小型土壤源热泵冬季间歇运行的地温恢复特性实验研究

罗仲，张旭

（同济大学机械与能源工程学院，上海 201804）

小型土壤源热泵冬季间歇运行的地温恢复特性实验研究

罗仲，张旭*

（同济大学机械与能源工程学院，上海 201804）

本文利用土壤源热泵系统实验台，对上海某小型建筑土壤源热泵系统冬季间歇运行工况进行了实验研究，分析了不同运行时间比下地埋管周围土壤短期温度变化规律，并探讨了间歇运行后土壤温度的恢复对机组性能的影响。研究表明：间歇运行能够有效提升机组性能，单位管长取热量集中于（26～34）W/m；机组运行时间比越大，土壤平均温度恢复比越小，温度恢复速率越大。

土壤源热泵系统；间歇运行；土壤温度；实验研究

0　引言

近年来，能源与环保成为人们关注的两个问题，地源热泵因其效率高和对环境的友好性受到广泛关注［1-2］，导致在地源热泵的宣传上存在一些误区，如“浅层地热是取之不尽、用之不竭的”，“地下有自动升温的功能”等。地源热泵利用的能量是地表浅层蓄存的太阳辐射能，是一种可再生能源，在我国已经取得了广泛的应用，夏季热泵将室内多余的热量释放给地下岩层蓄存起来，冬季再将其从地下抽取出来送到室内。因此，地源热泵能够充分利用地下土壤作为蓄热体，进行能量循环利用，但是随着机组运行时间的延长，土壤温度场会发生改变，导致地埋管进出口水温改变，使实际运行参数与机组设计参数不匹配，对机组性能产生重要影响［3］。由此，探求土壤温度场变化规律，优化机组运行方案显得尤为重要。

高青等［4］提出利用间歇运行，及时恢复地下温度，弥补土壤传热慢等特点，进行了自然状况地下温度场分布、连续运行地温变化规律和间歇性地温变化规律的实验研究工作，证实间歇时间可以改变温度变化规律和趋势，实现更佳的热泵运行工况；范萍萍等［5］在实验的基础上得出，间歇运行和连续运行相比，土壤换热量能够提高5%；刘文学等［6］利用人为控制机组的运行模式，从地埋管内水温的变化规律层面来探求优化连续运行及间歇运行模式下地下换热系统运行的最佳手段；高源等［7］利用土壤源热泵系统夏季工况实验探讨了热泵系统间歇运行时间以及土壤温度的恢复率对热泵运行性能的影响，表明同一埋管深度处，机组的运行时间越长，土壤短期内可恢复的可用稳定温度越高，且需要的稳定恢复时间也越长；高青等［8］、尚妍等［9］、刘祥扬等［10］分别利用模拟手段来探讨土壤源热泵间歇运行下土壤温度场变化特征及恢复规律，王泽生等［11］、袁艳平等［12］借助模拟方法研究土壤源热泵间歇运行对地埋管换热性能的影响；吴春玲等［13］以天津市某办公楼土壤源热泵为研究对象，模拟30年连续运行及间歇运行对土壤温度场的影响；胡金强［14］对地源热泵系统热平衡性进行了分析，提出了解决热不平衡问题的方法。由此可知，对于土壤温度恢复特性较多的是模拟研究及长期地温变化特性研究，而对土壤温度短期内间歇运行恢复特性缺乏实验结果的支撑。

本文利用小型土壤源热泵系统实验台，对冬季间歇运行工况进行实验研究，从机组性能系数、地埋管换热量、土壤平均温度恢复比及恢复速率等方面探讨土壤源热泵系统土壤温度场的短期变化规律。

1　实验系统介绍

实验系统由地源侧、机组侧和用户侧组成［15］。系统构成见图1。

图1　实验系统图

用户侧包含四台室内机，为两个100 m2的办公室供热供冷，机组侧为某土壤源热泵机组，性能参数见表1。

表1　机组技术参数

地源侧主要包括10口埋深80 m地埋管井（编号1#～10#）和两口埋深100 m地埋管井（编号11#、12#），均匀铺设在办公楼周边绿化草坪。为了测量土壤温度变化规律，在地埋管不同深度管壁捆绑热电阻，作为土壤温度监测系统，测点布置见图2。

