小型土壤源熱泵冬季間歇運行的地溫恢復(fù)特性實驗研究

羅仲，張旭

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

小型土壤源熱泵冬季間歇運行的地溫恢復(fù)特性實驗研究

羅仲，張旭*

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

本文利用土壤源熱泵系統(tǒng)實驗臺，對上海某小型建筑土壤源熱泵系統(tǒng)冬季間歇運行工況進(jìn)行了實驗研究，分析了不同運行時間比下地埋管周圍土壤短期溫度變化規(guī)律，并探討了間歇運行后土壤溫度的恢復(fù)對機(jī)組性能的影響。研究表明：間歇運行能夠有效提升機(jī)組性能，單位管長取熱量集中于（26～34）W/m；機(jī)組運行時間比越大，土壤平均溫度恢復(fù)比越小，溫度恢復(fù)速率越大。

土壤源熱泵系統(tǒng)；間歇運行；土壤溫度；實驗研究

0　引言

近年來，能源與環(huán)保成為人們關(guān)注的兩個問題，地源熱泵因其效率高和對環(huán)境的友好性受到廣泛關(guān)注［1-2］，導(dǎo)致在地源熱泵的宣傳上存在一些誤區(qū)，如“淺層地?zé)崾侨≈槐M、用之不竭的”，“地下有自動升溫的功能”等。地源熱泵利用的能量是地表淺層蓄存的太陽輻射能，是一種可再生能源，在我國已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用，夏季熱泵將室內(nèi)多余的熱量釋放給地下巖層蓄存起來，冬季再將其從地下抽取出來送到室內(nèi)。因此，地源熱泵能夠充分利用地下土壤作為蓄熱體，進(jìn)行能量循環(huán)利用，但是隨著機(jī)組運行時間的延長，土壤溫度場會發(fā)生改變，導(dǎo)致地埋管進(jìn)出口水溫改變，使實際運行參數(shù)與機(jī)組設(shè)計參數(shù)不匹配，對機(jī)組性能產(chǎn)生重要影響［3］。由此，探求土壤溫度場變化規(guī)律，優(yōu)化機(jī)組運行方案顯得尤為重要。

高青等［4］提出利用間歇運行，及時恢復(fù)地下溫度，彌補(bǔ)土壤傳熱慢等特點，進(jìn)行了自然狀況地下溫度場分布、連續(xù)運行地溫變化規(guī)律和間歇性地溫變化規(guī)律的實驗研究工作，證實間歇時間可以改變溫度變化規(guī)律和趨勢，實現(xiàn)更佳的熱泵運行工況；范萍萍等［5］在實驗的基礎(chǔ)上得出，間歇運行和連續(xù)運行相比，土壤換熱量能夠提高5%；劉文學(xué)等［6］利用人為控制機(jī)組的運行模式，從地埋管內(nèi)水溫的變化規(guī)律層面來探求優(yōu)化連續(xù)運行及間歇運行模式下地下?lián)Q熱系統(tǒng)運行的最佳手段；高源等［7］利用土壤源熱泵系統(tǒng)夏季工況實驗探討了熱泵系統(tǒng)間歇運行時間以及土壤溫度的恢復(fù)率對熱泵運行性能的影響，表明同一埋管深度處，機(jī)組的運行時間越長，土壤短期內(nèi)可恢復(fù)的可用穩(wěn)定溫度越高，且需要的穩(wěn)定恢復(fù)時間也越長；高青等［8］、尚妍等［9］、劉祥揚等［10］分別利用模擬手段來探討土壤源熱泵間歇運行下土壤溫度場變化特征及恢復(fù)規(guī)律，王澤生等［11］、袁艷平等［12］借助模擬方法研究土壤源熱泵間歇運行對地埋管換熱性能的影響；吳春玲等［13］以天津市某辦公樓土壤源熱泵為研究對象，模擬30年連續(xù)運行及間歇運行對土壤溫度場的影響；胡金強(qiáng)［14］對地源熱泵系統(tǒng)熱平衡性進(jìn)行了分析，提出了解決熱不平衡問題的方法。由此可知，對于土壤溫度恢復(fù)特性較多的是模擬研究及長期地溫變化特性研究，而對土壤溫度短期內(nèi)間歇運行恢復(fù)特性缺乏實驗結(jié)果的支撐。

