地源熱泵多年運(yùn)行工況對土壤溫度場的影響

程向明，張玉瑾

（1.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009；2.河北建筑工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河北 張家口075000）

地源熱泵多年運(yùn)行工況對土壤溫度場的影響

程向明1，張玉瑾2

（1.蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009；2.河北建筑工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河北 張家口075000）

比較了地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器周圍土壤溫度場的主要影響因素，通過建立近邊界與遠(yuǎn)端土壤傳熱模型，用數(shù)值計(jì)算和實(shí)測數(shù)據(jù)分析了地源熱泵在連續(xù)運(yùn)行10年期間不同工況對地下土壤溫度場的影響，比較了系統(tǒng)在短期與長期連續(xù)運(yùn)行對土壤溫度場影響的異同，得出了常年運(yùn)行狀況下土壤溫度場的變化規(guī)律，對系統(tǒng)運(yùn)行后期地下溫度場的變化做了預(yù)測。

地源熱泵；傳熱模型；土壤溫度場；影響因素

隨著地源熱泵連續(xù)多年的運(yùn)行，土壤的熱物性及埋管周圍的土壤溫度場會隨著系統(tǒng)的常年使用發(fā)生改變，其使用過程中暴露的問題也逐漸引起了研究人員的關(guān)注。例如，Strocken College的土壤源熱泵系統(tǒng)的土壤換熱器區(qū)域溫度10年間上升了11℃，這是由于建筑冷負(fù)荷高于熱負(fù)荷引起了地下熱量積聚，從而造成地下?lián)Q熱器換熱效率下降［1-2］；有研究發(fā)現(xiàn)，灌漿材料的導(dǎo)熱率會影響管壁周圍土壤的溫度場［3-4］；換熱器周圍土壤的傳熱是一個復(fù)雜的變化過程，其溫度場受到多種因素的影響［5］。地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時間越長，埋管周圍土壤溫度場受到影響的程度就越大，而埋管區(qū)域內(nèi)土壤溫度場的變化直接影響到地埋管換熱器的換熱性能，進(jìn)而制約整個熱泵系統(tǒng)的效率。因此，研究土壤源熱泵系統(tǒng)在不同換熱強(qiáng)度、不同地質(zhì)等條件下連續(xù)多年運(yùn)行時，地埋管區(qū)域內(nèi)土壤溫度場的不同分布規(guī)律有其重要意義。

1　地埋管區(qū)域內(nèi)土壤溫度場的主要影響因素

地埋管區(qū)域內(nèi)的土壤溫度場隨著系統(tǒng)的運(yùn)行是不斷變化的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行工況的不同都會對溫度場產(chǎn)生一定的影響，因此，研究并總結(jié)土壤溫度場的主要影響因素并預(yù)測其變化規(guī)律，對整個系統(tǒng)運(yùn)行策略的制定有很大的實(shí)際意義。

1.1系統(tǒng)所在地的地質(zhì)條件是影響土壤溫度場的直接因素

土壤熱物性。影響地埋管換熱器周圍土壤的傳熱性能最直接的因素有土壤的比熱、導(dǎo)熱系數(shù)與導(dǎo)溫系數(shù)［6］。土壤的比熱是指單位質(zhì)量或容積的土壤每升高或降低1℃所需要的熱量，一定的地區(qū)土壤的熱容量大小主要取決于土壤的含水量，土壤的含水量越大，則土壤的熱容量越大，土壤溫度越穩(wěn)定。土壤的導(dǎo)熱系數(shù)表示大地的傳熱能力，因此，土壤導(dǎo)熱率取決于固體顆粒接觸緊密程度以及顆粒間孔隙中水分取代空氣的程度［7］。土壤的導(dǎo)溫系數(shù)對于土壤的傳熱特性有重要影響，對土壤溫度自然恢復(fù)快慢及狀況起決定性的作用。

