北京建筑大學      王欣   李德英

摘   要：結合寒冷地區某辦公樓地源熱泵項目，介紹了淺層地熱地質條件的測試結果。土壤熱平衡分析結果表明，如果地源熱泵機組全年向巖土體排熱量為1. 425TJ，經過一個制冷季和一個供暖季后，巖土體溫度升高幅度為0.30℃。運行數據分析結果表明，地源熱泵冷凝器與蒸發器進出口溫差在運行過程中通常小于設計溫差，造成水泵能耗偏高，建議采用定溫差、水泵變頻調節的控制方式。

關鍵詞：地源熱泵; 空調系統; 熱平衡; 定流量系統; 節能; 辦公建筑

       0   引言

       根據地熱能換熱形式的不同，地源熱泵系統分為地埋管地源熱泵系統、地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統。其中地下水地源熱泵系統和地表水地源熱泵系統由于受到使用條件和環境保護的限制很難推廣，地埋管地源熱泵系統則應用廣泛。地埋管換熱器又分為水平式和豎直式，由于水平埋管式占地而積大并且不能較好地利用地熱能，因此豎直埋管式得到了更為普遍的應用。國內近些年陸續出現了一些豎直埋管式地源熱泵項目，比如山東建筑大學學術報告廳地源熱泵系統采用25組并聯的豎直U形埋管組成室外換熱器。雖然豎直埋管式地源熱泵系統應用的可行性己經在實際工程中得到證明，但是缺乏對實際運行數據包括如何進行熱平衡以及系統節能性等各個方而的具體分析論證。本文通過寒冷地區某辦公樓地源熱泵系統的測試，對地源熱泵系統運行的可行性和節能性進行分析，為豎直埋管式地源熱泵空調系統的設計提供理論依據。

       1   工程實例

       1.1   工程概況

       寒冷地區（北京市）某辦公樓項目占地7469.37m²，辦公樓建筑而積36350.07m²，其中地下13716.73m²，地上22633.34m²。工程空調系統夏季冷負荷為1935.67kW，冬季熱負荷為1353.78kW。夏季制冷供回水溫度為7℃/12℃，冬季供熱供回水溫度為45℃/40℃。

       1.2   系統設置

       該工程中地源側采用100m長豎直雙U形地埋管換熱器408組。末端采用風機盤管加新風系統，部分房間采用全空氣系統。空調水系統為兩管制定流量系統?？照{系統供回水壓差為0.32MPa，定壓值為0.35MPa。

       工程中設計冷熱負荷相差較大，導致冬夏季循環水流量相差也較大，故選用兩套水泵系統，冬夏季各用一套。水泵設置如表1所示。從中可以看出：夏季空調側流量為391m³/h，電動機功率為74kW；地源側流量為468m³/h，電動機功率為110kW。冬季空調側流量為440m³/h，電動機功率為110kW；地源側流量為334.4m³/h，電動機功率為74kW。

表1   水泵設置

 

       2   淺層地熱地質條件測試

       地埋管地源熱泵應用中非常重要的參數是土壤溫度，目前國內外許多專家、學者的研究成果表明：地下5m以下的土壤溫度全年基本不受外界氣溫影響。

（在工程建設前進行可行性和適宜性分析，確定項目所在地的適宜埋管深度及該范圍內的地層熱物性參數。鉆了兩個深度100m的地層勘探孔，采用雙U形埋管方式，埋管深度為100m,測試時間為48h，地溫測量工作具體參數見表2。

表2   地溫測量

       在完成現場成孔、下管、回填工作并靜置Za后，完成了測試孔內的地溫測試工作，具體測量結果如圖1所示（測試結束時刻為2010-03-18T10:39，室外溫度為2.7℃）。

       從圖1可以看出，受地而空氣溫度波動影響，地表下淺層溫度變化較大，深層溫度不受地而空氣溫度波動的影響，總體上隨深度增加而升高。對圖1中相對穩定的溫度實測值（深度20~95m）進行計算可得，其地溫梯度為2.3℃/100m。
地埋管地源熱泵系統的埋管基本處于地下2m以下，根據上述測量的地溫數據，選取PE管內2m以下的實測溫度進行加權平均可得，該場地2~100m的原始地溫可取值為15.48℃。

