土壤源熱泵間歇運(yùn)行條件下土壤換熱特性分析

唐文龍,張 季,汪麗娟,袁安冬,王海濤

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

與傳統(tǒng)空調(diào)相比，地源熱泵因?yàn)榭梢蕴峁└叩目照{(diào)能效，其已在建筑供能領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-2]。然而，地源熱泵系統(tǒng)夏冬季負(fù)荷不平衡，隨著土壤源熱泵機(jī)組的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，地埋管的熱平衡狀態(tài)被打破，造成埋管區(qū)域土壤冷/熱量累積，使機(jī)組運(yùn)行工況惡化[3]，最終可能導(dǎo)致地埋管地源熱泵系統(tǒng)失去作用。針對(duì)此問(wèn)題，高青等[4]提出利用間歇運(yùn)行工況，給予土壤一定的恢復(fù)時(shí)間，在緩解熱堆積的同時(shí)增強(qiáng)地埋管的換熱效率。李鈺楠等[5]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行間歇運(yùn)行可以降低土壤的溫度變化幅度，促進(jìn)土壤的熱平衡并減輕了系統(tǒng)的熱不平衡。閔杰等[6]利用實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)地埋管系統(tǒng)單位井深換熱量隨系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間的增大而減小，系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng)，土壤溫度與初始溫度之間的差距越大。吳晅等[7]研究了地埋管出水溫度與系統(tǒng)開(kāi)停比之間的關(guān)聯(lián)，結(jié)果表明：地埋管出口溫度隨著熱泵開(kāi)停比的減小表現(xiàn)出溫度下降趨勢(shì)。Pei G等[8]在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出，間歇運(yùn)行的提取能量比連續(xù)運(yùn)行高36.44 kw·h；呂藝青等[9]研究了不同間歇運(yùn)行模式下機(jī)組的能效系數(shù)，結(jié)果表明在運(yùn)行2 h停機(jī)2 h的間歇運(yùn)行模式下，機(jī)組COP平均值比連續(xù)運(yùn)行 12 h 高出6.2%。王亮等[10]將分區(qū)運(yùn)行與間歇運(yùn)行結(jié)合提出的運(yùn)行方案能降低機(jī)組20%的能耗。陳穎等[11]研究表明，夏熱冬暖地區(qū)對(duì)單U管和雙U管兩種地埋管地源熱泵系統(tǒng)在開(kāi)停比3 h∶5h的情況下，分別可使單、雙U井的換熱能力提高8.3%和10.2%。在開(kāi)停比4 h∶5h的情況下，分別可使單、雙U井的換熱能力提高7.6%和3.1%。王剛等[12]對(duì)熱泵效率和運(yùn)行時(shí)間周期之間的關(guān)系進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱泵制熱能力相同時(shí)，減少時(shí)間周期，降低運(yùn)行時(shí)間，可以提高地埋管流體出口溫度，提高熱泵效率。羅仲等[13]研究了間歇運(yùn)行后土壤恢復(fù)過(guò)程中溫度變化情況，結(jié)果表明：在停歇后 10 h 內(nèi)，土壤平均溫度得到有效的恢復(fù)，計(jì)算出的土壤平均溫度恢復(fù)比范圍在79.0%～88.0%。吳春玲等[14]對(duì)機(jī)組的間歇運(yùn)行進(jìn)行了30年的模擬，結(jié)果表明：土壤溫度主要的波動(dòng)上升階段在機(jī)組運(yùn)行的前15年內(nèi)，后15年上升幅度減緩。Cao X等[15]對(duì)間歇比(停止時(shí)間∶啟動(dòng)時(shí)間)分別為0.7、1、1.4、2、3的5種間歇運(yùn)行模式進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果表明當(dāng)間歇比為3時(shí)，由于停止運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，土壤恢復(fù)性能最好，同時(shí)隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，間歇運(yùn)行產(chǎn)生的熱量增強(qiáng)更加明顯。 Chaofeng L等[16]通過(guò)建立地埋管的模型，研究運(yùn)行模式對(duì)地源熱泵系統(tǒng)性能系數(shù)的影響：結(jié)果表明在與土壤交換熱量相同的情況下，開(kāi)機(jī)時(shí)間越短，土壤溫度變化越大，土壤溫度恢復(fù)速度越快。