地下水滲流。無地下水滲流存在時地下埋管周圍土壤的溫度隨著深度的增加而升高，而且埋管周圍土壤的溫度相對于中心埋管中心基本呈現(xiàn)對稱分布；有滲流時，靠埋管附近滲流區(qū)的溫度比在非滲流區(qū)溫度要低，但遠(yuǎn)離埋管區(qū)土壤的溫度仍然隨著深度的增加而升高［8］。此外，相同滲流區(qū)域內(nèi)滲流速度的增加也會造成附近土壤溫度的降低，進(jìn)而影響地埋管的出水溫度。

1.2地埋管換熱器的特性是影響土壤溫度場的潛在因素

就換熱器的形式而言，單U型和雙U型換熱器對土壤溫度場的影響具有相同規(guī)律。在合適的流量下，雙U型管換熱性能優(yōu)于單U型管，對換熱器周圍土壤溫度場的作用范圍也較大，土壤溫度的自我恢復(fù)時間有所延長，隨著土壤深度的增加，雙U型管對土壤溫度場的影響范圍也較單U管廣。埋管方式的改變也會影響土壤溫度場的均勻性。在相同的地埋管管距、不同的排列形式運(yùn)行工況下，以順排形式進(jìn)行放熱時土壤溫度場的不均勻性更大，總體溫升更低，當(dāng)?shù)芈窆転榻徊媾判问竭M(jìn)行放熱時，土壤溫度場的不均勻性更小，總體溫升更高。系統(tǒng)短時間運(yùn)行時，交叉排列的埋管形式優(yōu)于其他排列形式，當(dāng)溫升堆積程度有增加趨勢時，順排比交叉排列更有利于土壤溫度場的自我恢復(fù)。

1.3系統(tǒng)運(yùn)行工況的變化是影響土壤溫度場的決定性因素

在地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用中，對土壤釋熱與取熱的不平衡是最常見的問題之一，除了建筑負(fù)荷的不均，系統(tǒng)本身的間歇運(yùn)行與長期連續(xù)運(yùn)行也會造成類似的問題。短時間運(yùn)行后土壤若恢復(fù)到運(yùn)行前的情況，那么地源熱泵系統(tǒng)接下來的運(yùn)行將會取得良好的效果，相反，若經(jīng)歷若干年連續(xù)運(yùn)行后地下溫度場發(fā)生顯著變化，則會降低此地區(qū)施行地源熱泵系統(tǒng)的可行性。因此，在設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)時，要在整個系統(tǒng)運(yùn)行的有效期內(nèi)，掌握連續(xù)長期運(yùn)行時該地區(qū)地下溫度場的變化規(guī)律。筆者通過建立土壤傳熱模型，模擬具體地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行10年間地下土壤溫度場的變化規(guī)律，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，得出常年運(yùn)行工況的溫度場變化規(guī)律并預(yù)測變化方向。

2　土壤傳熱模型的建立

土壤傳熱模型建立的目的是方便準(zhǔn)確的求解土壤周圍的溫度場的變化，在設(shè)計(jì)地?zé)釗Q熱器時，地下?lián)Q熱器在連續(xù)10年以上的工作年限內(nèi)能夠高效工作，模擬時間都較長，間歇工況的傳熱模型已不能滿足要求，此時必須采用合理的埋管內(nèi)外的傳熱模型［9］。

2.1換熱器管內(nèi)傳熱模型

該文以實(shí)際地源熱泵工程為依托，采用雙U型管作為換熱埋管，采用準(zhǔn)三維有限長線熱源模型來研究鉆孔內(nèi)部傳熱，對于巖土和鉆孔回填材料中的橫向?qū)峥梢院雎圆挥?jì)。此時雙U型管4個管道壁面附近過余溫度疊加方程為

