摘要：結合一地源熱泵示範工程，建立了豎井與地基樁單U型管埋地換熱器聯合使用的地源熱泵系統的綜合性能實驗裝置。通過對系統兩年運行測試數據的分析，研究了埋地換熱器向地下排熱量與從地下取熱量不平衡，對系統製冷以及供暖運行性能影響情況，為地源熱泵的工程設計提供了參考。
關鍵詞：地源熱泵 埋地 換熱器 運行性能
1 引言
地源熱泵系統的運行性能受多種因素影響，如埋管周圍土壤、回填材料的熱物性，建築物的冷熱負荷等。在我國大部分地區，建築物的冷負荷以及其運行時間往往大於供暖負荷，文獻[1][2]均指出，在這種情況下，地源熱泵系統將給地下造成很大的冷熱量不平衡，使土壤溫度升高，這會有利於冬季供暖運行，而不利於夏季製冷運行，甚至若干年後不能向地下排熱。本文結合天津一示範工程及其利用計算機自動監控和數據採集系統所獲得的運行數據，對埋地換熱器向地下排熱量與從地下取熱量不平衡對地源熱泵機組以及系統運行性能的影響進行分析研究，為地源熱泵的工程設計提供參考。
2 組合型垂直埋管地源熱泵系統
本地源熱泵系統埋地換熱器採用樁埋管和垂直豎井埋管兩種方式，所有埋管均採用高密度聚乙烯塑料管，鑽孔直徑為300mm，樁埋管埋深為20m，共60口；垂直豎井埋管埋深為90m，共21口。
地源熱泵示範工程運行系統流程主要由三部分組成：
1)地下埋管換熱器閉式循環系統；
2)半封閉單螺桿壓縮式熱泵機組；
3）空調末端循環系統。
數據實時監控和採集系統（SCADA）包括測溫部件銅—康銅鎧裝熱電偶、流量傳送器、功率變送器、PLC下位機、組態王軟體和PC上位機。地源熱泵系統實驗測試的對象如下：地下不同深度上的土壤溫度（見圖2），樁埋、井埋進出口水溫、流量，以及機組和水泵等功率。
3 土壤冷熱量平衡分析
截至到本文完成時，共取得兩個製冷季（2003-7-11到2003-9-7與2004-6-1到2004-9-21）和兩個供暖季（2003-11-17到2004-3-16與2004-11-11到2005-3-22）的完整運行數據。建築總面積為3715m2，夏季設計冷負荷320kW，冬季設計熱負荷147kW。通過處理所得數據，得到整個系統運行兩年來向地下排熱量與從地下取熱量見表1。數據處理方法見參考文獻[3]。
表1冬夏季地源熱泵系統向土壤排/從土壤取熱量
| 運行時間 | 2003年夏季 | 2003-2004年冬季 | 2004年夏季 | 2004-2005年冬季 |
| 排熱量/kWh（kWh） | 110045.6 | — | 98831.3 | — |
| 取熱量/kWh（kWh） | — | 45685.3 | — | 68854.9 |
從上表可以看出，該地源熱泵系統夏季向地下排熱量明顯大於冬季從地下取熱量，其中以2003年夏季排熱量與2003到2004年冬季取熱量相差最大。
4 地下土壤溫度變化
從圖3可以看到，土壤溫度隨製冷季不斷升高，隨供暖季不斷降低。圖中也可以看出巨大的排取熱量差值使土壤平均溫度有升高的趨勢。經過第一個全年運行（2003夏季與2003到2004冬季），7點溫度升高了0.6℃，第二年後又升高了0.3℃，可見這種升高的趨勢在減小。定性分析，土壤溫度升高會有利於地源熱泵系統冬季供暖運行，不利於夏季製冷運行。
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5 製冷運行對比分析
5.1地下排熱、室內取熱以及機組功率比較
2003年夏季由於系統處於測試運行階段，運行時間較2004年夏季短，但是2003年實際室內製冷負荷、機組功率以及地下排熱明顯大於2004年同期水平，這不僅與天氣、建築物裝修等因素有關，還與建築物實際使用情況相關。製冷負荷的不同導致機組總功率的不同。整個系統中共有額定製冷功率159.3kW電機輸入功率35.8kW機組兩台，03年大部分運行時間兩台機組同時工作，而04年大部分時間僅有一台在工作。
5.2機組以及系統性能係數比較
2003年機組COP較2004年低，但系統COP較2004年高。究其原因，2003年兩台機組共同承擔製冷負荷，但每台機組均不是工作在額定負荷下，導致機組效率下降。由於地下環路以及用戶末端環路採用定流量循環，因此，在循環水泵功率不變情況下，實際運行負荷相對較小的2004年系統性能較低一些。
6 供暖運行對比分析
6.1地下取熱、室內供熱以及機組功率比較
從圖6看出，兩季供暖運行均表明，埋管換熱能力大體隨著運行時間的增加而減弱。2004年實際室內供熱負荷較2003年大，因此在運行時間相差不多的情況下，2004年從地下取熱量大於2003年。
6.2機組以及系統性能係數比較
從圖7中可以看到，2003年性能係數大體隨運行不斷下降，前半段機組和系統COP值均較2004年高，後半段較2004年低。這與定性分析冷熱負荷不平衡對地源熱泵機組以及系統供暖性能影響所得結果不一致。參看圖6室內供熱以及地下取熱功率變化情況，說明機組以及系統性能受機組實際運行負荷影響較大，受地下土壤溫度影響較小。另外，系統cop較機組cop低很多的主要原因是設計時循環水泵選取過大所致。
7 結論
1）埋地換熱器夏季排、冬季取熱量存在較大差值時會使周圍土壤平均溫度明顯升高，但升高趨勢逐漸變小；
2）在本系統中，埋地換熱器周圍土壤溫度變化對系統運行性能影響較實際運行負荷影響程度小；
3）地源熱泵系統在冬、夏兩季運行良好，在滿足用戶需求的同時，節約常規能源效果顯著，值得在我國廣大地區進一步推廣和應用。
參考文獻
1.李新國.埋地換熱器內熱源理論與地源熱泵運行特性研究[D].天津：天津大學，2004.6.
2.宋著坤，趙軍等.地源熱泵冬夏兩季運行性能分析與實驗研究[J].流體機械，待發表.
3.張春雷.U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究[D].天津：天津大學，2005，1.