綜上所述：對(duì)于土壤源熱泵間歇運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)和模擬大多是研究在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下啟停比對(duì)地埋管換熱的影響，而對(duì)短時(shí)間內(nèi)啟停比對(duì)地埋管換熱及土壤溫度恢復(fù)的影響缺乏研究。本文基于相似性準(zhǔn)則，搭建與實(shí)際地埋管換熱器形式相近的小型土壤源熱泵試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行土壤蓄放熱過(guò)程地埋管傳熱特性研究，分析間歇運(yùn)行工況時(shí)地埋管換熱量、土壤平均溫度恢復(fù)比及恢復(fù)速率等因素，探討間歇運(yùn)行時(shí)埋管周?chē)寥罍囟葓?chǎng)的短期變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

地埋管試驗(yàn)臺(tái)主要包括恒溫水箱、豎直單U型地埋管、豎直雙U型地埋管、實(shí)驗(yàn)砂土箱、T型熱電偶、fluke2638a型號(hào)數(shù)據(jù)采集儀, 如圖1所示。其中實(shí)驗(yàn)臺(tái)為1.5 m×1.5 m×1.5 m的不銹鋼外殼箱體，為了減少散失的熱量，實(shí)驗(yàn)砂箱四壁包裹100 mm聚苯板保溫材料。U型地埋管材質(zhì)為銅管，采用絕熱軟管將銅管與恒溫水箱連接，內(nèi)外徑分別為5、8 mm，埋管中心距75 mm，埋管深度1 300 mm。將埋管中心定為坐標(biāo)原點(diǎn)，采用密集布置的方式在土壤中層750 mm深度處將熱電偶(選用的T型熱電偶其誤差不超過(guò)±0.1 ℃)鋪設(shè)在埋管附近溫度變化劇烈的區(qū)域，在水平方向共布置5個(gè)點(diǎn)，與埋管的相對(duì)距離分別為10、50、70、150、300 mm。溫度傳感器與 fluke2638a數(shù)據(jù)采集儀連接,如圖2所示。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)

圖2 溫度傳感器布置(單位：mm)

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)及其計(jì)算方法

2.1 地埋管換熱量

供回水溫度、流量的地埋管換熱量Q可通過(guò)式(1)計(jì)算，即

Q=ρVCP(t0-ti) ,

(1)

式中：Q是在熱泵運(yùn)行穩(wěn)定后的換熱量，kW；V是流體的體積流量 ，m3/h；ρ是水的密度, kg/m3；CP是流體的定壓比熱容，J/(kg·℃)；t0是流體進(jìn)口溫度，℃；ti是流體出口溫度，℃。

2.2 單位管長(zhǎng)換熱量

代表地埋管換熱能力的單位管長(zhǎng)換熱量可通過(guò)式(2)計(jì)算，即

(2)

式中：Q是地埋管換熱量，W；H是地埋管縱向方向上埋藏深度，m；n是U型管數(shù)量，本文中單U管n=2，雙U管n=4。

2.3 土壤平均溫度恢復(fù)比及溫度恢復(fù)速率

定義機(jī)組停歇后能夠恢復(fù)到初始地溫的程度為土壤溫度恢復(fù)比ε1，土壤溫度恢復(fù)速率為ε2。

(3)

(4)

式中：t是土壤源熱泵系統(tǒng)各運(yùn)行與停歇階段土壤平均溫度，℃；tm是停歇開(kāi)始時(shí)刻土壤平均溫度，℃；ts是機(jī)組運(yùn)行土壤平均溫度，℃；τ是停歇時(shí)間，h。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 連續(xù)運(yùn)行工況下土壤溫度的變化規(guī)律

在埋管進(jìn)口流體溫度為42 ℃，流量為1.2 m3/h的情況下，單U管和雙U管在土壤深度750 mm時(shí)各徑向距離土壤逐時(shí)溫度變化情況如圖3～4所示。

圖3 單U管徑向距離土壤逐時(shí)溫度

圖4 雙U管徑向距離土壤逐時(shí)溫度

從圖3～4中可以看出，在熱泵運(yùn)行開(kāi)始時(shí)，距離管壁10 mm的平均土壤溫度為27.8 ℃，在熱泵運(yùn)行的初期(0～4 h)，此時(shí)管壁附近的溫升速率最大。隨著機(jī)組的運(yùn)行，管壁附近的土壤溫度呈遞增趨勢(shì)，土壤與流體間的溫差開(kāi)始縮減，土壤溫升速率開(kāi)始衰弱。同時(shí)熱電偶距離埋管中心越遠(yuǎn)，測(cè)得的溫度越低，單位時(shí)間內(nèi)溫升速率越低，在距熱源50和70 mm處測(cè)點(diǎn)溫升幅度下降趨勢(shì)增大，超過(guò)150 mm后測(cè)點(diǎn)溫度波動(dòng)范圍極小。