图2　地温测点布置图

实验主要测试参数包括地埋管进出口水温、埋管周围土壤温度、埋管水流量、机组耗电功率和水泵耗电功率。水温及土壤温度采用Pt100铂电阻传感器测量，误差为±0.15 ℃；地埋管总循环水量采用 LWGY-25-B涡轮流量计测量，标准量程为（2～10）m3/h，误差为±0.2%；各地埋管水流量采用LWGY-10-B 涡轮流量计测量，标准量程为（0.2～1.2）m3/h，误差为±0.5%；耗电功率采用阿尔泰DAM-3505电量采集模块（电压量程400 V，电流量程50 A，测量精度±0.2%），实时采集机组及水泵等耗电功率。

本实验于2015年3月26日开始，每天早上9:30开机，采用24 h为一个运行周期，各工况运行及停歇时间如表 2所示。定义机组运行时间比Fc=Tr/（ Tr+ Ts），其中 Tr为机组运行时间，Ts为机组停歇时间。

表2　冬季间歇运行工况设计

2　运行特性参数及其计算方法

土壤源热泵系统耦合地埋管换热器取热，地埋管的换热能力成为影响机组性能的关键。为了定量分析不同运行工况下土壤平均温度恢复对土壤源热泵系统性能的影响，本文采用单位管长换热量及系统和机组COP作为评价机组高效运行特性指标。

2.1地下埋管换热量

式中：

Q——地埋管换热量，kW；

ρ——水的密度，kg/m3；

V——地埋管内水的体积流量，m3/h；

Cp——水的定压比热容，J/（kg℃）；

ti——地埋管进口水温，℃；

to——地埋管出口水温，℃。

2.2机组冬季供热量

式中：

Qh——土壤源热泵系统冬季供热量，kW；

W——热泵系统输入功率，kW；

Pu——机组耗电功率，kW；

Pp——水泵耗电功率，kW；

PF——室内风机耗电功率，kW。

2.3机组性能系数

2.4单位管长换热量

式中：

q——地埋管单位管长换热量，W/m；

H——地埋管深度，m；

n——开启的地埋管数，本文中n=6。

2.5土壤平均温度恢复比及温度恢复速率

定义机组停歇后能够恢复到初始地温的程度为土壤温度恢复比ε1，土壤温度恢复速率为ε2。

式中：

t——土壤源热泵系统各运行与停歇阶段土壤平均温度，℃；

tm——停歇开始时刻土壤平均温度，℃；

ts——机组运行土壤平均温度，℃；

Δτ——停歇时间，h。

3　实验结果与分析

3.1机组能效分析

如图3、图4所示，各工况系统及机组COP变化趋势相同。以运行时间比1/3为例，随着机组的不断运行，系统及机组 COP均呈现下降趋势，且下降趋势越来越缓。由图中可以看出，系统及机组COP在13:00趋于稳定，说明土壤源热泵系统从开启到稳定运行大致需要 4 h，此结果与文献［13］基本一致。由于机组运行后土壤温度场发生改变，致使机组性能下降，机组开启后2 h内系统及机组COP衰减较大，系统COP衰减26.3%，机组COP衰减25.3%。综合各工况可知，随运行时间比的增加，系统及机组COP均减小，且运行时间比为7/12工况系统与机组COP比运行时间比为1/3工况系统与机组COP分别小11.9%和11.0%。由此可知，适当减小运行时间比，能够有效提升机组系统及机组COP，本实验系统COP最终维持在3.7～4.3之间，机组COP维持在4.7～5.5之间。

图3　不同运行时间比工况下系统COP随运行时刻的变化

图4　不同运行时间比工况下机组COP随运行时刻的变化

3.2地埋管换热量分析

相同工况下，随热泵机组的运行，热泵机组不断从地下取热，会使土壤平均温度降低，造成地埋管流体与土壤温差下降，从而引起地埋管换热器与土壤换热量衰减，如图5所示，地埋管单位管长换热量呈下降趋势，且下降趋势越来越平缓。当开始运行4 h后，单位管长取热量衰减程度为31.1%。最终各工况单位管长取热量大致分布在（26～34）W/m区间，并且随着运行时间比的增加，单位管长换热量减少。由此可知，合理分配机组运行时间比能够有效优化土壤换热条件，提升土壤源热泵系统性能。

图5　不同运行时间比工况下单位管长取热量随运行时刻的变化

3.3土壤温度变化规律

本实验选取地下60 m、70 m及80 m土壤温度表征土壤温度变化规律，如图6所示。随土壤源热泵系统的运行，土壤温度逐渐降低，并且于系统关闭时刻土壤温度达到最低值。机组运行初期，土壤温度与埋管中流体温差较大，换热量大，土壤温度下降相对较快，主要下降区段集中于开机后（0～6）h，此区段土壤温降占整个运行工况总温降的 80%左右。