式中：q1、q2、q3、q4為雙U型管四根支管單位長度的熱流密度；Rii為各支管內(nèi)流體與鉆孔壁之間的熱阻；Tb為孔壁沿深度方向的溫度。

根據(jù)能量方程可得無量綱能量平衡方程為

將此方程組在無量綱定解條件θ1（1）＝θ3（1），θ1（0）＝1下可推出埋管換熱器循環(huán)流體出口溫度為

2.2孔壁外土壤傳熱模型

式中T為土壤的瞬態(tài)溫度，℃；τ為時間，s；r為對稱溫度場的分布半徑，m；λ為土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，W·（m·℃）－1；ρ為土壤密度，kg·m－3；cp為土壤的比熱，kJ·（kg·℃）－1。

鉆孔與土壤的換熱可認(rèn)為關(guān)于鉆孔中心呈軸對稱傳熱，這樣傳熱模型可簡化為二維非穩(wěn)態(tài)過程。用柱坐標(biāo)表示二維非穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱方程為［10-11］

土壤表面對流換熱系數(shù)根據(jù)地區(qū)不同而定，外界平均溫度隨時間變化，冬、夏季平均溫度取值也因地區(qū)而異。在對埋管換熱器傳熱模型進(jìn)行合理的簡化后，根據(jù)研究中慣用的方法，利用Ansys有限元法建立了換熱管附近土壤的物理模型并模擬了不同工況下土壤溫度場的分布。

3　不同工況下土壤溫度場分析

該文以青島市某建筑的土壤源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺為依托，其總建筑面積為430 m2，空調(diào)總面積為370 m2。空調(diào)系統(tǒng)由數(shù)碼渦旋水冷多聯(lián)機(jī)與埋管側(cè)水系統(tǒng)組成。該建筑的最大冷負(fù)荷25.2 kW，最大熱負(fù)荷值23.1 kW，冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷，從而根據(jù)最大冷負(fù)荷確定所需打孔數(shù)為6孔。在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行孔中地下不同深度處布置鉑電阻，其相鄰測點(diǎn)間的距離最大為10 m，測試的溫度數(shù)值傳送到實(shí)驗(yàn)室的溫度數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行分析處理。由于此系統(tǒng)已連續(xù)運(yùn)行10年，積累了大量數(shù)據(jù)，文中通過對設(shè)計(jì)工況下土壤溫度場的模擬和數(shù)據(jù)對比，分析短時間（1年）和長期（10年）連續(xù)運(yùn)行下不同換熱量和不同土質(zhì)條件土壤溫度場的變化趨勢。

3.1設(shè)計(jì)工況下土壤溫度場模擬結(jié)果與分析

系統(tǒng)機(jī)組平均制冷COP為5.5，冬季平均制熱性能系數(shù)為4.5，當(dāng)系統(tǒng)每延米換熱量為30 W·m-1時，通過模擬得出孔壁附近土壤在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行1年和10年溫度變化曲線和埋管附近土壤周圍溫度變化的實(shí)測曲線圖（如圖1、圖2）。

圖1　設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)運(yùn)行1年過程中近邊界溫度的模擬曲線　

圖2　地埋管周圍土壤平均溫度10年變化測試曲線

近邊界溫度是聯(lián)系鉆孔內(nèi)和鉆孔外傳熱的關(guān)鍵溫度，比較模擬圖和實(shí)測結(jié)果可以看出，由于建筑物冷熱負(fù)荷的不均勻，導(dǎo)致土壤中熱量堆積程度逐年升高是在所難免的，管壁周圍最高溫度10年來上升了10.6%，并還有逐年升高的趨勢。過渡季中土壤進(jìn)行自然恢復(fù)，在系統(tǒng)運(yùn)行時間不長（1年）時，土壤溫度尚可恢復(fù)到初始狀態(tài)，此時系統(tǒng)的短時間運(yùn)行尚未對地下?lián)Q熱器周圍土壤溫度場的冷熱平衡造成破壞，當(dāng)運(yùn)行時間距系統(tǒng)初次啟動超過1 100 d土壤溫度沒有恢復(fù)到初始狀態(tài)，說明系統(tǒng)經(jīng)過連年的運(yùn)行，埋管周圍土壤出現(xiàn)了熱堆積現(xiàn)象。此外，越靠近管壁區(qū)域，溫度上升的梯度越大；遠(yuǎn)離換熱器管壁的土壤溫度在短期內(nèi)基本穩(wěn)定在平均溫度附近。

