北京建筑大學(xué)      王欣   李德英

摘   要：結(jié)合寒冷地區(qū)某辦公樓地源熱泵項(xiàng)目，介紹了淺層地?zé)岬刭|(zhì)條件的測(cè)試結(jié)果。土壤熱平衡分析結(jié)果表明，如果地源熱泵機(jī)組全年向巖土體排熱量為1. 425TJ，經(jīng)過一個(gè)制冷季和一個(gè)供暖季后，巖土體溫度升高幅度為0.30℃。運(yùn)行數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，地源熱泵冷凝器與蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差在運(yùn)行過程中通常小于設(shè)計(jì)溫差，造成水泵能耗偏高，建議采用定溫差、水泵變頻調(diào)節(jié)的控制方式。

關(guān)鍵詞：地源熱泵; 空調(diào)系統(tǒng); 熱平衡; 定流量系統(tǒng); 節(jié)能; 辦公建筑

       0   引言

       根據(jù)地?zé)崮軗Q熱形式的不同，地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)。其中地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)由于受到使用條件和環(huán)境保護(hù)的限制很難推廣，地埋管地源熱泵系統(tǒng)則應(yīng)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?zé)崮?，因此豎直埋管式得到了更為普遍的應(yīng)用。國內(nèi)近些年陸續(xù)出現(xiàn)了一些豎直埋管式地源熱泵項(xiàng)目，比如山東建筑大學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告廳地源熱泵系統(tǒng)采用25組并聯(lián)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(tǒng)應(yīng)用的可行性己經(jīng)在實(shí)際工程中得到證明，但是缺乏對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)包括如何進(jìn)行熱平衡以及系統(tǒng)節(jié)能性等各個(gè)方而的具體分析論證。本文通過寒冷地區(qū)某辦公樓地源熱泵系統(tǒng)的測(cè)試，對(duì)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的可行性和節(jié)能性進(jìn)行分析，為豎直埋管式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

       1   工程實(shí)例

       1.1   工程概況

       寒冷地區(qū)（北京市）某辦公樓項(xiàng)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(diào)系統(tǒng)夏季冷負(fù)荷為1935.67kW，冬季熱負(fù)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(tǒng)設(shè)置

       該工程中地源側(cè)采用100m長豎直雙U形地埋管換熱器408組。末端采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，部分房間采用全空氣系統(tǒng)?？照{(diào)水系統(tǒng)為兩管制定流量系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)供回水壓差為0.32MPa，定壓值為0.35MPa。

       工程中設(shè)計(jì)冷熱負(fù)荷相差較大，導(dǎo)致冬夏季循環(huán)水流量相差也較大，故選用兩套水泵系統(tǒng)，冬夏季各用一套。水泵設(shè)置如表1所示。從中可以看出：夏季空調(diào)側(cè)流量為391m³/h，電動(dòng)機(jī)功率為74kW；地源側(cè)流量為468m³/h，電動(dòng)機(jī)功率為110kW。冬季空調(diào)側(cè)流量為440m³/h，電動(dòng)機(jī)功率為110kW；地源側(cè)流量為334.4m³/h，電動(dòng)機(jī)功率為74kW。

表1   水泵設(shè)置

 

       2   淺層地?zé)岬刭|(zhì)條件測(cè)試

       地埋管地源熱泵應(yīng)用中非常重要的參數(shù)是土壤溫度，目前國內(nèi)外許多專家、學(xué)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(shè)前進(jìn)行可行性和適宜性分析，確定項(xiàng)目所在地的適宜埋管深度及該范圍內(nèi)的地層熱物性參數(shù)。鉆了兩個(gè)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(cè)試時(shí)間為48h，地溫測(cè)量工作具體參數(shù)見表2。

表2   地溫測(cè)量

       在完成現(xiàn)場(chǎng)成孔、下管、回填工作并靜置Za后，完成了測(cè)試孔內(nèi)的地溫測(cè)試工作，具體測(cè)量結(jié)果如圖1所示（測(cè)試結(jié)束時(shí)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(dòng)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(dòng)的影響，總體上隨深度增加而升高。對(duì)圖1中相對(duì)穩(wěn)定的溫度實(shí)測(cè)值（深度20~95m）進(jìn)行計(jì)算可得，其地溫梯度為2.3℃/100m。
地埋管地源熱泵系統(tǒng)的埋管基本處于地下2m以下，根據(jù)上述測(cè)量的地溫?cái)?shù)據(jù)，選取PE管內(nèi)2m以下的實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行加權(quán)平均可得，該場(chǎng)地2~100m的原始地溫可取值為15.48℃。

圖1   測(cè)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(yùn)行后土壤溫度出現(xiàn)上升或下降是土壤熱量收支失衡的兩種后果，都對(duì)系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行不利。

