土壤源热泵系统长期运行特性试验分析

高原原，高留花，赵 军

(天津大学 机械学院，天津 300072)

0 引言

浅层地热能资源开发利用有多种方式，其中土壤源热泵是最主要的方式之一。土壤源热泵是一种以土壤为冷热源，充分利用低品味能和可再生的季节能，节约高位电能的先进空调技术。被称为“21世纪一项以节能和环保为特征的最具有发展前途的空调技术”。中国的土壤源热泵事业近几年已开始起步，且发展势头看好，越来越多的用户开始熟悉土壤源热泵，并对其应用产生了浓厚的兴趣。与其他空调方式相比，土壤源热泵系统除节能环保特点之外，还有一个显著特点，即地下埋管地换热器系统属于一次性投资，基本上不可更换。在这种情况下，对系统的长期运行性能提出了很高的要求。

尽管全国浅层地热能资源开发利用工程项目较多，但取得系统、全面且持续性的地质环境动态监测数据的项目并不多。2003年1月，作者单位在天津市梅江生态区综合办公楼建设了一个3 715 m2地源热泵示范系统，并开发了一套计算机实时监控和采集系统 (SCADA)，为研究系统长期性能提供了丰富的素材。截至目前，该设备已运行8年，本文在此基础上，整理了试验结果，对地下耦合的土壤源热泵的长期运行性能进行了分析，对于当前土壤源热泵系统的优化设计与标准制定具有一定的指导意义。

1 试验系统

本文土壤源热泵试验系统中，埋地换热器主要采用桩埋管和井埋管两种方式，所有埋管均采用DN32的高密度聚乙烯塑料管 (HDPE)，钻孔直径为400 mm，钻孔间距5.0 m，其中桩埋管深度为20 m，共60口;井埋管深度为90 m，共21口。

整个系统由三个环路组成。地埋管换热器环路，载热介质在其中循环与土壤进行换热的封闭环路。冬季从周围土壤中吸收热量，夏季则向土壤释放热量，其循环则由一台低功率的循环泵来实现。制冷剂环路是在热泵内部的循环。用户环路是把已调节好的冷 (热)水分配到建筑物中去的环路，室内空调末端采用风机盘管加新风系统实现环路与建筑物的换热。

为全面测试土壤源热泵系统的运行变化规律，在地面以上和地面以下共布置40个温度测量点，4个流量测量点和4个功率测量点，所有测量信号均通过计算机监控与数据采集系统(SCADA)实时显示在现场PC上。图1显示出地下部分温度测点的布置情况，其他测点布置位置，系统具体参数及原理图，在此不详细介绍，详见参考文献[7]。

图1 地下温度测点布置图Fig.1 Layout of soil temperature measuring points

截至2010年9月，本文选取了4个制冷期(2004年6～9月，2005年6～9月，2006年6～9月和2010年6～8月)和3个供暖期 (2004年11月～2005年3月，2005年11月～2006年3月，2009年12月～2010年1月)的完整运行数据进行分析。

2 试验结果

图2和图3分别给出了制冷期与供热期内5号，7号，9号监测点的温度变化情况。可以看出，2004～2006年3个制冷期以及2004～2005年2个供暖期埋管换热器周围平均地温每年均有所升高，平均而言，每经历一个“放热－间歇－吸热－间歇”周期后，土壤平均温度升高1.2～1.4℃左右，流体平均温度升高为1.0～1.2℃左右。显然，这是由于天津地区冬、夏季建筑物热、冷负荷是不一致的，一般夏季冷负荷约是冬季热负荷的2倍左右，所以会造成地下热量的不平衡。地下积聚得热量越来越多，造成土壤温度的升高，当然这有利于冬季热泵的吸热运行，但是不利于夏季空调的排热运行，从2003年至2005年冬季机组COP的递增趋势及夏季机组COP的递减趋势上也可反映出来 (表1，2)。从图2可看出，2006年6月初土壤初始温度较2004年6月初平均高出3.0～4.0℃，运行期间，排热很难实现，土壤温度升高缓慢，蓄热减少。

