬案例為例，在系統(tǒng)運(yùn)行2小時(shí)后，地埋管出口水溫可升高至35℃；當(dāng)系統(tǒng)停止運(yùn)行1小時(shí)后，水溫下降至32℃。在冬季供暖工況下，地源熱泵機(jī)組從土壤中提取熱量，供應(yīng)給建筑物，地埋管內(nèi)水溫降低。停止運(yùn)行后，水溫會(huì)逐漸上升，因?yàn)橥寥乐械臒崃繒?huì)逐漸傳遞回地埋管內(nèi)的流體。在某實(shí)際工程中，系統(tǒng)運(yùn)行3小時(shí)后，地埋管出口水溫可降低至30℃；停止運(yùn)行2小時(shí)后，水溫上升至33℃。水溫變化對(duì)熱泵機(jī)組性能有著顯著影響。當(dāng)水溫升高時(shí)，冷凝器的進(jìn)口溫度升高，導(dǎo)致機(jī)組的冷凝壓力升高，壓縮機(jī)的功耗增加，制冷量和制熱量減小，能效比下降。在夏季制冷工況下，當(dāng)?shù)芈窆艹隹谒疁貜?0℃升高到35℃時(shí)，熱泵機(jī)組的制冷量可能會(huì)減少15%-25%，能效比降低15%左右。相反，當(dāng)水溫降低時(shí)，蒸發(fā)器的進(jìn)口溫度降低，蒸發(fā)壓力降低，同樣會(huì)導(dǎo)致制冷量和制熱量減小，能效比下降。在冬季供暖工況下，當(dāng)?shù)芈窆艹隹谒疁貜?5℃降低到30℃時(shí)，熱泵機(jī)組的制熱量可能會(huì)減少10%-20%，能效比降低10%左右。此外，水溫變化還會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。如果水溫波動(dòng)過大，可能會(huì)導(dǎo)致熱泵機(jī)組頻繁啟停，增加設(shè)備的磨損和故障概率。在某些極端情況下，水溫過高或過低可能會(huì)觸發(fā)機(jī)組的保護(hù)裝置，導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。因此，保持水溫的相對(duì)穩(wěn)定對(duì)于提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過合理調(diào)整間歇運(yùn)行時(shí)間、優(yōu)化地埋管換熱器的設(shè)計(jì)和布置，以及采用有效的控制系統(tǒng)，可以減少水溫波動(dòng)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。4.4間歇運(yùn)行系統(tǒng)性能4.4.1機(jī)組COP間歇運(yùn)行對(duì)機(jī)組COP（CoefficientofPerformance，性能系數(shù)）有著顯著的影響。通過對(duì)不同間歇運(yùn)行模式下機(jī)組性能的模擬和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)合理的間歇運(yùn)行能夠提高機(jī)組COP，而不合理的間歇運(yùn)行則可能導(dǎo)致機(jī)組COP下降。在時(shí)間控制模式下，當(dāng)間歇時(shí)間過短，機(jī)組頻繁啟停，每次啟動(dòng)時(shí)壓縮機(jī)需要克服較大的阻力，消耗額外的能量，導(dǎo)致機(jī)組的能耗增加，COP降低。在某模擬工況下，間歇時(shí)間為30分鐘時(shí)，機(jī)組的啟動(dòng)能耗占總能耗的比例達(dá)到15%，COP相比連續(xù)運(yùn)行模式下降了10%。相反，當(dāng)間歇時(shí)間過長，系統(tǒng)在停止運(yùn)行期間，室內(nèi)溫度可能會(huì)超出舒適范圍，為了恢復(fù)到設(shè)定溫度，機(jī)組重新啟動(dòng)后需要消耗更多的能量來提升或降低溫度，同樣會(huì)導(dǎo)致COP下降。在另一模擬工況下，間歇時(shí)間延長至4小時(shí)，機(jī)組重新啟動(dòng)后需要較長時(shí)間才能將室內(nèi)溫度恢復(fù)到設(shè)定值，在此期間能耗大幅增加，COP降低了12%。溫度控制模式下，室內(nèi)溫度的波動(dòng)對(duì)機(jī)組COP也有重要影響。如果室內(nèi)溫度設(shè)定范圍過窄，機(jī)組啟停頻繁，會(huì)增加能耗，降低COP。將室內(nèi)溫度設(shè)定范圍設(shè)置為夏季26℃-26.5℃，機(jī)組在一天內(nèi)的啟停次數(shù)達(dá)到20次，相比設(shè)定范圍為26℃-28℃時(shí)，能耗增加了18%，COP下降了15%。