於仲義¹  鄒松²  陳焰華¹  雷建平¹  胡曉偉¹
1 中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司
2 武漢市建筑節(jié)能辦公室  

    【摘  要】在38個(gè)地源熱泵工程地埋管換熱過程現(xiàn)場測試的基礎(chǔ)上，分析了地埋管換熱能效系數(shù)分布規(guī)律，采用地埋管換熱能效均值作為指標(biāo)對實(shí)際地源熱泵系統(tǒng)工程使用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究了地源熱泵系統(tǒng)在4種控制方式下的地埋管換熱能效特性，提出了地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化控制方式，以提高地埋管換熱能效，降低地源熱泵系統(tǒng)耗能量。

    【關(guān)鍵詞】地源熱泵   地埋管   現(xiàn)場測試   換熱能效系數(shù)   運(yùn)行控制

Abstract: On the basis of field test in 38 ground-source heat pump projects, analyses the distribution regularity of buried pipe heat tranfser energy efficiency coefficient. Uses the mean value of heat tranfser energy efficiency coefficient as the index to evaluate the actual application result of ground source heat pump system. Studies heat transfer energy efficiency characteristics of buried pipes under four control modes. Presents energy-saving operation optimization control methods for ground source heat pump system in order to improve heat tranfser efficiency of buried pipe and reduce energy consumption of ground source heat pump system.
Keywords: ground-source heat pump, buried pipe, field test, heat tranfser energy efficiency, operation control

0 引言

    地源熱泵系統(tǒng)是利用置入巖土體中的水平或垂直埋管實(shí)現(xiàn)熱泵機(jī)組和周邊巖土體之間的熱量交換，來提升利用地下低品位淺層地能進(jìn)行供冷、供熱及供生活熱水。對于U形地埋管，從U型管的下降支管沿程流到鉆孔底部，再從上升支管沿程流回，從而實(shí)現(xiàn)管中流體與其周圍巖土體的熱量交換。在這過程中，U形地埋管進(jìn)入到熱泵機(jī)組的水溫極大地影響著整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)的性能。從理論上來說地埋管出口水溫可以最大限度地接近巖土體初始溫度，但實(shí)際上不管是冬季還是夏季，地埋管的出口水溫均遠(yuǎn)離了巖土體初溫，這是因?yàn)榈芈窆軗Q熱能力不僅僅依賴于自身的幾何結(jié)構(gòu)和材料，更與熱泵機(jī)組提供給地埋管的換熱負(fù)荷以及周圍的巖土體特性密切相關(guān)^[1] 。

    為了量化地埋管換熱效果，文獻(xiàn)[2]、[3]引入了換熱能效系數(shù)概念和定義，表征了U型地埋管與周圍巖土體連續(xù)換熱后管中流體出口溫度能夠達(dá)到的最低（夏季工況）或最高（冬季工況）的能力，影響著熱泵機(jī)組運(yùn)行效率。本文將在湖北武漢地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)現(xiàn)場測試的基礎(chǔ)上，結(jié)合地埋管換熱能效系數(shù)計(jì)算依據(jù)，分析了地埋管換熱能效水平及分布規(guī)律，利用地埋管換熱能效系數(shù)平均值評(píng)價(jià)地埋管地源熱泵技術(shù)工程應(yīng)用，從而為地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供依據(jù)和建議。

1 測試項(xiàng)目換熱能效

    1.1 換熱能效系數(shù)

    借鑒傳統(tǒng)換熱器效能的概念，單個(gè)U形地埋管換熱器能效系數(shù)E，定義為地埋管換熱器實(shí)際換熱量Q與最大理論換熱量Q’的比值，其表達(dá)式為^[2] ：

    式中，t_in, t_out, t₀分別為U形地埋管換熱器流體進(jìn)口溫度、出口溫度、土壤初始溫度，℃；G為地埋管內(nèi)流體的質(zhì)量流量，kg/s。

    對于敷設(shè)多個(gè)地埋管的管群而言，采用綜合換熱能效系數(shù)Ez進(jìn)行評(píng)析，其定義為地埋管群實(shí)際換熱量Q的平均值與理論最大換熱量Q’的比值，即

