地源热泵多年运行工况对土壤温度场的影响

程向明，张玉瑾

（1.苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州215009；2.河北建筑工程学院 机械工程学院，河北 张家口075000）

地源热泵多年运行工况对土壤温度场的影响

程向明1，张玉瑾2

（1.苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州215009；2.河北建筑工程学院 机械工程学院，河北 张家口075000）

比较了地源热泵系统地下换热器周围土壤温度场的主要影响因素，通过建立近边界与远端土壤传热模型，用数值计算和实测数据分析了地源热泵在连续运行10年期间不同工况对地下土壤温度场的影响，比较了系统在短期与长期连续运行对土壤温度场影响的异同，得出了常年运行状况下土壤温度场的变化规律，对系统运行后期地下温度场的变化做了预测。

地源热泵；传热模型；土壤温度场；影响因素

随着地源热泵连续多年的运行，土壤的热物性及埋管周围的土壤温度场会随着系统的常年使用发生改变，其使用过程中暴露的问题也逐渐引起了研究人员的关注。例如，Strocken College的土壤源热泵系统的土壤换热器区域温度10年间上升了11℃，这是由于建筑冷负荷高于热负荷引起了地下热量积聚，从而造成地下换热器换热效率下降［1-2］；有研究发现，灌浆材料的导热率会影响管壁周围土壤的温度场［3-4］；换热器周围土壤的传热是一个复杂的变化过程，其温度场受到多种因素的影响［5］。地源热泵系统运行时间越长，埋管周围土壤温度场受到影响的程度就越大，而埋管区域内土壤温度场的变化直接影响到地埋管换热器的换热性能，进而制约整个热泵系统的效率。因此，研究土壤源热泵系统在不同换热强度、不同地质等条件下连续多年运行时，地埋管区域内土壤温度场的不同分布规律有其重要意义。

1　地埋管区域内土壤温度场的主要影响因素

地埋管区域内的土壤温度场随着系统的运行是不断变化的，系统设计和运行工况的不同都会对温度场产生一定的影响，因此，研究并总结土壤温度场的主要影响因素并预测其变化规律，对整个系统运行策略的制定有很大的实际意义。

1.1系统所在地的地质条件是影响土壤温度场的直接因素

土壤热物性。影响地埋管换热器周围土壤的传热性能最直接的因素有土壤的比热、导热系数与导温系数［6］。土壤的比热是指单位质量或容积的土壤每升高或降低1℃所需要的热量，一定的地区土壤的热容量大小主要取决于土壤的含水量，土壤的含水量越大，则土壤的热容量越大，土壤温度越稳定。土壤的导热系数表示大地的传热能力，因此，土壤导热率取决于固体颗粒接触紧密程度以及颗粒间孔隙中水分取代空气的程度［7］。土壤的导温系数对于土壤的传热特性有重要影响，对土壤温度自然恢复快慢及状况起决定性的作用。

地下水渗流。无地下水渗流存在时地下埋管周围土壤的温度随着深度的增加而升高，而且埋管周围土壤的温度相对于中心埋管中心基本呈现对称分布；有渗流时，靠埋管附近渗流区的温度比在非渗流区温度要低，但远离埋管区土壤的温度仍然随着深度的增加而升高［8］。此外，相同渗流区域内渗流速度的增加也会造成附近土壤温度的降低，进而影响地埋管的出水温度。

1.2地埋管换热器的特性是影响土壤温度场的潜在因素

就换热器的形式而言，单U型和双U型换热器对土壤温度场的影响具有相同规律。在合适的流量下，双U型管换热性能优于单U型管，对换热器周围土壤温度场的作用范围也较大，土壤温度的自我恢复时间有所延长，随着土壤深度的增加，双U型管对土壤温度场的影响范围也较单U管广。埋管方式的改变也会影响土壤温度场的均匀性。在相同的地埋管管距、不同的排列形式运行工况下，以顺排形式进行放热时土壤温度场的不均匀性更大，总体温升更低，当地埋管为交叉排形式进行放热时，土壤温度场的不均匀性更小，总体温升更高。系统短时间运行时，交叉排列的埋管形式优于其他排列形式，当温升堆积程度有增加趋势时，顺排比交叉排列更有利于土壤温度场的自我恢复。