图6　不同深度土壤温度随运行时间变化

当机组停止运行后，土壤温度回升，由图7所示，各工况土壤平均温度恢复速率变化趋势相同，以运行时间比1/3为例，前2 h，土壤平均温度恢复速率最快，恢复速率为0.24 ℃/h，随后呈缓慢下降趋势，出现衰减，停歇8 h后，土壤恢复速率才开始趋于稳定，与前2 h相比，衰减量为58.3%。本实验系统工况条件下，土壤平均温度恢复速率主要分布在0.15 ℃/h左右。

图7　不同运行时间比工况下土壤平均温度恢复速率随间歇时间的变化

如图8所示，各工况土壤平均温度恢复比变化趋势相同。以运行时间比1/3为例，土壤平均温度恢复期主要在停歇后10 h内，土壤平均温度恢复比可达为 88.0%。并且由图中可以看出，在停歇后（0～4）h内，各工况土壤平均温度恢复比基本一致；运行时间比在1/3～7/12有效区间，假定与运行时间比无关，每隔2 min分别计算各工况的土壤平均温度恢复比，对此4 h内四个工况的480个数据以土壤平均温度恢复比为因变量、以停歇时间为自变量，进行一元二次回归，得到以下结果：

图8　土壤平均温度恢复比随间歇时间的变化

由Origin软件输出的R2=0.9564，可为探讨短期土壤温度恢复规律提供参考。

结合图6～8分析可知，随运行时间比的增加，土壤平均温度下降程度增大，土壤平均温度恢复速率越大；然而由于其偏离初始温度过大，土壤平均温度恢复比却越低。由于运行时间比的增加，机组停歇时间减少，土壤温度缺乏恢复时间，若机组长时间高运行时间比开启，土壤整体温度将下降，严重偏离初始温度，导致机组长时间处于低能效运行。

4　结论

利用土壤源热泵系统实验台，对上海某小型单体建筑冬季间歇运行工况进行了实测分析，在空调机组运行时间比1/3～7/12区间内，探讨冬季间歇运行对机组能效的影响及土壤短期温度变化规律，结论如下。

1）在满足建筑供热需求，运行周期为24 h条件下，运行时间比为1/3能够有效合理地控制土壤温度和提高土壤源热泵系统的性能，7/12工况系统与机组 COP比 1/3工况系统与机组 COP分别要小11.9%和11.0%。

2）地埋管单位管长换热量随运行时间比的增加而减少，冬季间歇运行工况下，单位管长取热量大致分布在（26～34）W/m区间。

3）间歇运行时，机组运行时间比越大，土壤平均温度恢复比越低；机组停歇后，土壤温度回升速率呈递减趋势，且运行时间比越大，土壤回升速率越大，本实验系统工况条件下，土壤平均温度恢复速率主要分布在0.15 ℃/h左右。

4）间歇运行时，土壤平均温度有效恢复期集中在停歇后 10 h内，土壤平均温度恢复比达到79.0%～88.0%。

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Experimental Investigation on Ground Temperature Restorative Characteristics under Intermittent Operation Condition in Winter for a Small Ground Source Heat Pump System

LUO Zhong， ZHANG Xu*
（College of Mechanical Engineering， Tongji University， Shanghai， 201804， China）

Based on the platform of a ground source heat pump system（GSHP）， experiments of a small building's GSHP in Shanghai under intermittent operation conditions in winter are carried out. The temperature changes of the soil around boreholes are analyzed and the influence of temperature restoration on the performance of unit is discussed. The research shows that the intermittent operation can effectively improve the performance of units，and the heat transfer per unit length of the borehole concentrats on（26～34）W/m. When the share of running time increases， the average ground temperature restorative ratio decreases but the restorative rate increases.

Ground source heat pump system； Intermittent operation； Ground temperature； Experimental investigation

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.101

*张旭（1955-），男，教授，博士。研究方向：1.建筑节能及新能源在建筑系统的应用；2.建筑物能量系统生命周期评价方法及评价指标体系的研究；3.面向小城镇及农村的低成本能源系统的技术集成和新能源综合利用；4.复杂空间通风技术。联系地址：上海市曹安公路4800号同济大学嘉定校区机械与能源工程学院A450，邮编：201804。联系电话：021-65983605。

E-mail：zhangxu-hvac@tongji.edu.cn。