圖1   測試孔地溫隨深度變化曲線

       3   土壤熱平衡

       地埋管地源熱泵周期運行后土壤溫度出現上升或下降是土壤熱量收支失衡的兩種后果，都對系統持續穩定運行不利。

       土壤的熱平衡是個復雜多變的過程，地埋管換熱器周圍土壤溫度的變化總是由內向外逐層傳遞，任何一點的逐時溫度主要由冬夏季兩條周期性變化的日平均溫度波的相位和波幅疊加決定，同時受空調間歇運行造成的多條逐時溫度波變化影響，另外還與分層地質差異、多變地下水含量與流速等諸多微觀因素有關。本文中的熱平衡是指在無地下水流動情況下的熱平衡。

       為了防比地源熱泵熱失衡問題的發生，進行了地質熱物性試驗，經分析計算，該工程計算場區淺層（100m以內）地熱靜態儲量為4.75TJ/℃（巖土體每變化1℃釋放或吸收的熱量，數據由項目勘察評估報告提供）。

       根據工程場區所在地淺層地熱地質條件，結合地源熱泵系統室外熱源部分應用空間條件和系統年排熱、取熱量，可按式（1）計算年度供冷、供暖季后地層平均溫度變化。

       式（1），（2）中Δt為地層平均溫度變化（℃）；ΔQ年為系統年排熱量與取熱量之差，按運行時間累計（kJ）；Q_u為溫度變化1℃地層能夠釋放的熱量，kJ/℃；Q排為夏季向土壤排放的熱量（kJ）；Q取為冬季取自土壤的熱量（kJ）；t冷為夏季運行時間（s）；Q冷為夏季設計總冷負荷（kW）；t熱為冬季運行時間（s）；Q熱為冬季設計總熱負荷（kW）；COP冷為設計工況下熱泵機組的制冷性能系數；COP熱為設計工況下熱泵機組的供熱性能系數。

       地源熱泵系統機組的制冷、制熱性能系數分別為COP_冷=5,COP_熱=4，地埋管地源熱泵系統完全承擔建筑空調冬季負荷1353.78kW和夏季負荷1935.67kW。若系統冬季運行時間按120d計，夏季運行時間按100d計，且每天運行10h，運行負荷系數取0.7，則運行一個供冷、供暖季后的累計熱聚集ΔQ_年=Q_排-Q_取≈2.78×10⁹kJ。擬建場區可利用而積為13671m²，淺層（100m以內）地熱靜態儲量為4.75TJ，經過一個供冷、供暖季后，巖土體溫度變化Δt ≈0.58℃。

       地埋管區域巖土體溫度升高將會影響地埋管地源熱泵系統的長期使用，多年以后，地源熱泵系統效率會顯著降低。為了保證地源熱泵系統的長期高效運行，同時也考慮到地源熱泵系統運行間隔期地層溫度恢復和大地熱流作用，在不影響地源熱泵系統長期運行效率的前提下，經過一個供冷、供暖季后，巖土體溫度升高幅度不宜超過0.30℃（數據由項目勘察評估報告提供）。按照此種情況反推，在滿足空調冬季負荷（1353.78kW）時，巖土體冷熱基本平衡J隋況下，地源熱泵系統可承擔建筑空調夏季負荷1486.56kW，剩下的449.11kW冷負荷需要通過其他方式承擔。此時，選用的地源熱泵機組全年向巖土體排熱量為1.425TJ，經過一個供冷、供暖季后，巖土體溫度升高幅度為0.30℃。

       上述分析表明，在寒冷地區辦公建筑采用地源熱泵系統時需進行熱物性測試及冷熱負荷與巖土溫升計算，以保證運行效果。

       4   運行數據分析

       該工程地源熱泵空調系統于2012年12月正式投入使用。運行時間為08:00~18:00，運營人員每2h記錄一次運行數據，每天有5組數據，包括：地源側流量、空調側流量、冷凝器進水溫度、蒸發器出水溫度、地源側集分水器溫度、空調側集分水器溫度、地源側循環泵電流以及空調側循環泵電流等，分析時取每天數據的算術平均值，數據截至2014年7月。

       4.1   地源側換熱量與室外溫度的關系

       該地區冬季空調室外計算溫度為-9.9℃，筆者收集了2013年12月室外氣象參數，并對比了同期室外最低溫度與地源側換熱量的關系。

       實際運行數據中有地源側水流量以及地源側供回水溫差，計算得到的地源側換熱量結果如圖2所示。從中可以看出，一般情況下地源側換熱量與室外溫度成反比，同時也與建筑使用情況有關，如26日與19日，前者室外溫度較低，其地源側換熱量卻較小，原因在于前者的使用房間數減少使得熱負荷變小。