1.3系统运行工况的变化是影响土壤温度场的决定性因素

在地埋管地源热泵系统应用中，对土壤释热与取热的不平衡是最常见的问题之一，除了建筑负荷的不均，系统本身的间歇运行与长期连续运行也会造成类似的问题。短时间运行后土壤若恢复到运行前的情况，那么地源热泵系统接下来的运行将会取得良好的效果，相反，若经历若干年连续运行后地下温度场发生显著变化，则会降低此地区施行地源热泵系统的可行性。因此，在设计地源热泵系统时，要在整个系统运行的有效期内，掌握连续长期运行时该地区地下温度场的变化规律。笔者通过建立土壤传热模型，模拟具体地源热泵系统运行10年间地下土壤温度场的变化规律，并与实验结果相比较，得出常年运行工况的温度场变化规律并预测变化方向。

2　土壤传热模型的建立

土壤传热模型建立的目的是方便准确的求解土壤周围的温度场的变化，在设计地热换热器时，地下换热器在连续10年以上的工作年限内能够高效工作，模拟时间都较长，间歇工况的传热模型已不能满足要求，此时必须采用合理的埋管内外的传热模型［9］。

2.1换热器管内传热模型

该文以实际地源热泵工程为依托，采用双U型管作为换热埋管，采用准三维有限长线热源模型来研究钻孔内部传热，对于岩土和钻孔回填材料中的横向导热可以忽略不计。此时双U型管4个管道壁面附近过余温度叠加方程为

式中：q1、q2、q3、q4为双U型管四根支管单位长度的热流密度；Rii为各支管内流体与钻孔壁之间的热阻；Tb为孔壁沿深度方向的温度。

根据能量方程可得无量纲能量平衡方程为

将此方程组在无量纲定解条件θ1（1）＝θ3（1），θ1（0）＝1下可推出埋管换热器循环流体出口温度为

2.2孔壁外土壤传热模型

式中T为土壤的瞬态温度，℃；τ为时间，s；r为对称温度场的分布半径，m；λ为土壤的导热系数，W·（m·℃）－1；ρ为土壤密度，kg·m－3；cp为土壤的比热，kJ·（kg·℃）－1。

钻孔与土壤的换热可认为关于钻孔中心呈轴对称传热，这样传热模型可简化为二维非稳态过程。用柱坐标表示二维非稳态的导热方程为［10-11］

土壤表面对流换热系数根据地区不同而定，外界平均温度随时间变化，冬、夏季平均温度取值也因地区而异。在对埋管换热器传热模型进行合理的简化后，根据研究中惯用的方法，利用Ansys有限元法建立了换热管附近土壤的物理模型并模拟了不同工况下土壤温度场的分布。

3　不同工况下土壤温度场分析

该文以青岛市某建筑的土壤源热泵系统实验台为依托，其总建筑面积为430 m2，空调总面积为370 m2。空调系统由数码涡旋水冷多联机与埋管侧水系统组成。该建筑的最大冷负荷25.2 kW，最大热负荷值23.1 kW，冷负荷大于热负荷，从而根据最大冷负荷确定所需打孔数为6孔。在实验运行孔中地下不同深度处布置铂电阻，其相邻测点间的距离最大为10 m，测试的温度数值传送到实验室的温度数据采集仪进行分析处理。由于此系统已连续运行10年，积累了大量数据，文中通过对设计工况下土壤温度场的模拟和数据对比，分析短时间（1年）和长期（10年）连续运行下不同换热量和不同土质条件土壤温度场的变化趋势。

3.1设计工况下土壤温度场模拟结果与分析

系统机组平均制冷COP为5.5，冬季平均制热性能系数为4.5，当系统每延米换热量为30 W·m-1时，通过模拟得出孔壁附近土壤在设计工况下运行1年和10年温度变化曲线和埋管附近土壤周围温度变化的实测曲线图（如图1、图2）。

