地源热泵系统土壤温度变化的影响因素分析

陆游，王恩宇，杨久顺，齐承英

（河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401）

地源热泵系统土壤温度变化的影响因素分析

陆游，王恩宇，杨久顺，齐承英

（河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401）

对实际运行的地源热泵系统土壤温度进行了分析，获得了土壤温度受地源热泵的释/吸热不平衡、释吸热量以及土壤过渡季自然恢复能力等因素的影响情况．研究结果表明，系统初期的运行模式对土壤温度具有重要的影响．试验系统在供热季末期吸热量为1 106 kW h以下时土壤温度可以自动回升，在供冷季末期释热量为1 350 kW h以下时，土壤温度也可以自动下降．在文中土壤条件下过渡季对土壤温度的恢复作用十分有限，土壤温度的动态平衡主要依赖地埋管换热器的全年热平衡．根据空调系统的冷热负荷差异，在设计和运行时通过必要措施来避免地埋管换热器的热失衡，是地源热泵系统长期可靠运行的关键．

地源热泵；土壤温度；影响因素；热失衡；地温恢复能力

0 引言

维持土壤温度的动态平衡是地源热泵系统能够长期运行的前提，很多学者对此都进行了研究．Shuhong Li等[1]研究一种复合地源热泵系统用于提供生活热水以及空间制冷制热来减缓地源热泵系统取热和排热的热失衡，通过FLUENT构建三维传热模型模拟热交换器周围土壤温度变化情况以及传热特征，结果显示由于夏天多余的排热导致埋管周围温度升高，并导致系统性能恶化．Jun Gao等[2]对一个地源热泵桩埋热交换器的案例进行了分析，在热失衡率分别为10%和3%的情况下，土壤温度提升幅度分别为2.77℃和0.81℃，对土壤温度的变化有较大的影响．Yujin Nam等[3]对日本的一个办公建筑进行模拟与实验研究，通过调整热交换器模拟模型来获得与实际数据更加接近的解，为地源热泵的设计提供更加精确的热交换器取排热比提供参考．花莉等[4]针对夏热冬冷地区土壤源热泵热平衡问题利用TRNSYS模拟分析了其影响因素，结果表明，造成土壤源热泵热失衡的根本原因在于空调的负荷差异，土壤的温度变化主要取决于实际从土壤中的吸热量和放热量的差异．杨卫波等[5]研究了地源热泵的启动特性，GSHP系统在运行初期埋管周围土壤温度变化较剧烈，而达到准稳态后,温度变化会趋于平缓．李元旦[6]亦得出相似结论，并进一步表明土壤源热泵的冬季启动时间比夏季的短，仅为4～5 h．地源热泵实际运行中，土壤温度变化还与其热恢复特性有关．刘俊等[7]以上海气象条件为例，模拟分析了地源热泵的热恢复特性，结果表明过渡季对土壤温度的恢复作用十分有限，热泵系统的可靠运行更主要是依赖冬季和夏季的负荷平衡．

