土壤源热泵间歇运行条件下土壤换热特性分析

唐文龙,张 季,汪丽娟,袁安冬,王海涛

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601)

与传统空调相比，地源热泵因为可以提供更高的空调能效，其已在建筑供能领域广泛应用[1-2]。然而，地源热泵系统夏冬季负荷不平衡，随着土壤源热泵机组的长时间运行，地埋管的热平衡状态被打破，造成埋管区域土壤冷/热量累积，使机组运行工况恶化[3]，最终可能导致地埋管地源热泵系统失去作用。针对此问题，高青等[4]提出利用间歇运行工况，给予土壤一定的恢复时间，在缓解热堆积的同时增强地埋管的换热效率。李钰楠等[5]通过研究发现对土壤源热泵系统进行间歇运行可以降低土壤的温度变化幅度，促进土壤的热平衡并减轻了系统的热不平衡。闵杰等[6]利用实验探究发现地埋管系统单位井深换热量随系统启动时间的增大而减小，系统启动的时间越长，土壤温度与初始温度之间的差距越大。吴晅等[7]研究了地埋管出水温度与系统开停比之间的关联，结果表明：地埋管出口温度随着热泵开停比的减小表现出温度下降趋势。Pei G等[8]在实验的基础上得出，间歇运行的提取能量比连续运行高36.44 kw·h；吕艺青等[9]研究了不同间歇运行模式下机组的能效系数，结果表明在运行2 h停机2 h的间歇运行模式下，机组COP平均值比连续运行 12 h 高出6.2%。王亮等[10]将分区运行与间歇运行结合提出的运行方案能降低机组20%的能耗。陈颖等[11]研究表明，夏热冬暖地区对单U管和双U管两种地埋管地源热泵系统在开停比3 h∶5h的情况下，分别可使单、双U井的换热能力提高8.3%和10.2%。在开停比4 h∶5h的情况下，分别可使单、双U井的换热能力提高7.6%和3.1%。王刚等[12]对热泵效率和运行时间周期之间的关系进行研究后发现当热泵制热能力相同时，减少时间周期，降低运行时间，可以提高地埋管流体出口温度，提高热泵效率。罗仲等[13]研究了间歇运行后土壤恢复过程中温度变化情况，结果表明：在停歇后 10 h 内，土壤平均温度得到有效的恢复，计算出的土壤平均温度恢复比范围在79.0%～88.0%。吴春玲等[14]对机组的间歇运行进行了30年的模拟，结果表明：土壤温度主要的波动上升阶段在机组运行的前15年内，后15年上升幅度减缓。Cao X等[15]对间歇比(停止时间∶启动时间)分别为0.7、1、1.4、2、3的5种间歇运行模式进行仿真模拟，结果表明当间歇比为3时，由于停止运行时间最长，土壤恢复性能最好，同时随着系统的运行，间歇运行产生的热量增强更加明显。 Chaofeng L等[16]通过建立地埋管的模型，研究运行模式对地源热泵系统性能系数的影响：结果表明在与土壤交换热量相同的情况下，开机时间越短，土壤温度变化越大，土壤温度恢复速度越快。

综上所述：对于土壤源热泵间歇运行的实验和模拟大多是研究在长时间运行下启停比对地埋管换热的影响，而对短时间内启停比对地埋管换热及土壤温度恢复的影响缺乏研究。本文基于相似性准则，搭建与实际地埋管换热器形式相近的小型土壤源热泵试验台，进行土壤蓄放热过程地埋管传热特性研究，分析间歇运行工况时地埋管换热量、土壤平均温度恢复比及恢复速率等因素，探讨间歇运行时埋管周围土壤温度场的短期变化规律。