图1　设计工况下系统运行1年过程中近边界温度的模拟曲线　

图2　地埋管周围土壤平均温度10年变化测试曲线

近边界温度是联系钻孔内和钻孔外传热的关键温度，比较模拟图和实测结果可以看出，由于建筑物冷热负荷的不均匀，导致土壤中热量堆积程度逐年升高是在所难免的，管壁周围最高温度10年来上升了10.6%，并还有逐年升高的趋势。过渡季中土壤进行自然恢复，在系统运行时间不长（1年）时，土壤温度尚可恢复到初始状态，此时系统的短时间运行尚未对地下换热器周围土壤温度场的冷热平衡造成破坏，当运行时间距系统初次启动超过1 100 d土壤温度没有恢复到初始状态，说明系统经过连年的运行，埋管周围土壤出现了热堆积现象。此外，越靠近管壁区域，温度上升的梯度越大；远离换热器管壁的土壤温度在短期内基本稳定在平均温度附近。

3.2不同换热量工况下土壤温度场分析

改变系统的每延米换热量，分别模拟了15、30、60 W·m-1工况时换热器周围温度的变化规律如图3，并将10年来周围土壤平均温度的实际变化趋势绘制成曲线图4。

图3　三种工况下土壤源热泵系统运行1年换热器近边界土壤温度趋势模拟图

图4　不同换热量工况下埋管周围土壤平均温度10年实际变化曲线图

对比图3、图4的曲线变化趋势可以看出，在不同换热量工况下常年运行后近边界土壤温度场的变化趋势与设计工况下的变化趋势十分一致，但随着换热量的不断增大，土壤热堆积程度越来越严重，到第10年运行结束时，15 W·m-1工况下土壤温度比原来上升了5.75%，60 W·m-1工况下温度温度上升28.75%。图3中各曲线的谷值表示制冷季结束后土壤温度的恢复值，当运行10年时，在换热量在30 W·m-1以下时，过渡季结束后土壤温度基本能恢复到原来的85%，当换热量达到60 W·m-1时，土壤温度仅仅能恢复到原来的67.8%。通过图4对比15、30和60 W·m-1换热量工况下埋管周围土壤平均温度10年的变化，可知三种工况的土壤平均温度变化趋势相同，呈逐年直线上升趋势。当换热量低于30 W·m-1时，平均热堆积率不是很明显，上升趋势接近直线，当换热量为2倍设计工况时，土壤温度随着时间的变化率呈等比数列增长，并在10年后可能不再遵循直线变化规律，有可能呈对数规律增长。这说明系统常年连续运行时，比较运行时间和系统换热量的变化对土壤温度场的影响，换热量工况的变化是起主要作用的。

3.3不同土质条件下地下温度场对比分析

在系统10年运行后，不仅换热量的变化会导致土壤温度场发生很大的变化，土质条件的不同，运行时间的长短仍对土壤温度场的变化有很大的影响。文中在其他条件不变的情况下，模拟每延米换热量30 W·m-1工况下不同土壤条件和运行时间对土壤温度的影响。

图5　三种土质条件下土壤源热泵系统运行1年近边界土壤温度模拟曲线

图6　三种土质条件下埋管周围土壤平均温度10年变化模拟曲线

从图5可以看出，系统短时间运行时，三种土质条件下钻孔壁温的变化趋势相同，但温度变化幅度不同。说明经过过渡季的恢复，不同的土质基本都能使土壤温度恢复到原来的温度，但恢复的程度以导热系数最小的黏土为最好，但同时黏土的蓄热能力也决定了系统在运行时会对地下土壤造成很大的温升。根据图6显示，在系统连续运行10年后，地下土壤温度场热量堆积程度最大的也是黏土，在近边界处最高温度升至40.8℃，最低温度降至6.9℃。事实上当孔壁温度上升到40℃时，埋管与周围土壤的换热能力已经大大降低，这也使得机组的COP下降，对于机组与系统的运行不利。究其原因一方面说明黏土的保温性能优于其他两种土质外，另一方面黏土较小的孔隙率也会减弱地下水渗流，从而使热量很难扩散。所以，在土壤源热泵系统设计中，要充分考虑工程所处地区的地质情况。对于土壤导热系数较小的地区，系统连续运行5年以上就宜考虑采用辅助冷却（加热）的复合式热泵系统来缓解热堆积问题。相比之下，砂土和砂岩以其高导热、高孔隙率的特性，有利于地下热量的转移，适合做地源热泵长时间连续运行的换热介质。