本文对应用于中型办公建筑的地源热泵系统进行了试验测试，重点对土壤温度变化的影响因素进行了分析，为解决地源热泵热失衡问题提供参考．

1 地埋管换热系统

本文所述的建筑位于天津市河北工业大学新校区，建筑面积约5 000m2，其空调系统采用太阳能-地源热泵组合系统[8]，通过增加太阳能辅助地源热泵系统来分担建筑的部分热负荷而保证地源热泵系统的土壤吸热/释热平衡．地源热泵的地埋管换热系统共分为11个孔组（如图1所示），每个孔组包含钻孔6口，孔深120m，孔间距4m．根据地质勘查结果，该建筑场地的地下120m范围内的岩土以粉质粘土、粉土和部分细砂为主，其自然密度、导热系数和质量比热的平均值分别为1 964 kg/m3、1.46W/m℃和1 527 kJ/kg℃．孔内埋设高密度聚乙烯（HDPE）U型管，并回填原浆、细砂、粗砂或粘土等不同的回填料（见表1）．本文重点分析地源热泵系统的地温变化，所以在地埋管换热器中布置有若干测温热电阻．如图1中黑色圆点所标示的换热孔内，地下5m、15m、25m、35m、45m、60m、80m、100m和120m处均布置9个Pt1000热电阻，热电阻传感器紧贴管壁．热电阻传感器直径为5mm，埋设前进行了温度标定检测，测量精度为±0.1℃．为了更充分反映土壤温度的变化，在4个钻孔的中心位置布置有测温孔（如图1中M 1#和M 2#），为了保证钻孔的质量，孔组间钻孔间距在纵向增加到6m，测温孔内同样分别布置有9个测温热电阻．钻孔内热电阻通过四线制连接到Siemens数据采集模块或Aglient34970A型数据记录仪，自动采集并保存在PC电脑中，温度采集时间间隔分别为1m in和5m in．

在系统运行之前，对土壤温度进行了测量．土壤20～30m深度为恒温层，温度为13.0℃，120m范围内，土壤的初始平均温度为14.1℃[9]．

图1 孔组及测温孔分布图Fig.1 The distribution of bore groups and thermometer bores

为了测定地埋管换热系统的运行特性，在热泵机组的地源侧和用户侧各安装1块热量表，并在集/分水器的11组干管上各安装1块热量表．热量表数据通过无线远程传输到空调系统数据采集中心服务器中，可以分别获得各管路的供/回水温度、瞬时流量、累计流量和累计热量，数据采集时间间隔为10m in．

为了研究钻孔回填料及地埋管类型对地埋管换热器性能的影响，试验系统中采用了多种回填料和地埋管连接形式，形成了8种孔组类型，如表1所示．由于各钻孔内的地埋管连接形式和回填料的不同，在系统运行过程中各钻孔内的土壤温度会有所不同．对整个地埋管换热系统而言，钻孔内土壤的平均温度tg取为各钻孔的加权平均值，其计算公式为

其中：tgi为第i孔组类型的代表温度；为孔组类型的权重，即不同的埋管连接形式和回填材料形式的钻孔占总钻孔数的比值．

表1 地埋管连接形式及回填料类型Tab.1 Connection of buried pipesand backfill

2 地源热泵的释热量和吸热量分析

地源热泵的总释热量（夏季）和吸热量（冬季）以及各孔组的释热量和吸热量由对应的热量表数据记录中获得．2012年供冷季为6月17日～9月20日（96 d），供热季为11月5日～次年3月23日（139 d）．图2给出了2012年5月～2014年3月期间供冷季和供热季地源热泵的逐日释/吸热量变化，其中正值为释热量，负值为吸热量．从逐日的释热量和吸热量大小来看，供冷季的最大日释热量比供热季最大日吸热量大，但供冷季时间相对较短，而且在供冷季有多天没有供冷，日释热量变化幅度大，所以总的释热量比总吸热量小．2012年供冷季总释热量为120 582 kW h，供热季总吸热量为205 569 kW h，释热量仅占吸热量的58.7%，系统存在释吸热不平衡现象，与设计结果相差较大，其发生原因主要为：1）实际发生的冬夏累计负荷与设计负荷存在差异．设计负荷是根据建筑外围设计参数计算，而实际建设结果往往达不到设计要求；计算的供冷季为111 d（5月20日～9月7日），供热季为121 d（11月15日～3月15日）[8]，而2012年实际供冷季为96 d，供热季为139 d．在供冷期间，由于控制故障，系统运行改为手动，以及天气的原因，有32 d没有供冷负荷的产生．而在2013-01-22～2013-02-23假期期间，地源热泵系统负担了整个建筑的供热需求，也使实际发生的供热需求增大．2）系统设计的负荷率和启停时间与实际发生情况存在偏差．设计时预估了建筑人员、设备及风机盘管的开启情况[8]，与实际情况会有所出入．设计时预估系统运行时间假定为工作日8: 00～22:00，周末9:00～21: 00；实际运行时，在供冷季一般为9:00～21:00，供热季一般为5:30～23:30．设计时风机盘管根据室内温度设定而开关，实际运行时，风机盘管很少关闭．通过监测部分室内温度显示，多数房间在冬季超过21℃，有的甚至超过27℃．根据典型年气象数据模拟计算，设计依据的供热季累计供热量为96 811 kW h，供冷季累计供冷量为62 119 kW h．而2012年实际供热量为299 191 kW h，是设计值的3.1倍，实际供冷量为119 323 kW h，是设计值的1.9倍．供热量远超出供冷量，是供冷量的2.5倍．据美国国家标准统计局资料表明，如果在夏季将室内设定温度值下调1℃，将增加9%的能耗，如果在冬季将室内设定温度值上调1℃，将增加12%的能耗．

