地源熱泵系統土壤溫度變化的影響因素分析

陸游，王恩宇，楊久順，齊承英

（河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300401）

地源熱泵系統土壤溫度變化的影響因素分析

陸游，王恩宇，楊久順，齊承英

（河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300401）

對實際運行的地源熱泵系統土壤溫度進行了分析，獲得了土壤溫度受地源熱泵的釋/吸熱不平衡、釋吸熱量以及土壤過渡季自然恢復能力等因素的影響情況．研究結果表明，系統初期的運行模式對土壤溫度具有重要的影響．試驗系統在供熱季末期吸熱量為1 106 kW h以下時土壤溫度可以自動回升，在供冷季末期釋熱量為1 350 kW h以下時，土壤溫度也可以自動下降．在文中土壤條件下過渡季對土壤溫度的恢復作用十分有限，土壤溫度的動態平衡主要依賴地埋管換熱器的全年熱平衡．根據空調系統的冷熱負荷差異，在設計和運行時通過必要措施來避免地埋管換熱器的熱失衡，是地源熱泵系統長期可靠運行的關鍵．

地源熱泵；土壤溫度；影響因素；熱失衡；地溫恢復能力

0 引言

維持土壤溫度的動態平衡是地源熱泵系統能夠長期運行的前提，很多學者對此都進行了研究．Shuhong Li等[1]研究一種復合地源熱泵系統用于提供生活熱水以及空間制冷制熱來減緩地源熱泵系統取熱和排熱的熱失衡，通過FLUENT構建三維傳熱模型模擬熱交換器周圍土壤溫度變化情況以及傳熱特征，結果顯示由于夏天多余的排熱導致埋管周圍溫度升高，并導致系統性能惡化．Jun Gao等[2]對一個地源熱泵樁埋熱交換器的案例進行了分析，在熱失衡率分別為10%和3%的情況下，土壤溫度提升幅度分別為2.77℃和0.81℃，對土壤溫度的變化有較大的影響．Yujin Nam等[3]對日本的一個辦公建筑進行模擬與實驗研究，通過調整熱交換器模擬模型來獲得與實際數據更加接近的解，為地源熱泵的設計提供更加精確的熱交換器取排熱比提供參考．花莉等[4]針對夏熱冬冷地區土壤源熱泵熱平衡問題利用TRNSYS模擬分析了其影響因素，結果表明，造成土壤源熱泵熱失衡的根本原因在于空調的負荷差異，土壤的溫度變化主要取決于實際從土壤中的吸熱量和放熱量的差異．楊衛波等[5]研究了地源熱泵的啟動特性，GSHP系統在運行初期埋管周圍土壤溫度變化較劇烈，而達到準穩態后,溫度變化會趨于平緩．李元旦[6]亦得出相似結論，并進一步表明土壤源熱泵的冬季啟動時間比夏季的短，僅為4～5 h．地源熱泵實際運行中，土壤溫度變化還與其熱恢復特性有關．劉俊等[7]以上海氣象條件為例，模擬分析了地源熱泵的熱恢復特性，結果表明過渡季對土壤溫度的恢復作用十分有限，熱泵系統的可靠運行更主要是依賴冬季和夏季的負荷平衡．

本文對應用于中型辦公建筑的地源熱泵系統進行了試驗測試，重點對土壤溫度變化的影響因素進行了分析，為解決地源熱泵熱失衡問題提供參考．

1 地埋管換熱系統

本文所述的建筑位于天津市河北工業大學新校區，建筑面積約5 000m2，其空調系統采用太陽能-地源熱泵組合系統[8]，通過增加太陽能輔助地源熱泵系統來分擔建筑的部分熱負荷而保證地源熱泵系統的土壤吸熱/釋熱平衡．地源熱泵的地埋管換熱系統共分為11個孔組（如圖1所示），每個孔組包含鉆孔6口，孔深120m，孔間距4m．根據地質勘查結果，該建筑場地的地下120m范圍內的巖土以粉質粘土、粉土和部分細砂為主，其自然密度、導熱系數和質量比熱的平均值分別為1 964 kg/m3、1.46W/m℃和1 527 kJ/kg℃．孔內埋設高密度聚乙烯（HDPE）U型管，并回填原漿、細砂、粗砂或粘土等不同的回填料（見表1）．本文重點分析地源熱泵系統的地溫變化，所以在地埋管換熱器中布置有若干測溫熱電阻．如圖1中黑色圓點所標示的換熱孔內，地下5m、15m、25m、35m、45m、60m、80m、100m和120m處均布置9個Pt1000熱電阻，熱電阻傳感器緊貼管壁．熱電阻傳感器直徑為5mm，埋設前進行了溫度標定檢測，測量精度為±0.1℃．為了更充分反映土壤溫度的變化，在4個鉆孔的中心位置布置有測溫孔（如圖1中M 1#和M 2#），為了保證鉆孔的質量，孔組間鉆孔間距在縱向增加到6m，測溫孔內同樣分別布置有9個測溫熱電阻．鉆孔內熱電阻通過四線制連接到Siemens數據采集模塊或Aglient34970A型數據記錄儀，自動采集并保存在PC電腦中，溫度采集時間間隔分別為1m in和5m in．