圖2   2013年12月室外溫度與地源側換熱量的關系

       4.2   室外平均溫度與地源側進、出水溫度的關系

       2013年8月的室外平均溫度與同期地源側進、出水溫度的對比結果如圖3所示。從中可以看出，一般情況下地源側進、出水溫度與室外平均氣溫同步變化，且變化幅度小于室外平均氣溫的變化幅度，另外也與建筑使用情況有關。

圖3   2013年8月室外平均溫度與地源側進、出水溫度對比

       2013年8月的平均室外溫度為27.26℃，而地源側平均水溫為22.68℃，因此夏季工況地源熱泵系統優于空氣源熱泵系統。

       2013年12月的室外平均溫度與同期地源側進、出水溫度的對比結果如圖4所示。從中可以看出，地源側進、出水溫度與室外平均氣溫同步變化，且變化幅度小于室外平均氣溫的變化幅度。

圖4   2013年12月室外平均溫度與地源側進、出水溫度對比

       2013年12月平均室外溫度為0.56℃，而地源側平均水溫為6.25℃，因此冬季工況時地源熱泵系統遠遠優于空氣源熱泵系統。

       4.3   蒸發器進出水溫差、冷凝器進出水溫差與設計溫差的關系

       圖5、6分別顯示了2013年12月和8月蒸發器與冷凝器進出水溫差的對比。從圖5、6可以看出，無論冬季還是夏季，蒸發器與冷凝器進出水溫差都同步變化，且80%以上時間實際溫差都小于設計溫差。

圖5   2013年12月蒸發器與冷凝器進出水溫差對比

圖6   2013年8月蒸發器與冷凝器進出水溫差對比

       2013年12月蒸發器進出水平均溫差為1.64℃，冷凝器進出水平均溫差為4.56℃，設計溫差均為5℃，這樣冷凝器水泵浪費了8.8%的電能，冷凝器水泵功率為110kW，按運行1個月(31d，每天運行10h，電價1元/(kW·h))進行計算，僅僅12月就浪費了2728元電費；蒸發器水泵浪費了67%的電能，蒸發器水泵功率為74kW，12月浪費了15370元電費。

       2013年8月，冷凝器進出水平均溫差為3.5℃，蒸發器進出水平均溫差為4.68℃，設計溫差均為5℃，冷凝器水泵浪費了30%的電能，8月浪費了10230元電費；蒸發器水泵浪費了6.4%的電能，8月浪費了1468元電費。由以上分析可以看出，在地源熱泵系統中定流量運行存在著較大的浪費，建議采取定溫差方式運行。

       5   結論

     （1）淺層巖土體溫度受室外空氣溫度影響較大，深層巖土體溫度受室外空氣溫度影響較小，寒冷地區冬季土壤溫度維持在15.48℃左右；

     （2）寒冷地區辦公建筑采用地源熱泵系統時，需進行冷熱負荷平衡計算，必要時采取輔助冷熱源形式；

     （3） 地源側換熱量隨著室外溫度的變化而變化，且與建筑使用情況有關；

     （4）寒冷地區地源熱泵系統冬、夏季工況均優于空氣源熱泵系統；

     （5）地源熱泵冷凝器與蒸發器進出水溫差在運行過程中通常小于設計溫差，造成水泵能耗偏高。建議采用定溫差、水泵變頻調節的控制方式。

參考文獻

       [1] 中國建筑科學研究院.GB 50366—2005地源熱泵系統工程技術規范[S]. 2009年版.北京:中國建筑工業出版社，2009.

       [2] 呂悅，楊立平，周沫，等.國內地源熱泵應用情況查報告[J].工程建設與設計，2005(6):5–10.

       [3] 胡映寧，李常春，土小純，等.套管式地埋管換熱器換熱性能實驗研究[J].暖通空調，2011,通1(9):100–105.

       [4] 馬宏權，龍惟定.地埋管地源熱泵系統的熱平衡[J].暖通空調，2009,39(1):102–106.

       [5] Diao Nairen, Cui Pink Fang Zhaohong. The thermal resistance in a borehole of geothermal heat exchangers[C]//Proc 12th International Heat Transfer Conference.France,2002.

       [6] Michel A B. Ground-coupled heat pump system simulation[C]// ASHRAE Trans,  2001,107(1)605–616.

備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年2月刊總第2期。
          版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。