2013年供冷/供热季亦有类似的规律，需要指出的是，为了避免2012年吸热量远大于释热量的情况，2013年供热季期间，在供热初期（a部分）和寒假期间（b部分），因为负荷较少的缘故，将整个建筑的热负荷全部由太阳能辅助地源热泵系统承担，使得2013年吸热量大幅度减少，这部分将在另文分析．

图2 地源热泵逐日释热量/吸热量的变化Fig.2 The daily variation of heat injection/extraction of the GSHP

3 地温变化规律分析

3.1 释吸热不平衡对土壤温度的影响

图3给出了地源热泵系统2012年5月～2014年3月期间两个供冷供热季的土壤平均温度变化曲线，其中每天的土壤温度为24时刻的换热孔或测温孔内土壤温度的加权平均值．总体来看，换热孔内的土壤温度随着释热或吸热而明显升高或降低，与建筑负荷需求直接相关，释热或吸热过程中土壤温度最大升幅为5.3℃，最大降幅为4.1℃，整体变化幅度为7.6℃（17.4～9.8℃）．测温孔土壤温度的变化较平缓，变化幅度为1.8℃（13.7～11.9℃）．而且，测温孔土壤温度的峰值（或波谷值）发生时刻比换热孔滞后约3个月，其转折点几乎在供热或供冷转换时刻，说明换热孔周围热量的传递是持续而缓慢的．从年度变化来看，从2012-06-17～2013-05-25，经过一个供冷季和一个供热季周期的运行，地源热泵换热孔内土壤温度由初始的12.9℃变为12.1℃，降低了0.8℃．2012年供冷季释热使土壤温度升高1.0℃，而2012年供热季吸热使土壤温度降低1.8℃，可见，土壤释吸热不平衡使土壤温度水平发生了较大的变化．然而，从2012-11-05～2013-11-05期间考虑，经过一个供热季和一个供冷季周期的运行后，换热孔内的土壤温度由初始的13.9℃变为13.7℃，降低了0.2℃，释热量的补充使土壤温度水平得到改善．可见，地源热泵释吸热量对土壤温度有着至关重要的作用．

图3 2012.5～2014.3期间24时刻土壤温度变化曲线Fig.3 Curves ofground temperature at 24:00 of every day during M ay 2012 to M ar.2014

经过2012年供冷季后，换热孔土壤温度由12.85℃上升至13.86℃，上升幅度为1.01℃；经过2012年供热季，土壤温度由13.86℃下降至12.13℃，下降幅度为1.73℃；经过2013年供冷季后，土壤温度由12.13℃上升至13.85℃，上升幅度为1.72℃；这说明释吸热对土壤温度的影响非常大．由于2012年供热季吸热量远大于供冷季释热量，土壤温度下降较多，在2013-02-21，开始出现吸热困难，蒸发器进水温度偏低，之后通过加大水泵频率的方式来提高蒸发器进水温度，保证热泵机组的运行．