在系統運行之前，對土壤溫度進行了測量．土壤20～30m深度為恒溫層，溫度為13.0℃，120m范圍內，土壤的初始平均溫度為14.1℃[9]．

圖1 孔組及測溫孔分布圖Fig.1 The distribution of bore groups and thermometer bores

為了測定地埋管換熱系統的運行特性，在熱泵機組的地源側和用戶側各安裝1塊熱量表，并在集/分水器的11組干管上各安裝1塊熱量表．熱量表數據通過無線遠程傳輸到空調系統數據采集中心服務器中，可以分別獲得各管路的供/回水溫度、瞬時流量、累計流量和累計熱量，數據采集時間間隔為10m in．

為了研究鉆孔回填料及地埋管類型對地埋管換熱器性能的影響，試驗系統中采用了多種回填料和地埋管連接形式，形成了8種孔組類型，如表1所示．由于各鉆孔內的地埋管連接形式和回填料的不同，在系統運行過程中各鉆孔內的土壤溫度會有所不同．對整個地埋管換熱系統而言，鉆孔內土壤的平均溫度tg取為各鉆孔的加權平均值，其計算公式為

其中：tgi為第i孔組類型的代表溫度；為孔組類型的權重，即不同的埋管連接形式和回填材料形式的鉆孔占總鉆孔數的比值．

表1 地埋管連接形式及回填料類型Tab.1 Connection of buried pipesand backfill

2 地源熱泵的釋熱量和吸熱量分析

地源熱泵的總釋熱量（夏季）和吸熱量（冬季）以及各孔組的釋熱量和吸熱量由對應的熱量表數據記錄中獲得．2012年供冷季為6月17日～9月20日（96 d），供熱季為11月5日～次年3月23日（139 d）．圖2給出了2012年5月～2014年3月期間供冷季和供熱季地源熱泵的逐日釋/吸熱量變化，其中正值為釋熱量，負值為吸熱量．從逐日的釋熱量和吸熱量大小來看，供冷季的最大日釋熱量比供熱季最大日吸熱量大，但供冷季時間相對較短，而且在供冷季有多天沒有供冷，日釋熱量變化幅度大，所以總的釋熱量比總吸熱量小．2012年供冷季總釋熱量為120 582 kW h，供熱季總吸熱量為205 569 kW h，釋熱量僅占吸熱量的58.7%，系統存在釋吸熱不平衡現象，與設計結果相差較大，其發生原因主要為：1）實際發生的冬夏累計負荷與設計負荷存在差異．設計負荷是根據建筑外圍設計參數計算，而實際建設結果往往達不到設計要求；計算的供冷季為111 d（5月20日～9月7日），供熱季為121 d（11月15日～3月15日）[8]，而2012年實際供冷季為96 d，供熱季為139 d．在供冷期間，由于控制故障，系統運行改為手動，以及天氣的原因，有32 d沒有供冷負荷的產生．而在2013-01-22～2013-02-23假期期間，地源熱泵系統負擔了整個建筑的供熱需求，也使實際發生的供熱需求增大．2）系統設計的負荷率和啟停時間與實際發生情況存在偏差．設計時預估了建筑人員、設備及風機盤管的開啟情況[8]，與實際情況會有所出入．設計時預估系統運行時間假定為工作日8: 00～22:00，周末9:00～21: 00；實際運行時，在供冷季一般為9:00～21:00，供熱季一般為5:30～23:30．設計時風機盤管根據室內溫度設定而開關，實際運行時，風機盤管很少關閉．通過監測部分室內溫度顯示，多數房間在冬季超過21℃，有的甚至超過27℃．根據典型年氣象數據模擬計算，設計依據的供熱季累計供熱量為96 811 kW h，供冷季累計供冷量為62 119 kW h．而2012年實際供熱量為299 191 kW h，是設計值的3.1倍，實際供冷量為119 323 kW h，是設計值的1.9倍．供熱量遠超出供冷量，是供冷量的2.5倍．據美國國家標準統計局資料表明，如果在夏季將室內設定溫度值下調1℃，將增加9%的能耗，如果在冬季將室內設定溫度值上調1℃，將增加12%的能耗．

