土壤源熱泵系統(tǒng)長期運行特性試驗分析

高原原，高留花，趙 軍

(天津大學(xué) 機械學(xué)院，天津 300072)

0 引言

淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用有多種方式，其中土壤源熱泵是最主要的方式之一。土壤源熱泵是一種以土壤為冷熱源，充分利用低品味能和可再生的季節(jié)能，節(jié)約高位電能的先進空調(diào)技術(shù)。被稱為“21世紀一項以節(jié)能和環(huán)保為特征的最具有發(fā)展前途的空調(diào)技術(shù)”。中國的土壤源熱泵事業(yè)近幾年已開始起步，且發(fā)展勢頭看好，越來越多的用戶開始熟悉土壤源熱泵，并對其應(yīng)用產(chǎn)生了濃厚的興趣。與其他空調(diào)方式相比，土壤源熱泵系統(tǒng)除節(jié)能環(huán)保特點之外，還有一個顯著特點，即地下埋管地換熱器系統(tǒng)屬于一次性投資，基本上不可更換。在這種情況下，對系統(tǒng)的長期運行性能提出了很高的要求。

盡管全國淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用工程項目較多，但取得系統(tǒng)、全面且持續(xù)性的地質(zhì)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的項目并不多。2003年1月，作者單位在天津市梅江生態(tài)區(qū)綜合辦公樓建設(shè)了一個3 715 m2地源熱泵示范系統(tǒng)，并開發(fā)了一套計算機實時監(jiān)控和采集系統(tǒng) (SCADA)，為研究系統(tǒng)長期性能提供了豐富的素材。截至目前，該設(shè)備已運行8年，本文在此基礎(chǔ)上，整理了試驗結(jié)果，對地下耦合的土壤源熱泵的長期運行性能進行了分析，對于當(dāng)前土壤源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與標準制定具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗系統(tǒng)

本文土壤源熱泵試驗系統(tǒng)中，埋地換熱器主要采用樁埋管和井埋管兩種方式，所有埋管均采用DN32的高密度聚乙烯塑料管 (HDPE)，鉆孔直徑為400 mm，鉆孔間距5.0 m，其中樁埋管深度為20 m，共60口;井埋管深度為90 m，共21口。

整個系統(tǒng)由三個環(huán)路組成。地埋管換熱器環(huán)路，載熱介質(zhì)在其中循環(huán)與土壤進行換熱的封閉環(huán)路。冬季從周圍土壤中吸收熱量，夏季則向土壤釋放熱量，其循環(huán)則由一臺低功率的循環(huán)泵來實現(xiàn)。制冷劑環(huán)路是在熱泵內(nèi)部的循環(huán)。用戶環(huán)路是把已調(diào)節(jié)好的冷 (熱)水分配到建筑物中去的環(huán)路，室內(nèi)空調(diào)末端采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)路與建筑物的換熱。

為全面測試土壤源熱泵系統(tǒng)的運行變化規(guī)律，在地面以上和地面以下共布置40個溫度測量點，4個流量測量點和4個功率測量點，所有測量信號均通過計算機監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)實時顯示在現(xiàn)場PC上。圖1顯示出地下部分溫度測點的布置情況，其他測點布置位置，系統(tǒng)具體參數(shù)及原理圖，在此不詳細介紹，詳見參考文獻[7]。

圖1 地下溫度測點布置圖Fig.1 Layout of soil temperature measuring points

截至2010年9月，本文選取了4個制冷期(2004年6～9月，2005年6～9月，2006年6～9月和2010年6～8月)和3個供暖期 (2004年11月～2005年3月，2005年11月～2006年3月，2009年12月～2010年1月)的完整運行數(shù)據(jù)進行分析。

2 試驗結(jié)果

圖2和圖3分別給出了制冷期與供熱期內(nèi)5號，7號，9號監(jiān)測點的溫度變化情況?？梢钥闯?，2004～2006年3個制冷期以及2004～2005年2個供暖期埋管換熱器周圍平均地溫每年均有所升高，平均而言，每經(jīng)歷一個“放熱－間歇－吸熱－間歇”周期后，土壤平均溫度升高1.2～1.4℃左右，流體平均溫度升高為1.0～1.2℃左右。顯然，這是由于天津地區(qū)冬、夏季建筑物熱、冷負荷是不一致的，一般夏季冷負荷約是冬季熱負荷的2倍左右，所以會造成地下熱量的不平衡。地下積聚得熱量越來越多，造成土壤溫度的升高，當(dāng)然這有利于冬季熱泵的吸熱運行，但是不利于夏季空調(diào)的排熱運行，從2003年至2005年冬季機組COP的遞增趨勢及夏季機組COP的遞減趨勢上也可反映出來 (表1，2)。從圖2可看出，2006年6月初土壤初始溫度較2004年6月初平均高出3.0～4.0℃，運行期間，排熱很難實現(xiàn)，土壤溫度升高緩慢，蓄熱減少。