3.2 系统启动阶段土壤温度的变化

从图3来看，换热孔内土壤在某些时候（尤其是供热或供冷初期）会出现较快的降低或升高，导致土壤温度出现阶跃性的变化．图4中分别给出了2012年和2013年供热季初期的土壤温度变化曲线．表2给出了供热初期典型天的各参数的变化，2012年最初3 d的温降为1.7℃，而2013年最初3 d的温降仅为1.0℃．从运行数据来看，2012年供热季，11月5日11:40开始至11月22日22:30期间，机组一直持续运行，而2013年供热季，11月18日11:00开始运行以来，每天运行时间为早上6:00至晚上22:30，每天间歇运行．虽然机组运行后换热孔温度都迅速降低，但由于2013年相比2012年在系统启动的初期采用了间歇运行，使得土壤每天有7.5 h的恢复时间，使得每天24时刻的土壤温度得到了一定的提升．虽然2013年供热季土壤初始比2012年低0.2℃，但在整个供热季换热孔温度比2012年基本整体高约0.5℃，为机组的高效运行提供了条件．图4表明系统运行初期的吸热对于土壤温度的变化具有重要意义，一旦系统运行初期土壤被过度吸热而又得不到休息的话，将会导致土壤温度下降到一个很低的水平，这对地源热泵系统的运行非常不利．

图4 供热季土壤温度变化Fig.4 Variation of ground temperature in heating season

表2 供热初期典型天的各参数变化Tab.2 Variation of the parametersattypicalday in beginning heating season

3.3 释吸热量对土壤温度的影响

表3给出了运行期间释吸热量和土壤温度变化数据．2012年供热季（2012-11-05～2013-03-23），在系统运行前期（2012-11-05～2013-01-04），平均每天吸热量为1 442 kW h，温度下降很快，达到平均每天0.06℃．到系统运行中期（2013-01-05～2013-02-24），平均每天吸热量为1 483 kW h，土壤温度约为9.56℃，已处于一个较低的水平（图3），与周围土壤温差变大，下降趋势变小，平均每天下降幅度为0.007℃．到供热系统运行后期（2013-02-25～2013-03-23），日平均负荷为1 106 kW h，比前期、中期略低，但土壤温度不降反升，幅度为0.06℃/d．2013年供冷季（2013-05-31～2013-09-20）土壤温度变化可分为2个阶段，第1阶段为运行前期（2013-05-31～2013-08-15），平均每天释热量1 645 kW h，地温平均每天升高0.065℃，第2阶段为运行后期（2013-08-16～2013-09-20），平均每天释热量1350kW h，土壤温度却以平均每天0.084℃迅速降低．2012年供冷季则较为特殊，前文提到2012年供冷季由于控制故障，系统运行改为手动，以及天气的原因，有32 d没有供冷负荷的产生．事实上2012年供冷季处于间歇运行状态，土壤温度没有持续上升或者下降的规律而是类似于急剧变化的脉冲信号，这也说明了系统的运行方式对土壤温度的变化具有重要影响．

从上文分析可知，从地下吸热并不一定会导致地温的降低，这与埋管周围土壤温度和热影响区域内其它土壤温度之间的温差以及吸热量相关，在吸热量较小时，即使吸热地温也会向初始温度回升，释热亦存在类似变化规律．针对文中系统，供热季末期吸热量在1 106 kW h以下时，土壤温度会自动回升．而对于供冷季，末期释热量在1 350 kW h以下时，土壤温度能够自动下降．

表3 释吸热量和土壤温度变化值Tab.3 Theheat injection/extraction and ground temperature variation

