地埋管地源热泵系统参数选择与运行策略

张爱萍

太原市建筑设计研究院

在地埋管地源热泵系统方案设计中，往往采用单位孔深换热量，很多资料中给出的参考值，没有明确使用条件，很难正确选用。

笔者在分析地埋管单位孔深换热量，由综合传热系数与可利用温差两部分组成的基础上，利用已使用工程的经验数据，求出综合传热系数，并选择设计工况下可利用温差，它随冬、夏运行工况不同而变化，如何提高可利用温差，是提高地埋管换热效果的关键。

对于华北地区，冬季从土壤中取热是主要矛盾，因此，工程完了应从夏季运行开始，先向地下土壤存热，提高土壤温度，为冬季运行从土壤取热创造有利条件，即所谓“先存后取”。

1 地埋管换热器单位孔深换热量的分解

地埋管单位孔深换热量取值的大小，直接影响工程投资与运行效果。

地埋管单位孔深换热量的实质，将其分解如下：

式中：qc、Kc、Δtc分别为夏季向土壤放热时，单位孔深的换热量（W/m）、综合传热系数（W/m℃）、传热温差（℃）；qh、Kh、Δth分别为冬季从土壤取热时，单位孔深的换热量（W/m）、综合传热系数（W/m℃）、传热温差（℃）。

从公式可看出，通常所说的地埋管单位孔深的换热量，由其综合传热系数与传热温差两部分相乘而得。对于同一工程来说，土壤物性参数、地埋管构造、布置形式相同时，其冬、夏季的综合传热系数基本相同，影响其换热量的另一个因数就是传热温差，它越大传热效果越好。其传热温差也常常称为可利用温差。

2 地埋管进、出口参数选择与可利用温差的计算

可利用温差是指地埋管换热器内介质的平均温度与周围土壤温度之差，可用式（3）～（4）计算。

夏季向土壤放热时：

冬季从土壤取热时：

式中：tc1、tc2分别为夏季向土壤放热时，地埋管进、出口水温度，℃；th1、th2分别为冬季从土壤取热时，地埋管进、出口水温度，℃；t0为土壤原始温度，℃。

地埋管进、出口水温度的选择，直接影响可利用温差的大小，即影响地埋换热器的选择，又影响一次投资及运行费用的大小。

2.1 夏季设计工况地埋管进、出口水温度的选择

夏季制冷时，通过地埋管向土壤放热，其进、出口水温度取值越高，可利用温差越大，传热量越大，则地埋管数量越少，一次投资越省。但热泵机组的冷凝压力增高，在蒸发压力一定时，机组耗功率加大，其能效比降低，运行费用增加，反之。因此，在设计选择时，应权衡两者的利弊。

对于华北地区土壤温度较低，夏季制冷时向土壤放热较容易，地埋管进、出口水温取较低值，以获得更好的节能效果，因此，华北地区夏季设计工况进水温度一般取tc1=30℃，出水温度取tc2=26℃。

2.2 冬季设计工况地埋管进、出口水温度的选择

冬季制热时，通过地埋管从土壤中取热，地埋管进、出口水温度取值越低，可利用温差越大，传热量越大，则需要地埋管数量越少，一次投资越省。但热泵机组的蒸发压力降低，在冷凝压力一定时，机组耗功率增加，热泵机组能效比降低，运行费用增加，反之。因此，在设计选择时，应权衡两者的利弊。

对于华北地区土壤温度较低，冬季制热时，从土壤中取热较困难，地埋管进、出口水温度取较低值，但考虑到介质用水，而不加防冻液。因此，华北地区冬季设计工况进水温度一般取th1=4℃，出水温度取th2=8℃。

2.3 可利用温差的计算

华北地区以北京为代表，其土壤原始温度取t0=14℃，利用式（3）～（4）可求出夏季设计工况可利用温差tc=14℃；冬季设计工况可利用温差th=8℃。

由此可见，华北地区夏季可利用温差较大，向土壤存热比较容易，冬季可利用温差较小，从土壤取热较困难。

3 地埋管单位孔深换热量与综合传热系数

3.1 地埋管单位孔深换热量

根据文献[1]给出的华北地区已使用的部分地埋管热泵运行实践，总结出地埋管单位孔深换热量，经分析整理后列入表1。

表1 华北地区单U地埋管单位孔深换热量表

3.2 综合传热系数

综合传热系数可用两种方法计算[5]。

1）理论计算法

夏季向土壤放热时：

冬季从土壤取热时：

式中：ΣRc（ΣRh）为夏（冬）季向（从）土壤放（取）热时，地埋管总传热阻，m℃/W。ΣRc、ΣRh可用《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2009）附表B给出方法计算，这里不再多述。