當(dāng)單U管運(yùn)行2 h后，徑向距離10、50、70 mm處的土壤溫度分別為28.88、28.78、28.58 ℃。運(yùn)行4 h后徑向距離10、50、70 mm處的土壤溫度為29.78、29.28、28.75 ℃。徑向距離10 mm處的溫升幅度分別比50和70 mm處高出44%和81%，具體數(shù)值變化如圖5所示。

圖5 單U管徑向距離土壤溫度變化情況

對(duì)于單U管系統(tǒng)，運(yùn)行12 h后，距離管壁10 mm的土壤溫升速度率從開(kāi)始的0.54 ℃/h下降至0.01 ℃/h。對(duì)于雙U管系統(tǒng)，其距離管壁10 mm處的土壤溫升速率從開(kāi)始的2.19 ℃/h下降至0.03 ℃/h。結(jié)果表明，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，管壁處土壤溫升速率逐漸變小趨于穩(wěn)定，在同一時(shí)間段內(nèi)雙U型地埋管換熱器管壁處土壤溫升速率高于單U管，說(shuō)明雙U管的換熱效率高于單U管，如圖6所示。根據(jù)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知土壤溫度主要上升區(qū)段集中于開(kāi)機(jī)后0～6 h，單U管在前2、4、6 h能達(dá)到土壤溫度穩(wěn)定值的38%、69%、85%。而雙U管在前2、4、6 h能達(dá)到土壤溫度穩(wěn)定值的67%、85%、92%。

圖6 土壤溫升速率

3.2 間歇運(yùn)行工況下土壤溫度的變化規(guī)律

在埋管進(jìn)口流體溫度為42 ℃，流量1.2 m3/h的情況下，分別進(jìn)行5種運(yùn)行模式的實(shí)驗(yàn)，如表2所示。方案1為連續(xù)運(yùn)行工況；方案2為方案3的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，探究在相同啟停比的情況下機(jī)組啟停次數(shù)對(duì)土壤溫度恢復(fù)的影響；方案3、4、5為探究停機(jī)時(shí)間同為2 h的情況下，運(yùn)行時(shí)間的增加對(duì)土壤溫度恢復(fù)的影響。

表2 地源熱泵運(yùn)行策略方案

在12 h連續(xù)運(yùn)行的基礎(chǔ)方案下，研究間歇運(yùn)行策略對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效果的影響。不同的運(yùn)行策略導(dǎo)致地下溫度分布的差異較大，熱泵在不同運(yùn)行狀況下單U管和雙U管在徑向距離為10 mm處，土壤溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖7～8所示。

圖7 單U管間歇運(yùn)行時(shí)土壤逐時(shí)溫度

圖8 雙U管間歇時(shí)運(yùn)行土壤逐時(shí)溫度

由圖7～8可以看出,不同的開(kāi)機(jī)時(shí)間導(dǎo)致地下溫度分布的差異較大。在連續(xù)運(yùn)行12 h的情況下，單U管和雙U管周?chē)耐寥罍囟瘸手饾u遞增的趨勢(shì)，都是在熱泵運(yùn)行的初期(0～4 h)溫度上升趨勢(shì)明顯，4 h后上升速度減慢，經(jīng)過(guò)12 h后土壤溫度趨于穩(wěn)定。在間歇運(yùn)行中，土壤溫度呈先升后降的周期性變化情況。

方案2和3的運(yùn)行模式分別為開(kāi)機(jī)6 h、停機(jī)6 h和開(kāi)機(jī)2 h、停機(jī)2 h，重復(fù)此模式，共運(yùn)行12 h。此時(shí)土壤逐時(shí)溫度變化如圖9所示。停機(jī)后的6 h內(nèi)單U管周?chē)寥罍囟葟?0.18 ℃降至28.77 ℃，土壤溫度恢復(fù)速率為0.235 ℃/h，土壤平均溫度恢復(fù)比為53.4%。雙U管周?chē)寥罍囟葟?1.98 ℃降至29.54 ℃，土壤溫度恢復(fù)速率為0.396 ℃/h，土壤平均恢復(fù)比為55.94 %。

