赵军 宋著坤 陈志豪 张春雷
摘要：结合一地源热泵示范工程，建立了竖井与地基桩单U型管埋地换热器联合使用的地源热泵系统的综合性能实验装置。通过对系统两年运行测试数据的分析，研究了埋地换热器向地下排热量与从地下取热量不平衡，对系统制冷以及供暖运行性能影响情况，为地源热泵的工程设计提供了参考。
关键词：地源热泵 埋地换热器 运行性能
1 引言
地源热泵系统的运行性能受多种因素影响，如埋管周围土壤、回填材料的热物性，建筑物的冷热负荷等。在我国大部分地区，建筑物的冷负荷以及其运行时间往往大于供暖负荷，文献[1][2]均指出，在这种情况下，地源热泵系统将给地下造成很大的冷热量不平衡，使土壤温度升高，这会有利于冬季供暖运行，而不利于夏季制冷运行，甚至若干年后不能向地下排热。本文结合天津一示范工程及其利用计算机自动监控和数据采集系统所获得的运行数据，对埋地换热器向地下排热量与从地下取热量不平衡对地源热泵机组以及系统运行性能的影响进行分析研究，为地源热泵的工程设计提供参考。
2 组合型垂直埋管地源热泵系统
本地源热泵系统埋地换热器采用桩埋管和垂直竖井埋管两种方式，所有埋管均采用高密度聚乙烯塑料管，钻孔直径为300mm，桩埋管埋深为20m，共60口；垂直竖井埋管埋深为90m，共21口。
地源热泵示范工程运行系统流程如图1所示，该系统主要由三部分组成：
1)地下埋管换热器闭式循环系统；
2)半封闭单螺杆压缩式热泵机组；
3）空调末端循环系统。
数据实时监控和采集系统（SCADA）包括测温部件铜—康铜铠装热电偶、流量传送器、功率变送器、PLC下位机、组态王软件和PC上位机。地源热泵系统实验测试的对象如下：地下不同深度上的土壤温度（见图2），桩埋、井埋进出口水温、流量，以及机组和水泵等功率。
3 土壤冷热量平衡分析
截至到本文完成时，共取得两个制冷季（2003-7-11到2003-9-7与2004-6-1到2004-9-21）和两个供暖季（2003-11-17到2004-3-16与2004-11-11到2005-3-22）的完整运行数据。建筑总面积为3715m2，夏季设计冷负荷320kW，冬季设计热负荷147kW。通过处理所得数据，得到整个系统运行两年来向地下排热量与从地下取热量见表1。数据处理方法见参考文献[3]。
表1 冬夏季地源热泵系统向土壤排/从土壤取热量
从上表可以看出，该地源热泵系统夏季向地下排热量明显大于冬季从地下取热量，其中以2003年夏季排热量与2003到2004年冬季取热量相差最大。
4 地下土壤温度变化
从图3可以看到，土壤温度随制冷季不断升高，随供暖季不断降低。图中也可以看出巨大的排取热量差值使土壤平均温度有升高的趋势。经过第一个全年运行（2003夏季与2003到2004冬季），7点温度升高了0.6℃，第二年后又升高了0.3℃，可见这种升高的趋势在减小。定性分析，土壤温度升高会有利于地源热泵系统冬季供暖运行，不利于夏季制冷运行。
5 制冷运行对比分析
5.1 地下排热、室内取热以及机组功率比较
2003年夏季由于系统处于测试运行阶段，运行时间较2004年夏季短，但是2003年实际室内制冷负荷、 机组功率以及地下排热明显大于2004年同期水平，这不仅与天气、建筑物装修等因素有关，还与建筑物实际使用情况相关。制冷负荷的不同导致机组总功率的不同。整个系统中共有额定制冷功率159.3kW电机输入功率35.8kW机组两台， 03年大部分运行时间两台机组同时工作，而04年大部分时间仅有一台在工作。
5.2 机组以及系统性能系数比较
2003年机组COP较2004年低，但系统COP较2004年高。究其原因，2003年两台机组共同承担制冷负荷，但每台机组均不是工作在额定负荷下，导致机组效率下降。由于地下环路以及用户末端环路采用定流量循环，因此，在循环水泵功率不变情况下，实际运行负荷相对较小的2004年系统性能较低一些。
6 供暖运行对比分析
6.1 地下取热、室内供热以及机组功率比较
从图6看出，两季供暖运行均表明，埋管换热能力大体随着运行时间的增加而减弱。 2004年实际室内供热负荷较2003年大，因此在运行时间相差不多的情况下，2004年从地下取热量大于2003年。
6.2 机组以及系统性能系数比较
从图7中可以看到，2003年性能系数大体随运行不断下降，前半段机组和系统COP值均较2004年高，后半段较2004年低。这与定性分析冷热负荷不平衡对地源热泵机组以及系统供暖性能影响所得结果不一致。参看图6室内供热以及地下取热功率变化情况，说明机组以及系统性能受机组实际运行负荷影响较大，受地下土壤温度影响较小。另外，系统cop较机组cop低很多的主要原因是设计时循环水泵选取过大所致。
7 结论
1）埋地换热器夏季排、冬季取热量存在较大差值时会使周围土壤平均温度明显升高，但升高趋势逐渐变小；
2）在本系统中，埋地换热器周围土壤温度变化对系统运行性能影响较实际运行负荷影响程度小；
3） 地源热泵系统在冬、夏两季运行良好，在满足用户需求的同时，节约常规能源效果显著，值得在我国广大地区进一步推广和应用。
参考文献
1. 李新国. 埋地换热器内热源理论与地源热泵运行特性研究[D]. 天津：天津大学，2004.6.
2. 宋著坤，赵军等. 地源热泵冬夏两季运行性能分析与实验研究[J]. 流体机械，待发表.
3. 张春雷. U型管地源热泵系统性能及地下温度场的研究[D]. 天津：天津大学，2005，1.