本文利用小型土壤源熱泵系統(tǒng)實驗臺，對冬季間歇運行工況進(jìn)行實驗研究，從機(jī)組性能系數(shù)、地埋管換熱量、土壤平均溫度恢復(fù)比及恢復(fù)速率等方面探討土壤源熱泵系統(tǒng)土壤溫度場的短期變化規(guī)律。

1　實驗系統(tǒng)介紹

實驗系統(tǒng)由地源側(cè)、機(jī)組側(cè)和用戶側(cè)組成［15］。系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1　實驗系統(tǒng)圖

用戶側(cè)包含四臺室內(nèi)機(jī)，為兩個100 m2的辦公室供熱供冷，機(jī)組側(cè)為某土壤源熱泵機(jī)組，性能參數(shù)見表1。

表1　機(jī)組技術(shù)參數(shù)

地源側(cè)主要包括10口埋深80 m地埋管井（編號1#～10#）和兩口埋深100 m地埋管井（編號11#、12#），均勻鋪設(shè)在辦公樓周邊綠化草坪。為了測量土壤溫度變化規(guī)律，在地埋管不同深度管壁捆綁熱電阻，作為土壤溫度監(jiān)測系統(tǒng)，測點布置見圖2。

圖2　地溫測點布置圖

實驗主要測試參數(shù)包括地埋管進(jìn)出口水溫、埋管周圍土壤溫度、埋管水流量、機(jī)組耗電功率和水泵耗電功率。水溫及土壤溫度采用Pt100鉑電阻傳感器測量，誤差為±0.15 ℃；地埋管總循環(huán)水量采用 LWGY-25-B渦輪流量計測量，標(biāo)準(zhǔn)量程為（2～10）m3/h，誤差為±0.2%；各地埋管水流量采用LWGY-10-B 渦輪流量計測量，標(biāo)準(zhǔn)量程為（0.2～1.2）m3/h，誤差為±0.5%；耗電功率采用阿爾泰DAM-3505電量采集模塊（電壓量程400 V，電流量程50 A，測量精度±0.2%），實時采集機(jī)組及水泵等耗電功率。

本實驗于2015年3月26日開始，每天早上9:30開機(jī)，采用24 h為一個運行周期，各工況運行及停歇時間如表 2所示。定義機(jī)組運行時間比Fc=Tr/（ Tr+ Ts），其中 Tr為機(jī)組運行時間，Ts為機(jī)組停歇時間。

表2　冬季間歇運行工況設(shè)計

2　運行特性參數(shù)及其計算方法

土壤源熱泵系統(tǒng)耦合地埋管換熱器取熱，地埋管的換熱能力成為影響機(jī)組性能的關(guān)鍵。為了定量分析不同運行工況下土壤平均溫度恢復(fù)對土壤源熱泵系統(tǒng)性能的影響，本文采用單位管長換熱量及系統(tǒng)和機(jī)組COP作為評價機(jī)組高效運行特性指標(biāo)。

2.1地下埋管換熱量

式中：

Q——地埋管換熱量，kW；

ρ——水的密度，kg/m3；

V——地埋管內(nèi)水的體積流量，m3/h；

Cp——水的定壓比熱容，J/（kg℃）；

ti——地埋管進(jìn)口水溫，℃；

to——地埋管出口水溫，℃。

2.2機(jī)組冬季供熱量

式中：

Qh——土壤源熱泵系統(tǒng)冬季供熱量，kW；

W——熱泵系統(tǒng)輸入功率，kW；

Pu——機(jī)組耗電功率，kW；

Pp——水泵耗電功率，kW；

PF——室內(nèi)風(fēng)機(jī)耗電功率，kW。

2.3機(jī)組性能系數(shù)