圖9 開(kāi)停時(shí)間比6h∶6h土壤逐時(shí)溫度

在3次啟停后，單U管周?chē)寥缽?9.35 ℃降至29.01 ℃，土壤溫度恢復(fù)速率為0.17 ℃/h，土壤平均回復(fù)比為19.4%。雙U管周?chē)寥缽?1 ℃降至30.24 ℃，土壤溫度恢復(fù)速率為0.38 ℃/h，土壤平均恢復(fù)比為24%,土壤逐時(shí)溫度變化如圖10所示。

圖10 開(kāi)停時(shí)間比2 h∶2 h土壤逐時(shí)溫度

方案4和5的運(yùn)行模式分別為開(kāi)機(jī)3 h、停機(jī)2 h和開(kāi)機(jī)4 h、停機(jī)2 h。兩次啟停后，單U管周?chē)寥缽?9.44 ℃降至29.09 ℃，土壤溫度恢復(fù)速率為0.16 ℃/h，土壤平均溫度恢復(fù)比為17%。雙U管周?chē)寥缽?1.49 ℃降至30.68 ℃，土壤溫度恢復(fù)速率為0.4 ℃/h，土壤平均恢復(fù)比為20%，土壤逐時(shí)溫度變化如圖11所示。

圖11 開(kāi)停時(shí)間比3 h∶2 h土壤逐時(shí)溫度

兩次啟停后，單U管周?chē)寥缽?9.91 ℃降至29.63 ℃，土壤溫度恢復(fù)速率為0.14 ℃/h，土壤平均溫度恢復(fù)比為11.1%。雙U管周?chē)寥缽?1.86 ℃降至31.26 ℃，土壤溫度恢復(fù)速率為0.3 ℃/h，土壤平均溫度恢復(fù)比為13%，土壤逐時(shí)溫度變化如圖12所示。

圖12 開(kāi)停時(shí)間比4 h∶2 h土壤逐時(shí)溫度

在啟停比不同的時(shí)候，土壤的溫度恢復(fù)比隨著啟停比的減小降低，將雙U管在運(yùn)行方案3、4、5下的土壤平均溫度恢復(fù)比做比較，可以發(fā)現(xiàn)方案3土壤溫度恢復(fù)比比方案4高出4%，比方案5高出11%。在啟停比相同的情況下開(kāi)機(jī)次數(shù)越多，地埋管周?chē)寥罍囟确逯翟降?；停機(jī)次數(shù)越少，土壤溫度恢復(fù)比越高。如將方案2與方案3的雙U管周?chē)寥罍囟缺容^可以發(fā)現(xiàn)方案2的土壤溫度恢復(fù)比比方案3高出27.24%，如圖13所示。

同時(shí)由于雙U管的換熱量比單U管高，使得雙U管的管壁土壤溫度比單U管大，向遠(yuǎn)處土壤傳遞溫度的速度快，在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出雙U管的土壤溫度恢復(fù)速率和土壤平均溫度恢復(fù)比均高于單U管。如在方案3、4、5中雙U管的土壤平均溫度恢復(fù)比分別比單U管高出了12%、15%、7%，土壤溫度恢復(fù)速率分別比單U管高出61%、73.3%、58.3%。

圖13 土壤平均溫度恢復(fù)比隨運(yùn)行方案的變化

3.3 間歇運(yùn)行工況下地埋管換熱量的變化規(guī)律

隨著熱泵機(jī)組的運(yùn)行，熱泵機(jī)組向地下釋放熱量，提高了土壤平均溫度，減小埋管內(nèi)流體與土壤的溫差，使地埋管單位管長(zhǎng)換熱量衰減，如圖14～15所示。