2）经验数据法

夏季向土壤放热时：

冬季从土壤取热时：

根据表1给出的单位孔深换热量与设计工况下的可利用温差，利用式（7）～（8）计算出综合传热系数，一并列入表1。

从表1中可看出，同一土质层，夏、冬季地埋管综合传热系数基本相等，土壤导热系数越大，地埋管综合传热系数也越大，夏季工况地埋管单位孔深换热量比冬季大，大约是冬季的1.8倍。

4 运行策略

地埋管地源热泵系统，是将地下20～200m恒温带作为热源与热汇。

在夏季制冷时，向地下排放的热量，是以地埋管换热器为中心，逐渐向周围土壤扩散，经过整个夏季排放的热量大部分聚集在地埋管附近的土壤中，进而形成局部 4～6℃的温升[2～3]。

在冬季供热时，从地下不断吸取热量，经过热泵升温后向建筑供暖，地埋管附近土壤又会形成4～6℃的温降。如果热泵系统冬季从地下累计吸热量等于夏季累计放热量时，经过一年的供冷、供暖后，土壤温度又恢复到原始温度[4]。

全年土壤温度变化如图1所示。图中①为先夏季供冷土壤温升取4℃，后冬季供暖土壤温降取4℃的全年土壤温度变化曲线，也称“先存后取”；②为“先存后取”土壤平均温度曲线，比原始土壤温度升高2℃；③为先冬季供暖土壤温降取4℃，后夏季供冷土壤温升取4℃的全年土壤温度变化曲线，也称“先取后存”；④为“先取后存”土壤平均温度曲线，比原始土壤温度降低2℃。

4.1 “先存后取”的运行模式

地埋管热泵系统，先夏季供冷开始运行，向土壤存热，当夏季供冷结束时，土壤温升取4℃，为冬季供暖从土壤中取热创造了有利条件，当冬季累计取热量等于夏季累计存热量时，冬季供暖结束时土壤温度又恢复到原始温度。

“先存后取”的运行模式，全年土壤平均温度比土壤原始温度升高2℃，相当于冬季运行工况可利用温差增加2℃，全年土壤温度均保持在原始温度以上。

对于华北地区，由于土壤温度低，冬季可利用温差小取热困难，选择“先存后取”的运行模式非常有利。可利用温差提高2℃，则地埋管换热器的换热能力比设计工况增加25%。因此，华北地区地埋管地源热泵系统应从夏季开始运行，即“先存后取”的运行模式。

4.2 “先取后存”的运行模式

地埋管地源热泵系统，先冬季供暖开始运行从土壤取热，当冬季供暖结束时，土壤温度降低4℃，为夏季供冷向土壤放热创造了有利条件，当夏季累计存热量等于冬季累计取热量时，夏季供冷结束时土壤温度又恢复到原始温度。

“先取后存”的运行模式，全年土壤平均温度比原始土壤温度降低2℃，相当夏季运行工况可利用温差增加2℃，冬季运行工况可利用温差减少2℃。全年土壤温度均在原始温度以下。

对于华北地区，由于土壤温度低，冬季可利用温差小取热困难，采用“先取后存”的运行模式非常不利。可利用温差减少2℃，比设计工况减少25%。因此，华北地区地埋管地源热泵系统应从夏季开始运行，不宜采用“先取后存”的运行模式。

5 结论

1）对地埋管单位孔深换热量的分解，得出综合传热系数与可利用温差两个参数，并给出了华北地区单U管冬、夏单位孔深换热量及综合传热系数指标；

2）对于华北地区，土壤温度较低取热困难，为了提高可利用温差，增加换热效果，工程完了应先从夏季开始运行，即“先存后取”运行模式，它比“先取后存”运行模式换热能力增加50%，对最终使用效果影响较大。

3）华北地区一般情况下，冬季取热量大于夏季存热量，如再供生活热水，势必加大取热量，结果会加剧取、存热量的不平衡，因此，一般情况下，不宜再供生活热水。

[1]雷艳杰.东北及华北地区地埋管换热器冬、夏季换热量的探讨[J].地源热泵,2009,(11):29-35

[2]汪训昌.科学认识,宣传与建设地源热泵系统,切实加强地下环境监测工作[J].暖通空调,2008,38(1):31-35

[3]刘俊,张旭.地源热泵土壤温度恢复特性研究[J].暖通空调,2008,38(11):147-150

[4]王勇,付祥剑.影响地源热泵系统性能的负荷特征与特征参数[J].暖通空调,2008,38(5):48-51

[5]中国建筑科学研究院.地源热泵系统工程技术规范(GB50366-2009)[S].北京:中国建筑工业出版社,2009