而如果室內(nèi)溫度設(shè)定范圍過寬，雖然機(jī)組啟停次數(shù)減少，但室內(nèi)舒適度會(huì)受到影響。負(fù)荷控制模式下，根據(jù)建筑實(shí)際負(fù)荷需求調(diào)整機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，能夠有效提高機(jī)組COP。在負(fù)荷較低時(shí)，機(jī)組能夠在高效區(qū)間運(yùn)行，能耗較低，COP較高。在某實(shí)際工程中，當(dāng)負(fù)荷降低到50%時(shí)，機(jī)組的COP相比滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)提高了20%。然而，如果負(fù)荷預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)際負(fù)荷不匹配，也會(huì)影響機(jī)組COP。在負(fù)荷預(yù)測(cè)偏差達(dá)到30%時(shí)，機(jī)組的能耗增加了25%，COP下降了20%。為了通過優(yōu)化間歇運(yùn)行模式提高機(jī)組COP，可以采取以下措施。在時(shí)間控制模式下，通過對(duì)建筑負(fù)荷特性和運(yùn)行規(guī)律的分析，結(jié)合機(jī)組的性能參數(shù)，確定最佳的間歇時(shí)間和運(yùn)行周期。對(duì)于負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定的建筑，可以采用定時(shí)間歇運(yùn)行模式，并通過實(shí)驗(yàn)或模擬優(yōu)化間歇時(shí)間。對(duì)于負(fù)荷變化較大的建筑，采用變時(shí)間歇運(yùn)行模式，根據(jù)不同時(shí)間段的負(fù)荷需求，靈活調(diào)整間歇時(shí)間和運(yùn)行周期。在溫度控制模式下，合理設(shè)置室內(nèi)溫度設(shè)定范圍，既要保證室內(nèi)舒適度，又要減少機(jī)組的啟停次數(shù)。根據(jù)不同季節(jié)和使用場(chǎng)景，動(dòng)態(tài)調(diào)整室內(nèi)溫度設(shè)定值。在夏季白天，將室內(nèi)溫度設(shè)定為27℃-28℃；在夜間，適當(dāng)提高溫度設(shè)定值，如28℃-29℃。在負(fù)荷控制模式下，加強(qiáng)負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，采用先進(jìn)的預(yù)測(cè)算法和傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑負(fù)荷變化，及時(shí)調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。結(jié)合智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，根據(jù)負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)整壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、制冷劑的流量等參數(shù)，使機(jī)組始終在高效區(qū)間運(yùn)行。4.4.2地埋管換熱量間歇運(yùn)行下地埋管換熱量呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，其與地溫、水溫、負(fù)荷等因素密切相關(guān)。通過模擬和實(shí)驗(yàn)研究，深入分析了這些因素對(duì)換熱量的影響。地溫是影響地埋管換熱量的關(guān)鍵因素之一。在間歇運(yùn)行過程中，地溫的變化直接影響地埋管與土壤之間的傳熱驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)?shù)販厣邥r(shí)，地埋管與土壤之間的溫差減小，傳熱驅(qū)動(dòng)力減弱，地埋管換熱量隨之降低。在夏季制冷工況下，隨著地源熱泵系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，地溫逐漸升高，地埋管換熱量逐漸下降。在某模擬案例中，運(yùn)行初期地溫為20℃，地埋管換熱量為50W/m；運(yùn)行一個(gè)月后，地溫升高到25℃，地埋管換熱量降低至40W/m。相反，當(dāng)?shù)販亟档蜁r(shí)，地埋管與土壤之間的溫差增大，傳熱驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)，地埋管換熱量增加。