1 实验系统

地埋管试验台主要包括恒温水箱、竖直单U型地埋管、竖直双U型地埋管、实验砂土箱、T型热电偶、fluke2638a型号数据采集仪, 如图1所示。其中实验台为1.5 m×1.5 m×1.5 m的不锈钢外壳箱体，为了减少散失的热量，实验砂箱四壁包裹100 mm聚苯板保温材料。U型地埋管材质为铜管，采用绝热软管将铜管与恒温水箱连接，内外径分别为5、8 mm，埋管中心距75 mm，埋管深度1 300 mm。将埋管中心定为坐标原点，采用密集布置的方式在土壤中层750 mm深度处将热电偶(选用的T型热电偶其误差不超过±0.1 ℃)铺设在埋管附近温度变化剧烈的区域，在水平方向共布置5个点，与埋管的相对距离分别为10、50、70、150、300 mm。温度传感器与 fluke2638a数据采集仪连接,如图2所示。实验参数如表1所示。

图1 实验装置系统

图2 温度传感器布置(单位：mm)

表1 实验参数

2 实验指标及其计算方法

2.1 地埋管换热量

供回水温度、流量的地埋管换热量Q可通过式(1)计算，即

Q=ρVCP(t0-ti) ,

(1)

式中：Q是在热泵运行稳定后的换热量，kW；V是流体的体积流量 ，m3/h；ρ是水的密度, kg/m3；CP是流体的定压比热容，J/(kg·℃)；t0是流体进口温度，℃；ti是流体出口温度，℃。

2.2 单位管长换热量

代表地埋管换热能力的单位管长换热量可通过式(2)计算，即

(2)

式中：Q是地埋管换热量，W；H是地埋管纵向方向上埋藏深度，m；n是U型管数量，本文中单U管n=2，双U管n=4。

2.3 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。

(3)

(4)

式中：t是土壤源热泵系统各运行与停歇阶段土壤平均温度，℃；tm是停歇开始时刻土壤平均温度，℃；ts是机组运行土壤平均温度，℃；τ是停歇时间，h。

3 实验结果及分析

3.1 连续运行工况下土壤温度的变化规律

在埋管进口流体温度为42 ℃，流量为1.2 m3/h的情况下，单U管和双U管在土壤深度750 mm时各径向距离土壤逐时温度变化情况如图3～4所示。

图3 单U管径向距离土壤逐时温度

图4 双U管径向距离土壤逐时温度

从图3～4中可以看出，在热泵运行开始时，距离管壁10 mm的平均土壤温度为27.8 ℃，在热泵运行的初期(0～4 h)，此时管壁附近的温升速率最大。随着机组的运行，管壁附近的土壤温度呈递增趋势，土壤与流体间的温差开始缩减，土壤温升速率开始衰弱。同时热电偶距离埋管中心越远，测得的温度越低，单位时间内温升速率越低，在距热源50和70 mm处测点温升幅度下降趋势增大，超过150 mm后测点温度波动范围极小。

当单U管运行2 h后，径向距离10、50、70 mm处的土壤温度分别为28.88、28.78、28.58 ℃。运行4 h后径向距离10、50、70 mm处的土壤温度为29.78、29.28、28.75 ℃。径向距离10 mm处的温升幅度分别比50和70 mm处高出44%和81%，具体数值变化如图5所示。

图5 单U管径向距离土壤温度变化情况

对于单U管系统，运行12 h后，距离管壁10 mm的土壤温升速度率从开始的0.54 ℃/h下降至0.01 ℃/h。对于双U管系统，其距离管壁10 mm处的土壤温升速率从开始的2.19 ℃/h下降至0.03 ℃/h。结果表明，随着系统的运行，管壁处土壤温升速率逐渐变小趋于稳定，在同一时间段内双U型地埋管换热器管壁处土壤温升速率高于单U管，说明双U管的换热效率高于单U管，如图6所示。根据系统连续运行的实验结果可知土壤温度主要上升区段集中于开机后0～6 h，单U管在前2、4、6 h能达到土壤温度稳定值的38%、69%、85%。而双U管在前2、4、6 h能达到土壤温度稳定值的67%、85%、92%。