       土壤的熱平衡是個(gè)復(fù)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(nèi)向外逐層傳遞，任何一點(diǎn)的逐時(shí)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(shí)受空調(diào)間歇運(yùn)行造成的多條逐時(shí)溫度波變化影響，另外還與分層地質(zhì)差異、多變地下水含量與流速等諸多微觀因素有關(guān)。本文中的熱平衡是指在無地下水流動(dòng)情況下的熱平衡。

       為了防比地源熱泵熱失衡問題的發(fā)生，進(jìn)行了地質(zhì)熱物性試驗(yàn)，經(jīng)分析計(jì)算，該工程計(jì)算場(chǎng)區(qū)淺層（100m以內(nèi)）地?zé)犰o態(tài)儲(chǔ)量為4.75TJ/℃（巖土體每變化1℃釋放或吸收的熱量，數(shù)據(jù)由項(xiàng)目勘察評(píng)估報(bào)告提供）。

       根據(jù)工程場(chǎng)區(qū)所在地淺層地?zé)岬刭|(zhì)條件，結(jié)合地源熱泵系統(tǒng)室外熱源部分應(yīng)用空間條件和系統(tǒng)年排熱、取熱量，可按式（1）計(jì)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(tǒng)年排熱量與取熱量之差，按運(yùn)行時(shí)間累計(jì)（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(yùn)行時(shí)間（s）；Q冷為夏季設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷（kW）；t熱為冬季運(yùn)行時(shí)間（s）；Q熱為冬季設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷（kW）；COP冷為設(shè)計(jì)工況下熱泵機(jī)組的制冷性能系數(shù)；COP熱為設(shè)計(jì)工況下熱泵機(jī)組的供熱性能系數(shù)。

       地源熱泵系統(tǒng)機(jī)組的制冷、制熱性能系數(shù)分別為COP_冷=5,COP_熱=4，地埋管地源熱泵系統(tǒng)完全承擔(dān)建筑空調(diào)冬季負(fù)荷1353.78kW和夏季負(fù)荷1935.67kW。若系統(tǒng)冬季運(yùn)行時(shí)間按120d計(jì)，夏季運(yùn)行時(shí)間按100d計(jì)，且每天運(yùn)行10h，運(yùn)行負(fù)荷系數(shù)取0.7，則運(yùn)行一個(gè)供冷、供暖季后的累計(jì)熱聚集ΔQ_年=Q_排-Q_取≈2.78×10⁹kJ。擬建場(chǎng)區(qū)可利用而積為13671m²，淺層（100m以內(nèi)）地?zé)犰o態(tài)儲(chǔ)量為4.75TJ，經(jīng)過一個(gè)供冷、供暖季后，巖土體溫度變化Δt ≈0.58℃。

       地埋管區(qū)域巖土體溫度升高將會(huì)影響地埋管地源熱泵系統(tǒng)的長期使用，多年以后，地源熱泵系統(tǒng)效率會(huì)顯著降低。為了保證地源熱泵系統(tǒng)的長期高效運(yùn)行，同時(shí)也考慮到地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行間隔期地層溫度恢復(fù)和大地?zé)崃髯饔茫诓挥绊懙卦礋岜孟到y(tǒng)長期運(yùn)行效率的前提下，經(jīng)過一個(gè)供冷、供暖季后，巖土體溫度升高幅度不宜超過0.30℃（數(shù)據(jù)由項(xiàng)目勘察評(píng)估報(bào)告提供）。按照此種情況反推，在滿足空調(diào)冬季負(fù)荷（1353.78kW）時(shí)，巖土體冷熱基本平衡J隋況下，地源熱泵系統(tǒng)可承擔(dān)建筑空調(diào)夏季負(fù)荷1486.56kW，剩下的449.11kW冷負(fù)荷需要通過其他方式承擔(dān)。此時(shí)，選用的地源熱泵機(jī)組全年向巖土體排熱量為1.425TJ，經(jīng)過一個(gè)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(qū)辦公建筑采用地源熱泵系統(tǒng)時(shí)需進(jìn)行熱物性測(cè)試及冷熱負(fù)荷與巖土溫升計(jì)算，以保證運(yùn)行效果。

       4   運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

       該工程地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)于2012年12月正式投入使用。運(yùn)行時(shí)間為08:00~18:00，運(yùn)營人員每2h記錄一次運(yùn)行數(shù)據(jù)，每天有5組數(shù)據(jù)，包括：地源側(cè)流量、空調(diào)側(cè)流量、冷凝器進(jìn)水溫度、蒸發(fā)器出水溫度、地源側(cè)集分水器溫度、空調(diào)側(cè)集分水器溫度、地源側(cè)循環(huán)泵電流以及空調(diào)側(cè)循環(huán)泵電流等，分析時(shí)取每天數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，數(shù)據(jù)截至2014年7月。