2.4單位管長換熱量

式中：

q——地埋管單位管長換熱量，W/m；

H——地埋管深度，m；

n——開啟的地埋管數(shù)，本文中n=6。

2.5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。

式中：

t——土壤源熱泵系統(tǒng)各運行與停歇階段土壤平均溫度，℃；

tm——停歇開始時刻土壤平均溫度，℃；

ts——機(jī)組運行土壤平均溫度，℃；

Δτ——停歇時間，h。

3　實驗結(jié)果與分析

3.1機(jī)組能效分析

如圖3、圖4所示，各工況系統(tǒng)及機(jī)組COP變化趨勢相同。以運行時間比1/3為例，隨著機(jī)組的不斷運行，系統(tǒng)及機(jī)組 COP均呈現(xiàn)下降趨勢，且下降趨勢越來越緩。由圖中可以看出，系統(tǒng)及機(jī)組COP在13:00趨于穩(wěn)定，說明土壤源熱泵系統(tǒng)從開啟到穩(wěn)定運行大致需要 4 h，此結(jié)果與文獻(xiàn)［13］基本一致。由于機(jī)組運行后土壤溫度場發(fā)生改變，致使機(jī)組性能下降，機(jī)組開啟后2 h內(nèi)系統(tǒng)及機(jī)組COP衰減較大，系統(tǒng)COP衰減26.3%，機(jī)組COP衰減25.3%。綜合各工況可知，隨運行時間比的增加，系統(tǒng)及機(jī)組COP均減小，且運行時間比為7/12工況系統(tǒng)與機(jī)組COP比運行時間比為1/3工況系統(tǒng)與機(jī)組COP分別小11.9%和11.0%。由此可知，適當(dāng)減小運行時間比，能夠有效提升機(jī)組系統(tǒng)及機(jī)組COP，本實驗系統(tǒng)COP最終維持在3.7～4.3之間，機(jī)組COP維持在4.7～5.5之間。

圖3　不同運行時間比工況下系統(tǒng)COP隨運行時刻的變化

圖4　不同運行時間比工況下機(jī)組COP隨運行時刻的變化

3.2地埋管換熱量分析

相同工況下，隨熱泵機(jī)組的運行，熱泵機(jī)組不斷從地下取熱，會使土壤平均溫度降低，造成地埋管流體與土壤溫差下降，從而引起地埋管換熱器與土壤換熱量衰減，如圖5所示，地埋管單位管長換熱量呈下降趨勢，且下降趨勢越來越平緩。當(dāng)開始運行4 h后，單位管長取熱量衰減程度為31.1%。最終各工況單位管長取熱量大致分布在（26～34）W/m區(qū)間，并且隨著運行時間比的增加，單位管長換熱量減少。由此可知，合理分配機(jī)組運行時間比能夠有效優(yōu)化土壤換熱條件，提升土壤源熱泵系統(tǒng)性能。

圖5　不同運行時間比工況下單位管長取熱量隨運行時刻的變化

3.3土壤溫度變化規(guī)律

本實驗選取地下60 m、70 m及80 m土壤溫度表征土壤溫度變化規(guī)律，如圖6所示。隨土壤源熱泵系統(tǒng)的運行，土壤溫度逐漸降低，并且于系統(tǒng)關(guān)閉時刻土壤溫度達(dá)到最低值。機(jī)組運行初期，土壤溫度與埋管中流體溫差較大，換熱量大，土壤溫度下降相對較快，主要下降區(qū)段集中于開機(jī)后（0～6）h，此區(qū)段土壤溫降占整個運行工況總溫降的 80%左右。

圖6　不同深度土壤溫度隨運行時間變化

當(dāng)機(jī)組停止運行后，土壤溫度回升，由圖7所示，各工況土壤平均溫度恢復(fù)速率變化趨勢相同，以運行時間比1/3為例，前2 h，土壤平均溫度恢復(fù)速率最快，恢復(fù)速率為0.24 ℃/h，隨后呈緩慢下降趨勢，出現(xiàn)衰減，停歇8 h后，土壤恢復(fù)速率才開始趨于穩(wěn)定，與前2 h相比，衰減量為58.3%。本實驗系統(tǒng)工況條件下，土壤平均溫度恢復(fù)速率主要分布在0.15 ℃/h左右。