图6 土壤温升速率

3.2 间歇运行工况下土壤温度的变化规律

在埋管进口流体温度为42 ℃，流量1.2 m3/h的情况下，分别进行5种运行模式的实验，如表2所示。方案1为连续运行工况；方案2为方案3的对比实验，探究在相同启停比的情况下机组启停次数对土壤温度恢复的影响；方案3、4、5为探究停机时间同为2 h的情况下，运行时间的增加对土壤温度恢复的影响。

表2 地源热泵运行策略方案

在12 h连续运行的基础方案下，研究间歇运行策略对土壤源热泵系统运行效果的影响。不同的运行策略导致地下温度分布的差异较大，热泵在不同运行状况下单U管和双U管在径向距离为10 mm处，土壤温度随时间的变化规律如图7～8所示。

图7 单U管间歇运行时土壤逐时温度

图8 双U管间歇时运行土壤逐时温度

由图7～8可以看出,不同的开机时间导致地下温度分布的差异较大。在连续运行12 h的情况下，单U管和双U管周围的土壤温度呈逐渐递增的趋势，都是在热泵运行的初期(0～4 h)温度上升趋势明显，4 h后上升速度减慢，经过12 h后土壤温度趋于稳定。在间歇运行中，土壤温度呈先升后降的周期性变化情况。

方案2和3的运行模式分别为开机6 h、停机6 h和开机2 h、停机2 h，重复此模式，共运行12 h。此时土壤逐时温度变化如图9所示。停机后的6 h内单U管周围土壤温度从30.18 ℃降至28.77 ℃，土壤温度恢复速率为0.235 ℃/h，土壤平均温度恢复比为53.4%。双U管周围土壤温度从31.98 ℃降至29.54 ℃，土壤温度恢复速率为0.396 ℃/h，土壤平均恢复比为55.94 %。

图9 开停时间比6h∶6h土壤逐时温度

在3次启停后，单U管周围土壤从29.35 ℃降至29.01 ℃，土壤温度恢复速率为0.17 ℃/h，土壤平均回复比为19.4%。双U管周围土壤从31 ℃降至30.24 ℃，土壤温度恢复速率为0.38 ℃/h，土壤平均恢复比为24%,土壤逐时温度变化如图10所示。

图10 开停时间比2 h∶2 h土壤逐时温度

方案4和5的运行模式分别为开机3 h、停机2 h和开机4 h、停机2 h。两次启停后，单U管周围土壤从29.44 ℃降至29.09 ℃，土壤温度恢复速率为0.16 ℃/h，土壤平均温度恢复比为17%。双U管周围土壤从31.49 ℃降至30.68 ℃，土壤温度恢复速率为0.4 ℃/h，土壤平均恢复比为20%，土壤逐时温度变化如图11所示。

图11 开停时间比3 h∶2 h土壤逐时温度

两次启停后，单U管周围土壤从29.91 ℃降至29.63 ℃，土壤温度恢复速率为0.14 ℃/h，土壤平均温度恢复比为11.1%。双U管周围土壤从31.86 ℃降至31.26 ℃，土壤温度恢复速率为0.3 ℃/h，土壤平均温度恢复比为13%，土壤逐时温度变化如图12所示。

图12 开停时间比4 h∶2 h土壤逐时温度

在启停比不同的时候，土壤的温度恢复比随着启停比的减小降低，将双U管在运行方案3、4、5下的土壤平均温度恢复比做比较，可以发现方案3土壤温度恢复比比方案4高出4%，比方案5高出11%。在启停比相同的情况下开机次数越多，地埋管周围土壤温度峰值越低；停机次数越少，土壤温度恢复比越高。如将方案2与方案3的双U管周围土壤温度比较可以发现方案2的土壤温度恢复比比方案3高出27.24%，如图13所示。

同时由于双U管的换热量比单U管高，使得双U管的管壁土壤温度比单U管大，向远处土壤传递温度的速度快，在实验中表现出双U管的土壤温度恢复速率和土壤平均温度恢复比均高于单U管。如在方案3、4、5中双U管的土壤平均温度恢复比分别比单U管高出了12%、15%、7%，土壤温度恢复速率分别比单U管高出61%、73.3%、58.3%。