3.2不同換熱量工況下土壤溫度場分析

改變系統(tǒng)的每延米換熱量，分別模擬了15、30、60 W·m-1工況時換熱器周圍溫度的變化規(guī)律如圖3，并將10年來周圍土壤平均溫度的實(shí)際變化趨勢繪制成曲線圖4。

圖3　三種工況下土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行1年換熱器近邊界土壤溫度趨勢模擬圖

圖4　不同換熱量工況下埋管周圍土壤平均溫度10年實(shí)際變化曲線圖

對比圖3、圖4的曲線變化趨勢可以看出，在不同換熱量工況下常年運(yùn)行后近邊界土壤溫度場的變化趨勢與設(shè)計(jì)工況下的變化趨勢十分一致，但隨著換熱量的不斷增大，土壤熱堆積程度越來越嚴(yán)重，到第10年運(yùn)行結(jié)束時，15 W·m-1工況下土壤溫度比原來上升了5.75%，60 W·m-1工況下溫度溫度上升28.75%。圖3中各曲線的谷值表示制冷季結(jié)束后土壤溫度的恢復(fù)值，當(dāng)運(yùn)行10年時，在換熱量在30 W·m-1以下時，過渡季結(jié)束后土壤溫度基本能恢復(fù)到原來的85%，當(dāng)換熱量達(dá)到60 W·m-1時，土壤溫度僅僅能恢復(fù)到原來的67.8%。通過圖4對比15、30和60 W·m-1換熱量工況下埋管周圍土壤平均溫度10年的變化，可知三種工況的土壤平均溫度變化趨勢相同，呈逐年直線上升趨勢。當(dāng)換熱量低于30 W·m-1時，平均熱堆積率不是很明顯，上升趨勢接近直線，當(dāng)換熱量為2倍設(shè)計(jì)工況時，土壤溫度隨著時間的變化率呈等比數(shù)列增長，并在10年后可能不再遵循直線變化規(guī)律，有可能呈對數(shù)規(guī)律增長。這說明系統(tǒng)常年連續(xù)運(yùn)行時，比較運(yùn)行時間和系統(tǒng)換熱量的變化對土壤溫度場的影響，換熱量工況的變化是起主要作用的。

3.3不同土質(zhì)條件下地下溫度場對比分析

在系統(tǒng)10年運(yùn)行后，不僅換熱量的變化會導(dǎo)致土壤溫度場發(fā)生很大的變化，土質(zhì)條件的不同，運(yùn)行時間的長短仍對土壤溫度場的變化有很大的影響。文中在其他條件不變的情況下，模擬每延米換熱量30 W·m-1工況下不同土壤條件和運(yùn)行時間對土壤溫度的影響。

圖5　三種土質(zhì)條件下土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行1年近邊界土壤溫度模擬曲線