2013年供冷/供熱季亦有類似的規律，需要指出的是，為了避免2012年吸熱量遠大于釋熱量的情況，2013年供熱季期間，在供熱初期（a部分）和寒假期間（b部分），因為負荷較少的緣故，將整個建筑的熱負荷全部由太陽能輔助地源熱泵系統承擔，使得2013年吸熱量大幅度減少，這部分將在另文分析．

圖2 地源熱泵逐日釋熱量/吸熱量的變化Fig.2 The daily variation of heat injection/extraction of the GSHP

3 地溫變化規律分析

3.1 釋吸熱不平衡對土壤溫度的影響

圖3給出了地源熱泵系統2012年5月～2014年3月期間兩個供冷供熱季的土壤平均溫度變化曲線，其中每天的土壤溫度為24時刻的換熱孔或測溫孔內土壤溫度的加權平均值．總體來看，換熱孔內的土壤溫度隨著釋熱或吸熱而明顯升高或降低，與建筑負荷需求直接相關，釋熱或吸熱過程中土壤溫度最大升幅為5.3℃，最大降幅為4.1℃，整體變化幅度為7.6℃（17.4～9.8℃）．測溫孔土壤溫度的變化較平緩，變化幅度為1.8℃（13.7～11.9℃）．而且，測溫孔土壤溫度的峰值（或波谷值）發生時刻比換熱孔滯后約3個月，其轉折點幾乎在供熱或供冷轉換時刻，說明換熱孔周圍熱量的傳遞是持續而緩慢的．從年度變化來看，從2012-06-17～2013-05-25，經過一個供冷季和一個供熱季周期的運行，地源熱泵換熱孔內土壤溫度由初始的12.9℃變為12.1℃，降低了0.8℃．2012年供冷季釋熱使土壤溫度升高1.0℃，而2012年供熱季吸熱使土壤溫度降低1.8℃，可見，土壤釋吸熱不平衡使土壤溫度水平發生了較大的變化．然而，從2012-11-05～2013-11-05期間考慮，經過一個供熱季和一個供冷季周期的運行后，換熱孔內的土壤溫度由初始的13.9℃變為13.7℃，降低了0.2℃，釋熱量的補充使土壤溫度水平得到改善．可見，地源熱泵釋吸熱量對土壤溫度有著至關重要的作用．

圖3 2012.5～2014.3期間24時刻土壤溫度變化曲線Fig.3 Curves ofground temperature at 24:00 of every day during M ay 2012 to M ar.2014

經過2012年供冷季后，換熱孔土壤溫度由12.85℃上升至13.86℃，上升幅度為1.01℃；經過2012年供熱季，土壤溫度由13.86℃下降至12.13℃，下降幅度為1.73℃；經過2013年供冷季后，土壤溫度由12.13℃上升至13.85℃，上升幅度為1.72℃；這說明釋吸熱對土壤溫度的影響非常大．由于2012年供熱季吸熱量遠大于供冷季釋熱量，土壤溫度下降較多，在2013-02-21，開始出現吸熱困難，蒸發器進水溫度偏低，之后通過加大水泵頻率的方式來提高蒸發器進水溫度，保證熱泵機組的運行．

3.2 系統啟動階段土壤溫度的變化

從圖3來看，換熱孔內土壤在某些時候（尤其是供熱或供冷初期）會出現較快的降低或升高，導致土壤溫度出現階躍性的變化．圖4中分別給出了2012年和2013年供熱季初期的土壤溫度變化曲線．表2給出了供熱初期典型天的各參數的變化，2012年最初3 d的溫降為1.7℃，而2013年最初3 d的溫降僅為1.0℃．從運行數據來看，2012年供熱季，11月5日11:40開始至11月22日22:30期間，機組一直持續運行，而2013年供熱季，11月18日11:00開始運行以來，每天運行時間為早上6:00至晚上22:30，每天間歇運行．雖然機組運行后換熱孔溫度都迅速降低，但由于2013年相比2012年在系統啟動的初期采用了間歇運行，使得土壤每天有7.5 h的恢復時間，使得每天24時刻的土壤溫度得到了一定的提升．雖然2013年供熱季土壤初始比2012年低0.2℃，但在整個供熱季換熱孔溫度比2012年基本整體高約0.5℃，為機組的高效運行提供了條件．圖4表明系統運行初期的吸熱對于土壤溫度的變化具有重要意義，一旦系統運行初期土壤被過度吸熱而又得不到休息的話，將會導致土壤溫度下降到一個很低的水平，這對地源熱泵系統的運行非常不利．