图2 制冷期土壤温度场实测曲线Fig.2 The measured curves of soil temperature in summer

图3 供暖期土壤温度实测曲线Fig.3 The measured curves of soil temperature in winter

表1 冬季逐年COP值对比表Tab.1 Comparison of COP in winter

表2 夏季逐年COP值对比表Tab.2 Comparison of COP in summer

针对这一情况，考虑到上述工况的COP的逐年降低及地下温度的持续增高，对系统进行优化，增加了冷却塔辅助系统。运行管理部门在2006年7月停止使用土壤源热泵系统，改用冷却塔进行夏季制冷。图3中显示，经过4年的夏季间歇期，2009年冬天土壤温度相比2005年同等时期低7～10℃。一方面是由于2006年至2009年夏季停止运行土壤源热泵系统，仅进行冬天的取热，造成地下热量不平衡，土壤温度下降，每年土壤平均温度下降;另一方面是由于2009年气温持续偏低，低温阶段持续时间长，运行管理单位由原来每天运行17 h改为22 h运行，取热时间长，热负荷较大，导致土壤温度下降速率增大。对应此时的地下温度系统运行工况下见表3，机组的COP降到了3.18。在系统运行期间，由于热泵机组承担负荷的变化，使得地下温度场波动较大，如图4所示。图5为该供暖期内某4天的机组进出水温度变化情况，可以看出地埋管侧进出水温差为0.6℃，温差较小，机组是依靠增大水流量来使机组的COP维持在一定的节能水平，但大流量小温差的措施会使系统的耗电量增加，带来系统COP的显著下降。

图4 2010年冬季地下温度场变化Fig.4 The soil temperature changes in the winter of 2010

图5 2010年冬季机组进出水温度变化Fig.5 The outlet water temperature changes in the winter of 2010

可以看出，地下温度场温度过低，夏季停止使用土壤源热泵时间过长，根据试验数据可以归纳出夏季停止使用土壤源热泵两年即可，不应该长时间只进行取热不进行排热，否则会导致土壤温度过低，地下温度场波动过大。

表3 系统运行工况Tab.3 The operating conditions of GSHPS

由于土壤温度下降，2010年夏季重新启用地源热泵系统制冷。2010年5月25日制冷期设定的制冷温度为12℃，实时监测数据见表，2010年6月11日后制冷温度调为7℃，系统现仍处于一个相对较高的节能水平，从地下温度来看，土壤温度场温度变化很平稳，这与系统进行了优化作用有直接关系。

图3和图4所示的土壤温度场变化曲线可以看出，该工程同一深度、地埋孔周围不同距离的各测点温度曲线变化明显，能够较直观的反映该工程的吸热和排热工况，各监测点温度曲线变化趋势总体一致，且周期性变化规律基本相似。供暖期内，各测点处土壤温度监测值随着供暖时间延续、系统启停而波动，且距地埋换热孔不同距离的同一深度地层内土壤温度逐渐降低，温度变化在4～8℃之间。制冷期内，同样随系统启停而波动，不同监测点均表现为土壤温度逐渐升高，但升高幅度不同，距离换热孔越近，土壤温度升高越大，且受系统运行影响而温度变化波动越明显。随着时间的长期运行，相邻两监测点之间的温度差值越来越大。通过启用冷却塔，停止夏季排热工况，使得该温度差值逐渐减小，由图3可以看出，2010年夏季不同监测点的温度情况已经发生明显改变，相邻两监测点的温差很小，这说明土壤的热堆积现象已消失。

3 结论

(1)通过对土壤源热泵系统长期测试试验，天津地区公共建筑存在着建筑冷热负荷不平衡的特点，若不采取辅助措施，长期运行时，随着土壤温度的升高对土壤源热泵夏季运行工况带来严重危害，导致夏季运行不正常，达不到节能的目的。

(2)在土壤源热泵系统的设计过程中，要考虑土壤取热和放热的不平衡性，在保证经济性的前提下，通过增加其他辅助措施，力求保证经过一个周期后土壤的热量基本平衡，并对有可能出现的问题，给运行管理部门提出合理的建议。

(3)系统的最初设计与实际运行情况之间存在或大或小的差异，长期运行过程中，气候的变化、建筑需求的变化、运行工况的变化都可能会导致土壤温度的热堆积或冷堆积，导致系统性能的恶化。

(4)土壤出现热堆积的情况下，可通过夏季合理利用冷凝器废热的其他途径 (如生产生活热水等)减少排入地下的热量，或用冷却塔进行辅助制冷，或减少夏季土壤源热泵的运行时间等，避免地温的持续升高。启用冷却塔后，需要注意土壤温度恢复情况，夏季停歇时间不宜太长，防止出现相反的土壤冷堆积现象。土壤持续出现冷堆积的情况下，可通过冬季太阳能辅助供暖或夏季太阳能辅助蓄热等方式。

(5)专业有效地监督管理很重要。要及时观测系统运行中地埋管进出水温度的变化，采取合理有效地解决方案，并观测地下温度场的恢复情况，防止出现相反的情况。

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