4　结语

通过对不同工况下地源热泵系统连续10年运行过程中地下温度场的分析，可总结出土壤温度场与短时间运行工况下的异同，总结出的规律仍可预测10年后地下温度场的变化趋势，对地源热泵系统的后期运行起到实际的指导作用。（1）在系统负荷不均匀的工况运行时，土壤热堆积的现象不可避免，随着运行时间的增加，热堆积效应逐年加强，在系统运行后期，地下土壤温度满足不了换热器的换热效果时，需增加辅助冷却手段。（2）系统换热量超过设计工况会在系统连续运行超过10年后加剧地下土壤温度的升高，若地源热泵系统处于良好的地质条件下，系统运行后期土壤温度的热堆积程度将得到有效的控制；否则会大大降低机组COP。（3）在地源热泵运行的后期阶段，都会出现土壤温度过高或过低的现象，这将会降低热泵系统的运行性能。所以，在土壤源热泵系统设计中，要选择合适的打孔数量并充分考虑工程所处地区的地质情况。长时间无间歇运行工况应选择导热系数较大，土壤孔隙率较高，地下水渗透较好的地质条件。

［1］EPSTEIN C M，SOWERS L S.The continued warming of the Stockton geothermal well field［C］//The 10th International Conference on Thermal Energy.Pomona，USA：Richard Stockton College of New Jersey，Natural and Mathematical Sciences，2004.

［2］SULLIVAN W，PHETTEPLACE G.Performance of a hybrid ground-coupled pump system［J］.Ashrae Transactions，1998，104：763-770.

［3］REMUND C P.Borehole thermal resistance：Laboratory and chengxm field studies［J］.Ashrae Transactions，1999，105（1）：439-445.

［4］杨卫波，孙露露.相变材料回填地埋管换热器蓄能传热特性［J］.农业工程学报，2014，30（24），193-140.

［5］张志鹏，宋新南.单U型与双U型竖直土壤换热器换热性能的对比［J］.太阳能学报，2012，7（33）：1193-1199.

［6］谢尔盖耶夫Е М.普通土质学［M］.北京：地质出版社，1957.

［7］贝弗尔L D，加德纳 W H，加德纳W R.土壤物理学［M］.北京：农业出版社，1983.

［8］胡平放，孙启明，於仲义，等.地源热泵地埋管换热量与岩土热物性的测试［J］.煤气与热力，2008，28（8）：A01-A04.

［9］贾志强，李科群，孙浩琳.采用修正均摊恒定热流法对土壤温度场的分析［J］.暖通空调，2014，44（12）：76-82.

［10］陶文栓，杨世铭.传热学［M］.3版.北京：高等教育出版社，1998.

［11］张彦峰，杨鹏，侯静北.地源热泵地埋管周围土壤温度场的模拟研究［J］.建筑·建材·装饰，2014，1（4）：5-6.

责任编辑：谢金春

Effect of a decade running ground source heat pump on soil temperature field

CHENG Xiangming1，ZHANG Yujin2
（1.School of Environmental Science and Engineering，SUST，Suzhou 215009，China；2.School of Mechanical Engineering，Hehei University of Architecture，Zhangjiakou 075000，China）

We have compared the main influence factors of soil temperature field around the ground heat exchanger of ground heat pump system.According to the operation data of ground source heat pump system of the past 10 years，it is found that the temperature field of the underground soil is affected by different operating conditions.Based on numerical calculation and experimental data，these factors were analyzed by establishing the heat transfer model of the soil near the boundary and the distal end.The differences and similarities of soil temperature field in the short term and long term continuous operation system were also analyzed.The changing patterns of the soil temperature field in a decade are obtained.In addition，we predicted the change of the temperature field in the late stage of operation.

ground heat pump system；heat transfer model；soil temperature field；influence factors

TK89

A

1672-0687（2016）03-0071-05

2015-11-08

江苏省高校自然科学研究重大项目（14KJA610001）

程向明（1985-），男，安徽宿州人，实验师，硕士，研究方向：暖通空调。