图13 土壤平均温度恢复比随运行方案的变化

3.3 间歇运行工况下地埋管换热量的变化规律

随着热泵机组的运行，热泵机组向地下释放热量，提高了土壤平均温度，减小埋管内流体与土壤的温差，使地埋管单位管长换热量衰减，如图14～15所示。

图14 单U管间歇运行单位管长换热量

图15 双U管间歇运行单位管长换热量

当开始运行4 h后，单U管的单位管长换热量从30.43 W/m降至24.28 W/m，降低了 20.1%。双U管的单位管长取热量从52.33 W/m降至27.8 W/m，降低了 46.8%。运行结束后，单U管各工况单位管长取热量大致分布在24～28 W/m，双U管各工况单位管长取热量大致分布在26～30 W/m。开停时间比为2 h∶2 h的情况下，在3次启停后，单双U管的单位管长取热量分别为30.07 W/m和27 W/m，分别比连续运行工况下高出9.2%和14%；开停时间比为3 h∶2 h的情况下，在2次启停后，单、双U管的单位管长取热量分别为28.7 W/m和26.2 W/m，分别比连续运行工况下高出7.2%和10.05%；开停时间比为4 h∶2 h的情况下，2次启停后单、双U管的单位管长取热量分别为27.76 W/m和26.1 W/m，分别比连续运行工况下高出6.1%和7.9%。

间歇运行中多次的启停，增加了机组运行的时间周期，减轻了埋管周围土壤热量的积累，有助于地埋管换热量的增加。比如单U管和双U管在开机6 h，停机6 h运行方案下最小地埋管换热量分别为24.67 W/m和27.85 W/m；而在开机2 h，停机2 h的方案下最小地埋管换热量分别为26.73 W/m和30.8 W/m。可以发现，在运行时间和停歇时间相同的情况下，单U管的最小地埋管换热量提高了7.7%，双U管的最小地埋管换热量提高了9.5%。

综上所述，在同一时间段内增加机组启停次数，可以减轻埋管周围土壤热量的积累，提高了地埋管换热器处于间歇运行状态时的地热能利用效率。可与地埋管分区运行策略结合[10]，在部分负荷下通过改变地埋管运行的分区代替机组的启停，达到提高地热能利用效率的目的。

4 结论

1) 系统在连续运行12 h后，地埋管径向10 mm处土壤温度基本稳定，土壤温度上升的主要区段集中于开机后的0～6 h，在这个时间段单U管周围土壤温度达到了稳定值的85%，双U管达到了92%，其余点位温度还有升高趋势。

2) 在启停时间比为2 h∶2 h、3 h∶2 h、4 h∶2 h的运行模式下,地埋管单位管长换热量比连续运行工况下高,单U管单位长度换热量分别比连续运行工况下高9.2%、7.2%和6.1%，双U管单位长度换热量分别比连续运行工况下高14%、10.05%和7.9%。

3) 间歇运行时，地埋管换热器的启停比与土壤平均温度恢复比呈负相关。在启停时间比为2 h∶2 h、 3 h∶2 h、 4 h∶2 h的运行模式下，单U管在2 h∶2 h的运行方案下土壤温度恢复比比3 h∶2 h的运行方案高出2%，比4 h∶2 h的运行方案高出9%。双U管在2 h∶2 h的运行方案下土壤温度恢复比比3 h∶2 h的运行方案高出4%，比4 h∶2 h的运行方案高出11%。

4) 由于双U管的换热量比单U管高，使得双U管的管壁土壤温度比单U管大，向远处土壤传递温度的速度快，在实验中表现出双U管的土壤温度恢复速率和土壤平均温度恢复比均高于单U管。在启停时间比为2 h∶2 h、 3 h∶2 h、4 h∶2 h的运行模式中，双U管的土壤平均温度恢复比分别比单U管高出了12%、15%、7%，土壤温度恢复速率分别比单U管高出61%、73.3%、58.3%。