圖2 制冷期土壤溫度場實測曲線Fig.2 The measured curves of soil temperature in summer

圖3 供暖期土壤溫度實測曲線Fig.3 The measured curves of soil temperature in winter

表1 冬季逐年COP值對比表Tab.1 Comparison of COP in winter

表2 夏季逐年COP值對比表Tab.2 Comparison of COP in summer

針對這一情況，考慮到上述工況的COP的逐年降低及地下溫度的持續(xù)增高，對系統(tǒng)進行優(yōu)化，增加了冷卻塔輔助系統(tǒng)。運行管理部門在2006年7月停止使用土壤源熱泵系統(tǒng)，改用冷卻塔進行夏季制冷。圖3中顯示，經(jīng)過4年的夏季間歇期，2009年冬天土壤溫度相比2005年同等時期低7～10℃。一方面是由于2006年至2009年夏季停止運行土壤源熱泵系統(tǒng)，僅進行冬天的取熱，造成地下熱量不平衡，土壤溫度下降，每年土壤平均溫度下降;另一方面是由于2009年氣溫持續(xù)偏低，低溫階段持續(xù)時間長，運行管理單位由原來每天運行17 h改為22 h運行，取熱時間長，熱負荷較大，導(dǎo)致土壤溫度下降速率增大。對應(yīng)此時的地下溫度系統(tǒng)運行工況下見表3，機組的COP降到了3.18。在系統(tǒng)運行期間，由于熱泵機組承擔(dān)負荷的變化，使得地下溫度場波動較大，如圖4所示。圖5為該供暖期內(nèi)某4天的機組進出水溫度變化情況，可以看出地埋管側(cè)進出水溫差為0.6℃，溫差較小，機組是依靠增大水流量來使機組的COP維持在一定的節(jié)能水平，但大流量小溫差的措施會使系統(tǒng)的耗電量增加，帶來系統(tǒng)COP的顯著下降。

圖4 2010年冬季地下溫度場變化Fig.4 The soil temperature changes in the winter of 2010

圖5 2010年冬季機組進出水溫度變化Fig.5 The outlet water temperature changes in the winter of 2010

可以看出，地下溫度場溫度過低，夏季停止使用土壤源熱泵時間過長，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以歸納出夏季停止使用土壤源熱泵兩年即可，不應(yīng)該長時間只進行取熱不進行排熱，否則會導(dǎo)致土壤溫度過低，地下溫度場波動過大。

表3 系統(tǒng)運行工況Tab.3 The operating conditions of GSHPS

由于土壤溫度下降，2010年夏季重新啟用地源熱泵系統(tǒng)制冷。2010年5月25日制冷期設(shè)定的制冷溫度為12℃，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)見表，2010年6月11日后制冷溫度調(diào)為7℃，系統(tǒng)現(xiàn)仍處于一個相對較高的節(jié)能水平，從地下溫度來看，土壤溫度場溫度變化很平穩(wěn)，這與系統(tǒng)進行了優(yōu)化作用有直接關(guān)系。

圖3和圖4所示的土壤溫度場變化曲線可以看出，該工程同一深度、地埋孔周圍不同距離的各測點溫度曲線變化明顯，能夠較直觀的反映該工程的吸熱和排熱工況，各監(jiān)測點溫度曲線變化趨勢總體一致，且周期性變化規(guī)律基本相似。供暖期內(nèi)，各測點處土壤溫度監(jiān)測值隨著供暖時間延續(xù)、系統(tǒng)啟停而波動，且距地埋換熱孔不同距離的同一深度地層內(nèi)土壤溫度逐漸降低，溫度變化在4～8℃之間。制冷期內(nèi)，同樣隨系統(tǒng)啟停而波動，不同監(jiān)測點均表現(xiàn)為土壤溫度逐漸升高，但升高幅度不同，距離換熱孔越近，土壤溫度升高越大，且受系統(tǒng)運行影響而溫度變化波動越明顯。隨著時間的長期運行，相鄰兩監(jiān)測點之間的溫度差值越來越大。通過啟用冷卻塔，停止夏季排熱工況，使得該溫度差值逐漸減小，由圖3可以看出，2010年夏季不同監(jiān)測點的溫度情況已經(jīng)發(fā)生明顯改變，相鄰兩監(jiān)測點的溫差很小，這說明土壤的熱堆積現(xiàn)象已消失。

3 結(jié)論

(1)通過對土壤源熱泵系統(tǒng)長期測試試驗，天津地區(qū)公共建筑存在著建筑冷熱負荷不平衡的特點，若不采取輔助措施，長期運行時，隨著土壤溫度的升高對土壤源熱泵夏季運行工況帶來嚴重危害，導(dǎo)致夏季運行不正常，達不到節(jié)能的目的。

(2)在土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計過程中，要考慮土壤取熱和放熱的不平衡性，在保證經(jīng)濟性的前提下，通過增加其他輔助措施，力求保證經(jīng)過一個周期后土壤的熱量基本平衡，并對有可能出現(xiàn)的問題，給運行管理部門提出合理的建議。

(3)系統(tǒng)的最初設(shè)計與實際運行情況之間存在或大或小的差異，長期運行過程中，氣候的變化、建筑需求的變化、運行工況的變化都可能會導(dǎo)致土壤溫度的熱堆積或冷堆積，導(dǎo)致系統(tǒng)性能的惡化。

(4)土壤出現(xiàn)熱堆積的情況下，可通過夏季合理利用冷凝器廢熱的其他途徑 (如生產(chǎn)生活熱水等)減少排入地下的熱量，或用冷卻塔進行輔助制冷，或減少夏季土壤源熱泵的運行時間等，避免地溫的持續(xù)升高。啟用冷卻塔后，需要注意土壤溫度恢復(fù)情況，夏季停歇時間不宜太長，防止出現(xiàn)相反的土壤冷堆積現(xiàn)象。土壤持續(xù)出現(xiàn)冷堆積的情況下，可通過冬季太陽能輔助供暖或夏季太陽能輔助蓄熱等方式。

(5)專業(yè)有效地監(jiān)督管理很重要。要及時觀測系統(tǒng)運行中地埋管進出水溫度的變化，采取合理有效地解決方案，并觀測地下溫度場的恢復(fù)情況，防止出現(xiàn)相反的情況。

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