在冬季供暖工況下，地溫逐漸降低，地埋管換熱量相應(yīng)增加。水溫對(duì)地埋管換熱量也有重要影響。地埋管內(nèi)水溫的變化會(huì)改變地埋管與土壤之間的溫度差，從而影響換熱量。當(dāng)水溫升高時(shí)，地埋管與土壤之間的溫差減小，換熱量降低。在夏季制冷工況下，地源熱泵機(jī)組從建筑物中吸收熱量，使地埋管內(nèi)水溫升高，導(dǎo)致地埋管換熱量下降。在某實(shí)驗(yàn)中，地埋管進(jìn)口水溫從30℃升高到35℃時(shí)，地埋管換熱量降低了15%。相反，當(dāng)水溫降低時(shí)，地埋管與土壤之間的溫差增大，換熱量增加。在冬季供暖工況下，地源熱泵機(jī)組從土壤中提取熱量，地埋管內(nèi)水溫降低，地埋管換熱量增加。負(fù)荷大小與地埋管換熱量密切相關(guān)。負(fù)荷越大，地源熱泵系統(tǒng)需要從土壤中提取或向土壤中排放的熱量越多，地埋管換熱量也就越大。在夏季制冷工況下，當(dāng)建筑冷負(fù)荷增加時(shí)，地源熱泵機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間和功率增加，地埋管與土壤之間的熱量交換量增大，地埋管換熱量相應(yīng)增加。在某商業(yè)建筑中，夏季冷負(fù)荷增加20%時(shí)，地埋管換熱量增加了25%。在冬季供暖工況下，隨著建筑熱負(fù)荷的增加，地埋管換熱量也會(huì)增加。此外，間歇時(shí)間和運(yùn)行周期也會(huì)影響地埋管換熱量。適當(dāng)?shù)拈g歇時(shí)間可以使土壤有足夠的時(shí)間恢復(fù)溫度，減少土壤熱干擾，提高地埋管的換熱效率。當(dāng)間歇時(shí)間過短，土壤沒有充分的時(shí)間恢復(fù)溫度，地埋管周圍的土壤溫度場(chǎng)變化較大，熱干擾加劇，地埋管換熱量會(huì)降低。在某模擬工況下，間歇時(shí)間為1小時(shí)時(shí)，地埋管換熱量相比間歇時(shí)間為3小時(shí)時(shí)降低了10%。合理的運(yùn)行周期也能夠優(yōu)化地埋管的換熱性能，提高換熱量。通過調(diào)整運(yùn)行周期，使地埋管在不同時(shí)間段內(nèi)的換熱需求與土壤的熱恢復(fù)能力相匹配，可以提高地埋管的平均換熱量。五、混合式地源熱泵經(jīng)濟(jì)性分析5.1經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)參數(shù)與方法在對(duì)混合式地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，常用的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)參數(shù)包括投資回收期、凈現(xiàn)值和內(nèi)部收益率等。這些參數(shù)從不同角度反映了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性和盈利能力，為決策提供了重要依據(jù)。投資回收期是指通過項(xiàng)目的凈收益來回收初始投資所需要的時(shí)間，它是衡量項(xiàng)目投資回收速度的重要指標(biāo)。投資回收期越短，說明項(xiàng)目的投資回收速度越快，資金的周轉(zhuǎn)效率越高，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。投資回收期可分為靜態(tài)投資回收期和動(dòng)態(tài)投資回收期。靜態(tài)投資回收期不考慮資金的時(shí)間價(jià)值，計(jì)算公式為：P_{t}=\frac{I}{A}其中，P_{t}為靜態(tài)投資回收期，I為初始投資，A為每年的凈收益。動(dòng)態(tài)投資回收期則考慮了資金的時(shí)間價(jià)值，將每年的凈收益按照一定的折現(xiàn)率進(jìn)行折現(xiàn)后再計(jì)算投資回收期。動(dòng)態(tài)投資回收期的計(jì)算公式較為復(fù)雜，通常需要通過迭代計(jì)算來確定。凈現(xiàn)值（NPV）是指在項(xiàng)目的整個(gè)壽命期內(nèi)，將各年的凈現(xiàn)金流量按照一定的折現(xiàn)率折現(xiàn)到基準(zhǔn)年的現(xiàn)值之和。凈現(xiàn)值反映了項(xiàng)目在整個(gè)壽命期內(nèi)的盈利能力，凈現(xiàn)值越大，說明項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益越好。