       4.1   地源側(cè)換熱量與室外溫度的關(guān)系

       該地區(qū)冬季空調(diào)室外計(jì)算溫度為-9.9℃，筆者收集了2013年12月室外氣象參數(shù)，并對(duì)比了同期室外最低溫度與地源側(cè)換熱量的關(guān)系。

       實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)中有地源側(cè)水流量以及地源側(cè)供回水溫差，計(jì)算得到的地源側(cè)換熱量結(jié)果如圖2所示。從中可以看出，一般情況下地源側(cè)換熱量與室外溫度成反比，同時(shí)也與建筑使用情況有關(guān)，如26日與19日，前者室外溫度較低，其地源側(cè)換熱量卻較小，原因在于前者的使用房間數(shù)減少使得熱負(fù)荷變小。

圖2   2013年12月室外溫度與地源側(cè)換熱量的關(guān)系

       4.2   室外平均溫度與地源側(cè)進(jìn)、出水溫度的關(guān)系

       2013年8月的室外平均溫度與同期地源側(cè)進(jìn)、出水溫度的對(duì)比結(jié)果如圖3所示。從中可以看出，一般情況下地源側(cè)進(jìn)、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(guān)。

圖3   2013年8月室外平均溫度與地源側(cè)進(jìn)、出水溫度對(duì)比

       2013年8月的平均室外溫度為27.26℃，而地源側(cè)平均水溫為22.68℃，因此夏季工況地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)于空氣源熱泵系統(tǒng)。

       2013年12月的室外平均溫度與同期地源側(cè)進(jìn)、出水溫度的對(duì)比結(jié)果如圖4所示。從中可以看出，地源側(cè)進(jìn)、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(cè)進(jìn)、出水溫度對(duì)比

       2013年12月平均室外溫度為0.56℃，而地源側(cè)平均水溫為6.25℃，因此冬季工況時(shí)地源熱泵系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于空氣源熱泵系統(tǒng)。

       4.3   蒸發(fā)器進(jìn)出水溫差、冷凝器進(jìn)出水溫差與設(shè)計(jì)溫差的關(guān)系

       圖5、6分別顯示了2013年12月和8月蒸發(fā)器與冷凝器進(jìn)出水溫差的對(duì)比。從圖5、6可以看出，無論冬季還是夏季，蒸發(fā)器與冷凝器進(jìn)出水溫差都同步變化，且80%以上時(shí)間實(shí)際溫差都小于設(shè)計(jì)溫差。

圖5   2013年12月蒸發(fā)器與冷凝器進(jìn)出水溫差對(duì)比

圖6   2013年8月蒸發(fā)器與冷凝器進(jìn)出水溫差對(duì)比

       2013年12月蒸發(fā)器進(jìn)出水平均溫差為1.64℃，冷凝器進(jìn)出水平均溫差為4.56℃，設(shè)計(jì)溫差均為5℃，這樣冷凝器水泵浪費(fèi)了8.8%的電能，冷凝器水泵功率為110kW，按運(yùn)行1個(gè)月(31d，每天運(yùn)行10h，電價(jià)1元/(kW·h))進(jìn)行計(jì)算，僅僅12月就浪費(fèi)了2728元電費(fèi)；蒸發(fā)器水泵浪費(fèi)了67%的電能，蒸發(fā)器水泵功率為74kW，12月浪費(fèi)了15370元電費(fèi)。

       2013年8月，冷凝器進(jìn)出水平均溫差為3.5℃，蒸發(fā)器進(jìn)出水平均溫差為4.68℃，設(shè)計(jì)溫差均為5℃，冷凝器水泵浪費(fèi)了30%的電能，8月浪費(fèi)了10230元電費(fèi)；蒸發(fā)器水泵浪費(fèi)了6.4%的電能，8月浪費(fèi)了1468元電費(fèi)。由以上分析可以看出，在地源熱泵系統(tǒng)中定流量運(yùn)行存在著較大的浪費(fèi)，建議采取定溫差方式運(yùn)行。

       5   結(jié)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(qū)冬季土壤溫度維持在15.48℃左右；

     （2）寒冷地區(qū)辦公建筑采用地源熱泵系統(tǒng)時(shí)，需進(jìn)行冷熱負(fù)荷平衡計(jì)算，必要時(shí)采取輔助冷熱源形式；

     （3） 地源側(cè)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(guān)；

     （4）寒冷地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)冬、夏季工況均優(yōu)于空氣源熱泵系統(tǒng)；

     （5）地源熱泵冷凝器與蒸發(fā)器進(jìn)出水溫差在運(yùn)行過程中通常小于設(shè)計(jì)溫差，造成水泵能耗偏高。建議采用定溫差、水泵變頻調(diào)節(jié)的控制方式。

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備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2017年2月刊總第2期。
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