圖6　三種土質(zhì)條件下埋管周圍土壤平均溫度10年變化模擬曲線

從圖5可以看出，系統(tǒng)短時間運(yùn)行時，三種土質(zhì)條件下鉆孔壁溫的變化趨勢相同，但溫度變化幅度不同。說明經(jīng)過過渡季的恢復(fù)，不同的土質(zhì)基本都能使土壤溫度恢復(fù)到原來的溫度，但恢復(fù)的程度以導(dǎo)熱系數(shù)最小的黏土為最好，但同時黏土的蓄熱能力也決定了系統(tǒng)在運(yùn)行時會對地下土壤造成很大的溫升。根據(jù)圖6顯示，在系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10年后，地下土壤溫度場熱量堆積程度最大的也是黏土，在近邊界處最高溫度升至40.8℃，最低溫度降至6.9℃。事實(shí)上當(dāng)孔壁溫度上升到40℃時，埋管與周圍土壤的換熱能力已經(jīng)大大降低，這也使得機(jī)組的COP下降，對于機(jī)組與系統(tǒng)的運(yùn)行不利。究其原因一方面說明黏土的保溫性能優(yōu)于其他兩種土質(zhì)外，另一方面黏土較小的孔隙率也會減弱地下水滲流，從而使熱量很難擴(kuò)散。所以，在土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要充分考慮工程所處地區(qū)的地質(zhì)情況。對于土壤導(dǎo)熱系數(shù)較小的地區(qū)，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行5年以上就宜考慮采用輔助冷卻（加熱）的復(fù)合式熱泵系統(tǒng)來緩解熱堆積問題。相比之下，砂土和砂巖以其高導(dǎo)熱、高孔隙率的特性，有利于地下熱量的轉(zhuǎn)移，適合做地源熱泵長時間連續(xù)運(yùn)行的換熱介質(zhì)。

4　結(jié)語

通過對不同工況下地源熱泵系統(tǒng)連續(xù)10年運(yùn)行過程中地下溫度場的分析，可總結(jié)出土壤溫度場與短時間運(yùn)行工況下的異同，總結(jié)出的規(guī)律仍可預(yù)測10年后地下溫度場的變化趨勢，對地源熱泵系統(tǒng)的后期運(yùn)行起到實(shí)際的指導(dǎo)作用。（1）在系統(tǒng)負(fù)荷不均勻的工況運(yùn)行時，土壤熱堆積的現(xiàn)象不可避免，隨著運(yùn)行時間的增加，熱堆積效應(yīng)逐年加強(qiáng)，在系統(tǒng)運(yùn)行后期，地下土壤溫度滿足不了換熱器的換熱效果時，需增加輔助冷卻手段。（2）系統(tǒng)換熱量超過設(shè)計(jì)工況會在系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行超過10年后加劇地下土壤溫度的升高，若地源熱泵系統(tǒng)處于良好的地質(zhì)條件下，系統(tǒng)運(yùn)行后期土壤溫度的熱堆積程度將得到有效的控制；否則會大大降低機(jī)組COP。（3）在地源熱泵運(yùn)行的后期階段，都會出現(xiàn)土壤溫度過高或過低的現(xiàn)象，這將會降低熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能。所以，在土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要選擇合適的打孔數(shù)量并充分考慮工程所處地區(qū)的地質(zhì)情況。長時間無間歇運(yùn)行工況應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)較大，土壤孔隙率較高，地下水滲透較好的地質(zhì)條件。

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責(zé)任編輯：謝金春

Effect of a decade running ground source heat pump on soil temperature field

CHENG Xiangming1，ZHANG Yujin2
（1.School of Environmental Science and Engineering，SUST，Suzhou 215009，China；2.School of Mechanical Engineering，Hehei University of Architecture，Zhangjiakou 075000，China）

We have compared the main influence factors of soil temperature field around the ground heat exchanger of ground heat pump system.According to the operation data of ground source heat pump system of the past 10 years，it is found that the temperature field of the underground soil is affected by different operating conditions.Based on numerical calculation and experimental data，these factors were analyzed by establishing the heat transfer model of the soil near the boundary and the distal end.The differences and similarities of soil temperature field in the short term and long term continuous operation system were also analyzed.The changing patterns of the soil temperature field in a decade are obtained.In addition，we predicted the change of the temperature field in the late stage of operation.

ground heat pump system；heat transfer model；soil temperature field；influence factors

TK89

A

1672-0687（2016）03-0071-05

2015-11-08

江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目（14KJA610001）

程向明（1985-），男，安徽宿州人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：暖通空調(diào)。