凈現(xiàn)值的計(jì)算公式為：NPV=\sum_{t=0}^{n}\frac{(CI-CO)_{t}}{(1+i)^{t}}其中，CI為現(xiàn)金流入，CO為現(xiàn)金流出，(CI-CO)_{t}為第t年的凈現(xiàn)金流量，i為折現(xiàn)率，n為項(xiàng)目的壽命期。當(dāng)凈現(xiàn)值大于零時(shí)，說明項(xiàng)目的投資回報(bào)率高于折現(xiàn)率，項(xiàng)目具有經(jīng)濟(jì)可行性；當(dāng)凈現(xiàn)值等于零時(shí)，說明項(xiàng)目的投資回報(bào)率等于折現(xiàn)率，項(xiàng)目處于盈虧平衡狀態(tài)；當(dāng)凈現(xiàn)值小于零時(shí)，說明項(xiàng)目的投資回報(bào)率低于折現(xiàn)率，項(xiàng)目不具有經(jīng)濟(jì)可行性。內(nèi)部收益率（IRR）是指使項(xiàng)目?jī)衄F(xiàn)值為零時(shí)的折現(xiàn)率，它反映了項(xiàng)目的實(shí)際投資回報(bào)率。內(nèi)部收益率越高，說明項(xiàng)目的盈利能力越強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益越好。內(nèi)部收益率的計(jì)算通常需要通過試錯(cuò)法或迭代法來確定。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)內(nèi)部收益率大于基準(zhǔn)收益率時(shí)，說明項(xiàng)目具有經(jīng)濟(jì)可行性；當(dāng)內(nèi)部收益率小于基準(zhǔn)收益率時(shí)，說明項(xiàng)目不具有經(jīng)濟(jì)可行性。經(jīng)濟(jì)性分析方法主要包括靜態(tài)分析法和動(dòng)態(tài)分析法。靜態(tài)分析法不考慮資金的時(shí)間價(jià)值，主要包括投資回收期法、投資收益率法等。投資收益率法是指項(xiàng)目在正常生產(chǎn)年份的凈收益與投資總額的比值，它反映了項(xiàng)目的投資盈利能力。靜態(tài)分析法計(jì)算簡(jiǎn)單，直觀易懂，但由于不考慮資金的時(shí)間價(jià)值，不能準(zhǔn)確反映項(xiàng)目的真實(shí)經(jīng)濟(jì)效益。動(dòng)態(tài)分析法考慮了資金的時(shí)間價(jià)值，主要包括凈現(xiàn)值法、內(nèi)部收益率法、費(fèi)用年值法等。費(fèi)用年值法是將項(xiàng)目的初始投資和各年的運(yùn)行費(fèi)用按照一定的折現(xiàn)率折算成每年的等額費(fèi)用，通過比較不同方案的費(fèi)用年值來評(píng)估項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。費(fèi)用年值法的計(jì)算公式為：AC=P(A/P,i,n)+A其中，AC為費(fèi)用年值，P為初始投資，(A/P,i,n)為資金回收系數(shù)，A為每年的運(yùn)行費(fèi)用。動(dòng)態(tài)分析法能夠更準(zhǔn)確地反映項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，考慮了資金的時(shí)間價(jià)值和項(xiàng)目的整個(gè)壽命期，在項(xiàng)目決策中得到了廣泛的應(yīng)用。在本研究中，將綜合運(yùn)用上述經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)參數(shù)和分析方法，對(duì)混合式地源熱泵系統(tǒng)在不同間歇運(yùn)行模式下的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行全面評(píng)估。通過對(duì)比不同方案的投資回收期、凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率和費(fèi)用年值等指標(biāo)，確定最優(yōu)的間歇運(yùn)行方案，為混合式地源熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供經(jīng)濟(jì)可行性依據(jù)。五、混合式地源熱泵經(jīng)濟(jì)性分析5.2工程案例分析5.2.1工程系統(tǒng)概況本案例選取位于夏熱冬冷地區(qū)的某商業(yè)綜合體作為研究對(duì)象。