圖14 單U管間歇運(yùn)行單位管長(zhǎng)換熱量

圖15 雙U管間歇運(yùn)行單位管長(zhǎng)換熱量

當(dāng)開(kāi)始運(yùn)行4 h后，單U管的單位管長(zhǎng)換熱量從30.43 W/m降至24.28 W/m，降低了 20.1%。雙U管的單位管長(zhǎng)取熱量從52.33 W/m降至27.8 W/m，降低了 46.8%。運(yùn)行結(jié)束后，單U管各工況單位管長(zhǎng)取熱量大致分布在24～28 W/m，雙U管各工況單位管長(zhǎng)取熱量大致分布在26～30 W/m。開(kāi)停時(shí)間比為2 h∶2 h的情況下，在3次啟停后，單雙U管的單位管長(zhǎng)取熱量分別為30.07 W/m和27 W/m，分別比連續(xù)運(yùn)行工況下高出9.2%和14%；開(kāi)停時(shí)間比為3 h∶2 h的情況下，在2次啟停后，單、雙U管的單位管長(zhǎng)取熱量分別為28.7 W/m和26.2 W/m，分別比連續(xù)運(yùn)行工況下高出7.2%和10.05%；開(kāi)停時(shí)間比為4 h∶2 h的情況下，2次啟停后單、雙U管的單位管長(zhǎng)取熱量分別為27.76 W/m和26.1 W/m，分別比連續(xù)運(yùn)行工況下高出6.1%和7.9%。

間歇運(yùn)行中多次的啟停，增加了機(jī)組運(yùn)行的時(shí)間周期，減輕了埋管周?chē)寥罒崃康姆e累，有助于地埋管換熱量的增加。比如單U管和雙U管在開(kāi)機(jī)6 h，停機(jī)6 h運(yùn)行方案下最小地埋管換熱量分別為24.67 W/m和27.85 W/m；而在開(kāi)機(jī)2 h，停機(jī)2 h的方案下最小地埋管換熱量分別為26.73 W/m和30.8 W/m。可以發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)行時(shí)間和停歇時(shí)間相同的情況下，單U管的最小地埋管換熱量提高了7.7%，雙U管的最小地埋管換熱量提高了9.5%。

綜上所述，在同一時(shí)間段內(nèi)增加機(jī)組啟停次數(shù)，可以減輕埋管周?chē)寥罒崃康姆e累，提高了地埋管換熱器處于間歇運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的地?zé)崮芾眯??？膳c地埋管分區(qū)運(yùn)行策略結(jié)合[10]，在部分負(fù)荷下通過(guò)改變地埋管運(yùn)行的分區(qū)代替機(jī)組的啟停，達(dá)到提高地?zé)崮芾眯实哪康摹?/p>

4 結(jié)論

1) 系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行12 h后，地埋管徑向10 mm處土壤溫度基本穩(wěn)定，土壤溫度上升的主要區(qū)段集中于開(kāi)機(jī)后的0～6 h，在這個(gè)時(shí)間段單U管周?chē)寥罍囟冗_(dá)到了穩(wěn)定值的85%，雙U管達(dá)到了92%，其余點(diǎn)位溫度還有升高趨勢(shì)。

2) 在啟停時(shí)間比為2 h∶2 h、3 h∶2 h、4 h∶2 h的運(yùn)行模式下,地埋管單位管長(zhǎng)換熱量比連續(xù)運(yùn)行工況下高,單U管單位長(zhǎng)度換熱量分別比連續(xù)運(yùn)行工況下高9.2%、7.2%和6.1%，雙U管單位長(zhǎng)度換熱量分別比連續(xù)運(yùn)行工況下高14%、10.05%和7.9%。

3) 間歇運(yùn)行時(shí)，地埋管換熱器的啟停比與土壤平均溫度恢復(fù)比呈負(fù)相關(guān)。在啟停時(shí)間比為2 h∶2 h、 3 h∶2 h、 4 h∶2 h的運(yùn)行模式下，單U管在2 h∶2 h的運(yùn)行方案下土壤溫度恢復(fù)比比3 h∶2 h的運(yùn)行方案高出2%，比4 h∶2 h的運(yùn)行方案高出9%。雙U管在2 h∶2 h的運(yùn)行方案下土壤溫度恢復(fù)比比3 h∶2 h的運(yùn)行方案高出4%，比4 h∶2 h的運(yùn)行方案高出11%。

4) 由于雙U管的換熱量比單U管高，使得雙U管的管壁土壤溫度比單U管大，向遠(yuǎn)處土壤傳遞溫度的速度快，在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出雙U管的土壤溫度恢復(fù)速率和土壤平均溫度恢復(fù)比均高于單U管。在啟停時(shí)間比為2 h∶2 h、 3 h∶2 h、4 h∶2 h的運(yùn)行模式中，雙U管的土壤平均溫度恢復(fù)比分別比單U管高出了12%、15%、7%，土壤溫度恢復(fù)速率分別比單U管高出61%、73.3%、58.3%。