3.4 过渡季对土壤温度变化的影响

图5a）和图5b）分别给出了夏-冬和冬-夏两个过渡季的土壤温度变化．从图5a）可以看出，2012年9月20日供冷结束，土壤温度为14.35℃，与远端未扰动土壤温度非常接近．整个夏季的释热使其相对初始温度上升1.35℃．在夏-冬过渡季（2012-09-21～2012-11-04），土壤温度在46 d期间仅降低到13.87℃，变化幅度仅为0.48℃，幅度非常小．到2012年11月5日，系统供热开始，土壤温度才迅速降低，直到3月23日供热结束时（图5b），换热孔土壤温度为11.11℃．此后，在冬-夏过渡季期间（2013-03-24～2013-05-30），换热孔土壤温度迅速升高后缓慢变化．到4月7日时，仅14 d土壤温度已上升至12.0℃，但直到过渡季结束时（2013-05-30），换热孔土壤温度仅为12.14℃．在过渡季后期，53 d时间内土壤温度仅升高0.14℃．而在冬-夏过渡季期间（2013-03-24～2013-05-30）测温孔由11.97℃降低至11.85℃，降幅为0.12℃．过渡季后换热孔土壤温度离土壤初始温度（14.1℃）仍有约2℃的差距．可以推测即使经过更长的时间，对于文中系统的土壤条件，恢复也是非常有限的．这说明过渡季对土壤温度的恢复作用不大，热泵系统的可靠运行更主要是依赖冬季和夏季的负荷平衡，这与文献7的结论相一致．

图5 过渡季温度变化Fig.5 Variation of ground temperature in shoulder seasons

土壤温度在整个过渡季期间变化非常小，说明热量传递过程相当缓慢，土壤热扩散的能力非常弱，热影响区域内的土壤已趋于稳定状态，而热影响区域外的土壤所蓄存热量在过渡季内几乎不能够被传至换热区域内，此时土壤换热与其自身的热扩散、导热等参数的关系不大，主要影响在于地下换热系统的释/吸热．过渡季地温的变化特点，也说明在该系统中，地温的恢复能力是较弱的，不能依靠地温的自动恢复能力来维持地温的平衡．

4 结论

通过对实际运行的地源热泵系统释热量和吸热量的分析，以及地温的变化分析，可以得出以下结论．

1）地源热泵释吸热量对土壤温度有着至关重要的作用．在系统运行初期，过度吸热会导致土壤温度短时间下降到一个很低的水平．在系统正常运行后，换热区土壤温度将长期偏低．

2）吸热与地温的降低并不呈正相关性，从地下吸热并不一定导致地温的降低，这与埋管周围土壤温度和热影响区域内其它土壤温度之间的温差以及吸热量相关，在吸热量较小时，即使吸热地温也会向初始温度回升，释热反之亦然．针对文中土壤条件，在供热末期吸热量在1 106 kW h以下时，土壤温度可以自动回升，在供冷季末期释热量在1 350 kW h以下时，土壤温度也可以自动下降．

3）土壤温度在整个过渡季期间变化非常小，说明热量传递过程相当的缓慢，土壤热扩散的能力非常弱，热影响区域内的土壤已趋于稳定状态，而热影响区域外的土壤所蓄存热量在过渡季内几乎不能够被传至换热区域内．

4）大型的地下换热系统不能依靠地温的恢复能力实现地温的平衡，而主要决定于地下释热量和吸热量的相对平衡．

[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．

[3]Yujin Nam，Ryozo Ooka，Suckho Hwang．Developmentof anumericalmodel to predictheatexchange rates fora ground-source heatpump system [J]．Energy and Buildings，2008，40：2133-2140．

[4]花莉，潘毅群，范蕊，等．基于TRNSYS的土壤源热泵平衡问题的影响因素分析[J]．建筑节能，2012，40（253）：23-29．

[5]杨卫波，施明恒，董华．太阳能-土壤源热泵系统（SESHPS）交替运行性能的数值模拟[J]．热科学与技术，2005，4（3）：229-232．

[6]李元旦，张旭，周亚素，等．土壤源热泵冬季工况启动特性的实验研究[J]．暖通空调，2001，31（1）：17-20．

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

[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．

[责任编辑 田丰]

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

河北省自然科学基金（E2013202122）；教育部留学回国人员科研启动基金（2013）；河北省建设科技研究计划（20120224）

陆游（1989-），男（汉族），硕士生．通讯作者：王恩宇（1970-），男（汉族），教授，博士，Email：wey@hebut.edu.cn．

数字出版日期：2015-01-24数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150124.0947.004.htm l