該商業(yè)綜合體總建筑面積為50,000平方米，地上10層，地下2層。建筑功能包括商場(chǎng)、超市、餐飲、娛樂等，人員流動(dòng)頻繁，設(shè)備使用時(shí)間長，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要求較高。該建筑的冷負(fù)荷需求主要集中在夏季，夏季設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為5,000kW，單位面積冷負(fù)荷指標(biāo)為100W/m2。這主要是由于夏季室外氣溫高，商場(chǎng)內(nèi)人員密集，各類電器設(shè)備如照明燈具、空調(diào)機(jī)組、電梯等長時(shí)間運(yùn)行，產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致冷負(fù)荷較大。熱負(fù)荷需求主要集中在冬季，冬季設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為3,000kW，單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)為60W/m2。冬季室外氣溫較低，且該地區(qū)冬季較為濕冷，為保證室內(nèi)舒適度，需要空調(diào)系統(tǒng)提供足夠的熱量。根據(jù)該建筑的功能特點(diǎn)和負(fù)荷需求，設(shè)計(jì)采用混合式地源熱泵系統(tǒng)作為空調(diào)冷熱源。該系統(tǒng)由地源熱泵機(jī)組、冷卻塔、地埋管換熱器、循環(huán)水泵、控制系統(tǒng)等組成。地源熱泵機(jī)組選用兩臺(tái)螺桿式地源熱泵機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組的制冷量為2,500kW，制熱量為1,500kW。冷卻塔選用兩臺(tái)方形逆流式冷卻塔，單臺(tái)冷卻塔的冷卻水量為1,000m3/h。地埋管換熱器采用豎直U形管，鉆孔深度為100m，共布置200個(gè)鉆孔，埋管間距為5m。循環(huán)水泵選用四臺(tái)，其中兩臺(tái)為地源側(cè)循環(huán)水泵，兩臺(tái)為用戶側(cè)循環(huán)水泵，單臺(tái)水泵的流量為500m3/h，揚(yáng)程為30m?？刂葡到y(tǒng)采用智能控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)建筑負(fù)荷需求和室外氣象條件，自動(dòng)調(diào)節(jié)地源熱泵機(jī)組、冷卻塔和循環(huán)水泵的運(yùn)行狀態(tài)。5.2.2空調(diào)系統(tǒng)冷熱源選擇在確定該商業(yè)綜合體的空調(diào)系統(tǒng)冷熱源時(shí)，對(duì)混合式地源熱泵系統(tǒng)與其他常見冷熱源系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析。與傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)相比，空氣源熱泵系統(tǒng)的初投資相對(duì)較低，約為300元/m2。這是因?yàn)榭諝庠礋岜孟到y(tǒng)的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行地下埋管等復(fù)雜施工，設(shè)備采購和安裝成本較低。然而，空氣源熱泵系統(tǒng)的能效比受室外氣溫影響較大，在夏熱冬冷地區(qū)的冬季，當(dāng)室外氣溫較低時(shí)，其制熱性能會(huì)大幅下降，能效比可降至2.0-2.5。這是由于室外氣溫低導(dǎo)致蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度降低，壓縮機(jī)吸氣壓力下降，壓縮比增大，從而使壓縮機(jī)功耗增加，制熱性能下降。運(yùn)行成本較高，年運(yùn)行費(fèi)用約為50元/m2。在冬季低溫工況下，為滿足建筑供熱需求，空氣源熱泵系統(tǒng)需要消耗大量電能，導(dǎo)致運(yùn)行成本增加。與燃?xì)忮仩t+冷水機(jī)組系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的初投資約為350元/m2。燃?xì)忮仩t和冷水機(jī)組的設(shè)備采購、安裝以及相關(guān)管道系統(tǒng)的建設(shè)成本較高。燃?xì)忮仩t在冬季供暖時(shí)，能源