圖4 供熱季土壤溫度變化Fig.4 Variation of ground temperature in heating season

表2 供熱初期典型天的各參數變化Tab.2 Variation of the parametersattypicalday in beginning heating season

3.3 釋吸熱量對土壤溫度的影響

表3給出了運行期間釋吸熱量和土壤溫度變化數據．2012年供熱季（2012-11-05～2013-03-23），在系統運行前期（2012-11-05～2013-01-04），平均每天吸熱量為1 442 kW h，溫度下降很快，達到平均每天0.06℃．到系統運行中期（2013-01-05～2013-02-24），平均每天吸熱量為1 483 kW h，土壤溫度約為9.56℃，已處于一個較低的水平（圖3），與周圍土壤溫差變大，下降趨勢變小，平均每天下降幅度為0.007℃．到供熱系統運行后期（2013-02-25～2013-03-23），日平均負荷為1 106 kW h，比前期、中期略低，但土壤溫度不降反升，幅度為0.06℃/d．2013年供冷季（2013-05-31～2013-09-20）土壤溫度變化可分為2個階段，第1階段為運行前期（2013-05-31～2013-08-15），平均每天釋熱量1 645 kW h，地溫平均每天升高0.065℃，第2階段為運行后期（2013-08-16～2013-09-20），平均每天釋熱量1350kW h，土壤溫度卻以平均每天0.084℃迅速降低．2012年供冷季則較為特殊，前文提到2012年供冷季由于控制故障，系統運行改為手動，以及天氣的原因，有32 d沒有供冷負荷的產生．事實上2012年供冷季處于間歇運行狀態，土壤溫度沒有持續上升或者下降的規律而是類似于急劇變化的脈沖信號，這也說明了系統的運行方式對土壤溫度的變化具有重要影響．

從上文分析可知，從地下吸熱并不一定會導致地溫的降低，這與埋管周圍土壤溫度和熱影響區域內其它土壤溫度之間的溫差以及吸熱量相關，在吸熱量較小時，即使吸熱地溫也會向初始溫度回升，釋熱亦存在類似變化規律．針對文中系統，供熱季末期吸熱量在1 106 kW h以下時，土壤溫度會自動回升．而對于供冷季，末期釋熱量在1 350 kW h以下時，土壤溫度能夠自動下降．

表3 釋吸熱量和土壤溫度變化值Tab.3 Theheat injection/extraction and ground temperature variation

3.4 過渡季對土壤溫度變化的影響

圖5a）和圖5b）分別給出了夏-冬和冬-夏兩個過渡季的土壤溫度變化．從圖5a）可以看出，2012年9月20日供冷結束，土壤溫度為14.35℃，與遠端未擾動土壤溫度非常接近．整個夏季的釋熱使其相對初始溫度上升1.35℃．在夏-冬過渡季（2012-09-21～2012-11-04），土壤溫度在46 d期間僅降低到13.87℃，變化幅度僅為0.48℃，幅度非常小．到2012年11月5日，系統供熱開始，土壤溫度才迅速降低，直到3月23日供熱結束時（圖5b），換熱孔土壤溫度為11.11℃．此后，在冬-夏過渡季期間（2013-03-24～2013-05-30），換熱孔土壤溫度迅速升高后緩慢變化．到4月7日時，僅14 d土壤溫度已上升至12.0℃，但直到過渡季結束時（2013-05-30），換熱孔土壤溫度僅為12.14℃．在過渡季后期，53 d時間內土壤溫度僅升高0.14℃．而在冬-夏過渡季期間（2013-03-24～2013-05-30）測溫孔由11.97℃降低至11.85℃，降幅為0.12℃．過渡季后換熱孔土壤溫度離土壤初始溫度（14.1℃）仍有約2℃的差距．可以推測即使經過更長的時間，對于文中系統的土壤條件，恢復也是非常有限的．這說明過渡季對土壤溫度的恢復作用不大，熱泵系統的可靠運行更主要是依賴冬季和夏季的負荷平衡，這與文獻7的結論相一致．

圖5 過渡季溫度變化Fig.5 Variation of ground temperature in shoulder seasons

土壤溫度在整個過渡季期間變化非常小，說明熱量傳遞過程相當緩慢，土壤熱擴散的能力非常弱，熱影響區域內的土壤已趨于穩定狀態，而熱影響區域外的土壤所蓄存熱量在過渡季內幾乎不能夠被傳至換熱區域內，此時土壤換熱與其自身的熱擴散、導熱等參數的關系不大，主要影響在于地下換熱系統的釋/吸熱．過渡季地溫的變化特點，也說明在該系統中，地溫的恢復能力是較弱的，不能依靠地溫的自動恢復能力來維持地溫的平衡．