    式中 E_z為管群綜合換熱能效系數(shù)；n為管群U形管數(shù)目；T_in為各地埋管中流體進(jìn)口溫度，℃；T_out,i為各地埋管中流體出口溫度，℃；T₀為巖土體初始溫度，℃ρf為流體密度，kg/m³；cf為流體定壓比熱，W/kg.℃；Vf為流體體積流量，m³/s。

    地埋管能效系數(shù)是一個(gè)無量綱的瞬時(shí)量，其變化與地埋管進(jìn)口水溫和巖土體初始溫度無關(guān)，取熱或排熱工況可以統(tǒng)一起來，取值范圍為0~1 ^{[2, 3]} 。

    1.2 測試項(xiàng)目地埋管換熱能效分布

    選取地源熱泵測試項(xiàng)目為38個(gè)，涉及到24個(gè)公共建筑和14個(gè)居住建筑項(xiàng)目，項(xiàng)目和能效分布如圖1~圖3所示。

    從圖1中可以看出，地埋管換熱能效系數(shù)基本上在0.15以上，僅有2個(gè)項(xiàng)目在0.15以下，占5.3%；在0.15~0.35之間的項(xiàng)目數(shù)量最多，占92.1%；能效系數(shù)在0.3~0.35之間的項(xiàng)目數(shù)量最多，有16個(gè)項(xiàng)目，占42.1%；所有測試項(xiàng)目能效系數(shù)平均值為0.26，在平均能效之上的項(xiàng)目數(shù)量有20個(gè)，占比為52.6%?？傮w看來，近一半項(xiàng)目的地埋管換熱能效有提升的潛力。

2 工程應(yīng)用評(píng)價(jià)

    2.1 地源熱泵工程

    某公共建筑面積為2.7萬m²，主要為辦公和后勤服務(wù)用房，采用冷卻塔+地埋管地源熱泵系統(tǒng)供冷供熱和提供生活熱水?？照{(diào)冷熱負(fù)荷和生活熱水負(fù)荷如圖2和圖3所示。

    空調(diào)冷熱源采用二臺(tái)制冷量為940kW部分熱回收地源熱泵機(jī)組，過渡季節(jié)及冬季選用一臺(tái)200kW全熱回收地源熱泵機(jī)組提供50/55℃提供衛(wèi)生熱水。地埋管采用垂直雙U形鉆孔埋管方式，依據(jù)室外室外綠化地帶的埋管地面的形狀和尺寸在室外分6個(gè)區(qū)域進(jìn)行埋管，總鉆井?dāng)?shù)量為289，其中A區(qū)敷設(shè)33個(gè)埋管，B區(qū)敷設(shè)30個(gè)埋管，C區(qū)敷設(shè)106個(gè)埋管，D區(qū)敷設(shè)49個(gè)埋管，E區(qū)敷設(shè)26個(gè)埋管，F(xiàn)區(qū)敷設(shè)45個(gè)埋管，如圖4所示。

    2.2 換熱能效評(píng)價(jià)

    為了分析本工程地埋管換熱能效，選取了7天（168h）的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行測試，并與文獻(xiàn)[2]數(shù)值模型理論值進(jìn)行對比，每天運(yùn)行時(shí)間段為8:00~18:00，其能效分布情況如圖5所示。

    從圖5中可以看出，地埋管換熱能效系數(shù)理論值和測試值變化趨勢一致，地埋管換熱能效系數(shù)隨時(shí)間變化的整體趨勢是逐漸變小，但由于地源熱泵系統(tǒng)處于間歇運(yùn)行工況，埋管周圍巖土體在停歇階段借助熱擴(kuò)散逐步向自然熱平衡態(tài)恢復(fù)，因而換熱能效系數(shù)處于不斷波動(dòng)過程中。根據(jù)地埋管換熱能效系數(shù)分布，本工程測試時(shí)間內(nèi)10.3%能效系數(shù)小于統(tǒng)計(jì)能效值0.26，近90%的時(shí)間段能效系數(shù)大于平均值0.26。