圖7　不同運行時間比工況下土壤平均溫度恢復(fù)速率隨間歇時間的變化

如圖8所示，各工況土壤平均溫度恢復(fù)比變化趨勢相同。以運行時間比1/3為例，土壤平均溫度恢復(fù)期主要在停歇后10 h內(nèi)，土壤平均溫度恢復(fù)比可達(dá)為 88.0%。并且由圖中可以看出，在停歇后（0～4）h內(nèi)，各工況土壤平均溫度恢復(fù)比基本一致；運行時間比在1/3～7/12有效區(qū)間，假定與運行時間比無關(guān)，每隔2 min分別計算各工況的土壤平均溫度恢復(fù)比，對此4 h內(nèi)四個工況的480個數(shù)據(jù)以土壤平均溫度恢復(fù)比為因變量、以停歇時間為自變量，進(jìn)行一元二次回歸，得到以下結(jié)果：

圖8　土壤平均溫度恢復(fù)比隨間歇時間的變化

由Origin軟件輸出的R2=0.9564，可為探討短期土壤溫度恢復(fù)規(guī)律提供參考。

結(jié)合圖6～8分析可知，隨運行時間比的增加，土壤平均溫度下降程度增大，土壤平均溫度恢復(fù)速率越大；然而由于其偏離初始溫度過大，土壤平均溫度恢復(fù)比卻越低。由于運行時間比的增加，機(jī)組停歇時間減少，土壤溫度缺乏恢復(fù)時間，若機(jī)組長時間高運行時間比開啟，土壤整體溫度將下降，嚴(yán)重偏離初始溫度，導(dǎo)致機(jī)組長時間處于低能效運行。

4　結(jié)論

利用土壤源熱泵系統(tǒng)實驗臺，對上海某小型單體建筑冬季間歇運行工況進(jìn)行了實測分析，在空調(diào)機(jī)組運行時間比1/3～7/12區(qū)間內(nèi)，探討冬季間歇運行對機(jī)組能效的影響及土壤短期溫度變化規(guī)律，結(jié)論如下。

1）在滿足建筑供熱需求，運行周期為24 h條件下，運行時間比為1/3能夠有效合理地控制土壤溫度和提高土壤源熱泵系統(tǒng)的性能，7/12工況系統(tǒng)與機(jī)組 COP比 1/3工況系統(tǒng)與機(jī)組 COP分別要小11.9%和11.0%。

2）地埋管單位管長換熱量隨運行時間比的增加而減少，冬季間歇運行工況下，單位管長取熱量大致分布在（26～34）W/m區(qū)間。

3）間歇運行時，機(jī)組運行時間比越大，土壤平均溫度恢復(fù)比越低；機(jī)組停歇后，土壤溫度回升速率呈遞減趨勢，且運行時間比越大，土壤回升速率越大，本實驗系統(tǒng)工況條件下，土壤平均溫度恢復(fù)速率主要分布在0.15 ℃/h左右。

4）間歇運行時，土壤平均溫度有效恢復(fù)期集中在停歇后 10 h內(nèi)，土壤平均溫度恢復(fù)比達(dá)到79.0%～88.0%。

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Experimental Investigation on Ground Temperature Restorative Characteristics under Intermittent Operation Condition in Winter for a Small Ground Source Heat Pump System

LUO Zhong， ZHANG Xu*
（College of Mechanical Engineering， Tongji University， Shanghai， 201804， China）

Based on the platform of a ground source heat pump system（GSHP）， experiments of a small building's GSHP in Shanghai under intermittent operation conditions in winter are carried out. The temperature changes of the soil around boreholes are analyzed and the influence of temperature restoration on the performance of unit is discussed. The research shows that the intermittent operation can effectively improve the performance of units，and the heat transfer per unit length of the borehole concentrats on（26～34）W/m. When the share of running time increases， the average ground temperature restorative ratio decreases but the restorative rate increases.

Ground source heat pump system； Intermittent operation； Ground temperature； Experimental investigation

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.101

*張旭（1955-），男，教授，博士。研究方向：1.建筑節(jié)能及新能源在建筑系統(tǒng)的應(yīng)用；2.建筑物能量系統(tǒng)生命周期評價方法及評價指標(biāo)體系的研究；3.面向小城鎮(zhèn)及農(nóng)村的低成本能源系統(tǒng)的技術(shù)集成和新能源綜合利用；4.復(fù)雜空間通風(fēng)技術(shù)。聯(lián)系地址：上海市曹安公路4800號同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)機(jī)械與能源工程學(xué)院A450，郵編：201804。聯(lián)系電話：021-65983605。

E-mail：zhangxu-hvac@tongji.edu.cn。