4 結論

通過對實際運行的地源熱泵系統釋熱量和吸熱量的分析，以及地溫的變化分析，可以得出以下結論．

1）地源熱泵釋吸熱量對土壤溫度有著至關重要的作用．在系統運行初期，過度吸熱會導致土壤溫度短時間下降到一個很低的水平．在系統正常運行后，換熱區土壤溫度將長期偏低．

2）吸熱與地溫的降低并不呈正相關性，從地下吸熱并不一定導致地溫的降低，這與埋管周圍土壤溫度和熱影響區域內其它土壤溫度之間的溫差以及吸熱量相關，在吸熱量較小時，即使吸熱地溫也會向初始溫度回升，釋熱反之亦然．針對文中土壤條件，在供熱末期吸熱量在1 106 kW h以下時，土壤溫度可以自動回升，在供冷季末期釋熱量在1 350 kW h以下時，土壤溫度也可以自動下降．

3）土壤溫度在整個過渡季期間變化非常小，說明熱量傳遞過程相當的緩慢，土壤熱擴散的能力非常弱，熱影響區域內的土壤已趨于穩定狀態，而熱影響區域外的土壤所蓄存熱量在過渡季內幾乎不能夠被傳至換熱區域內．

4）大型的地下換熱系統不能依靠地溫的恢復能力實現地溫的平衡，而主要決定于地下釋熱量和吸熱量的相對平衡．

[1]LiShuhong，YangWeihua，Zhang Xiaosong．Soil tem peraturedistribution around a U-tubeheatexchanger in amulti-function ground source heat pump system[J]．Applied Thermal Engineering，2009，29：3679-3686．

[2]Gao Jun，Zhang Xu，Liu Jun，etal．Thermalperformanceand ground temperature ofverticalpile-foundation heatexchangers：A casestudy[J]．Applied Thermal Engineering，2008，28：2295-2304．

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[5]楊衛波，施明恒，董華．太陽能-土壤源熱泵系統（SESHPS）交替運行性能的數值模擬[J]．熱科學與技術，2005，4（3）：229-232．

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[8]W ang Enyu，Alan S Fung，Qi Chengying，et al．Performance prediction of a hybrid solar ground-source heat pump system[J]．Energy and Building，2012，47：600-611．

[9]Wang Enyu，Alan S．Fung，Qi Chengying，et al．Build-up and long-term performance prediction of a hybrid solar ground source heat pump system for office building in cold climate[C]//Proceedings of eSim 2012：The Canadian Conference on Building Sim ulation，2012：478-491．

[責任編輯 田豐]

Analysis of the impacting factor on ground temperature field of ground source heat pump system

LU You，WANG En-yu，YANG Jiu-shun，QICheng-ying

(School of Energy and Environmental Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

The temperatureof ground heatexchanger(GHE)of aground sourceheatpump(GSHP)system isanalyzed. The factors affected the ground temperatureareheat injection/extraction,heattransmission properties of the soil,the natural recoverability of ground temperature in shoulder season,and so on.The results show that the initialoperating mode of GSHP system hasan im portant impact on ground tem perature.The temperature of the GHE at the lastperoid of heating season can automatically recoverw hen heatextraction less than 1 106 kW h.Differently,at the lastperiod of cooling season the threshold value of heat extraction is 1 350 kW h.The role of the transition season to recover ground temperature is very lim ited for the involved GSHP system.The balance of ground temperature on an annual basismainly dependson the balance of heat injection and extraction of the GHE.Some essentialmeasuresshould be taken both in itsdesign and operation to avoid theGHE thermal imbalanceaccording to the cooling and heating load differences of theair conditioning system.It is the key to ensure long-term and stableoperation of the GSHP system.

ground sourceheat pump(GSHP);ground temperature field;impacting factor;thermal imbalance;the natural recoverability of ground temperature

TK 51；TK52

A

1007-2373(2015)01-0066-07

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.01.013

2014-06-20

河北省自然科學基金（E2013202122）；教育部留學回國人員科研啟動基金（2013）；河北省建設科技研究計劃（20120224）

陸游（1989-），男（漢族），碩士生．通訊作者：王恩宇（1970-），男（漢族），教授，博士，Email：wey@hebut.edu.cn．

數字出版日期：2015-01-24數字出版網址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150124.0947.004.htm l