    考慮到換熱能效系數(shù)理論值和測試值基本吻合，采用文獻(xiàn)[2]和[4]中數(shù)值模擬方法在現(xiàn)場的水文地質(zhì)條件下對本工程進(jìn)行地埋管換熱能效系數(shù)動(dòng)態(tài)變化模擬分析，時(shí)間為1年，其中制冷季節(jié)時(shí)間為6月1日至9月30日，制熱季節(jié)時(shí)間為12月15日至3月15日，每天運(yùn)行時(shí)間段為8:00~18:00，全年換熱能效系數(shù)分布如圖6所示。

    從圖6中可以看出，在地源熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行過程中，換熱能效系數(shù)基本上處于0.15以上，61.6%的時(shí)間內(nèi)換熱能效系數(shù)大于平均值0.26，但38.4%的換熱能效系數(shù)不大于統(tǒng)計(jì)能效值0.26，地埋管換熱能效還具有較大的節(jié)能潛力，應(yīng)采取有效的運(yùn)行優(yōu)化控制方式提高地埋管換熱效果。

    2.3 不同控制方式下節(jié)能性

    針對地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中地埋管換熱能效過低的不足，采用表1中4種典型控制方式進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化控制，增強(qiáng)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效果，其地埋管換熱能效、取排熱量和設(shè)備用能情況如表1和圖7所示。

    從表1和圖7中可以看出，采用冷卻塔+地埋管共同散熱的控制方式下，有利于提高夏季工況的換熱能效，這主要是Case3排入到巖土體中的熱量是取熱量的3.38倍，而其他的工況均在3.76以上，可見冷卻塔起到了較好的自我調(diào)節(jié)作用，有效地緩解了巖土體熱平衡。采用分區(qū)控制運(yùn)行地源熱泵系統(tǒng)能耗最低，如果以地埋管出口和空氣濕球溫度差值作為控制指標(biāo)，冬季和夏季換熱能效更高。在用能方面，Case1的年平均耗電量為62.88萬kWh/a，在4種控制方式中最低，Case3和Case4相差不大，為63.19萬kWh/a和65.22萬kWh/a。但由于采用冷卻塔排出了部分熱量，對應(yīng)冬季的換熱能效反而降低，因而需要協(xié)調(diào)優(yōu)化冷卻塔和地埋管運(yùn)行時(shí)間。對于實(shí)際的復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)，應(yīng)綜合考慮建筑空調(diào)負(fù)荷、熱水負(fù)荷等各種影響因素，以確定其合理的運(yùn)行控制方式，提高地埋管換熱能效，降低地源熱泵系統(tǒng)耗能量。

3 結(jié)語

    針對地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱能效問題，本文對地源熱泵工程地埋管換熱過程測試的基礎(chǔ)上，結(jié)合地埋管換熱能效系數(shù)定義，分析了38個(gè)項(xiàng)目地埋管換熱能效系數(shù)分布規(guī)律，并對工程實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化控制方式。結(jié)果表明，采用冷卻塔和主機(jī)熱回收技術(shù)可有效緩解或消除地下負(fù)荷不平衡問題，但不同的運(yùn)行控制策略都會(huì)面臨地下熱平衡、熱回收量與冷卻塔運(yùn)行時(shí)間之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化問題。在保證相同地下冷熱負(fù)荷不平衡比以及冷卻塔運(yùn)行節(jié)能的前提下，建議采用基于流體溫度與空氣濕球溫度差的分區(qū)運(yùn)行控制方式。

參考文獻(xiàn)

    [1] 於仲義，胡平放，徐玉黨，等. 基于換熱效能度的垂直地埋管埋設(shè)深度設(shè)計(jì)[J]. 暖通空調(diào)，2009，39（3）：98-101
    [2] 於仲義，陳焰華，胡平放. 無滲流條件下U型地埋管換熱能效特性研究[J]. 暖通空調(diào)，2010，41（11）：93-98
    [3] 於仲義，陳焰華，雷建平. 陣列式U形地埋管群換熱能效特性研究[J]. 暖通空調(diào)，2015，45（2）：124-128
    [4] 胡先芳. 武漢地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化配置與運(yùn)行策略的研究[碩士論文]. 武漢科技大學(xué)，2014

    備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)文集）。
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