杭州某地埋管地源热泵系统性能与地温场监测分析

李少华，滕亦旺，林 楠，金 伟，林清龙，段新胜，毛汉川

（1.浙江省地质调查院，浙江 杭州 311203；2.杭州市南排工程建设管理服务中心，浙江 杭州 311200；3.中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074）

0 引言

地源热泵作为浅层地温能开发利用的主要手段，在国内已经得到了广泛的应用，尤其在国家制定2030年前碳排放达峰行动方案的刺激下，地源热泵的应用面积仍会不断增加。

在工程应用中，受各种复杂因素的影响，地源热泵系统的应用效果好坏不一。多年来，各地学者采用短期、长期测试的方式，对其实际效果开展了大量的研究工作。马勇等[1]根据武汉地区14个地埋管地源热泵项目的测评，发现武汉地区EER=3.37（制冷工况能效比）、COP=3.25（供暖工况能效比），能效较高；苏永强[2]对河北衡水某地源热泵系统行性能进行了全年监测与分析，结果表明，EER=2.33、COP=2.36；王子珑等[3]通过对河北廊坊市某典型办公建筑进行了近5 年的监测、计算，系统性能系数EER=2.08、COP=2.43；傅强等[4]通过对上海市某办公楼地埋管地源热泵系统夏季工况的持续监测，EER=4（3.5～4.5）的时间最长，约53.4%；龚强等[5]、冯夫顺等[6]、林伟江等[7]的研究，也指出，低负荷率运行严重影响系统能效。各项理论、实测结果表明：勘察、设计、施工、设备选型、运行策略、气候等对系统能效都有不同程度的影响。

通过对杭州市一地源热泵系统1 年多的实时监测，从系统能效、地温变化两方面开展了相应的研究。一方面，对系统长期运行能效、典型日运行能效进行了计算、分析，从影响系统能效的因素中探求出主要因素，指导系统合理运行；另一方面，地下换热区地温对地埋管换热器效率有着直接的影响[8-9]，不同气侯区的地温场有一定差异[10]，由于地温监测孔施工成本高、地温监测传感器埋设难度大，在杭州地区开展的对地温的实际监测较少，对地温场的研究多是通过模拟进行的。本文在以往研究的基础上，在杭州地区某地源热泵埋管区布置了多个地温监测孔，在地面下0～90 m深度范围内，对地温随系统运行的变化进行长期监测。根据监测数据，分析了地温随系统运行的变化规律，以期从地温角度为系统合理运行提供管理参考。

1 工程概况

本文选择的分析对象为杭州市江干区一泵站综合大楼地源热泵系统。杭州市属于夏热冬冷地区，年平均气温15.9～17.0 ℃，月平均气温以1月4.1 ℃为最低，7月28.4 ℃为最高。图1为监测期内杭州市日平均气温变化曲线。

图1 监测期内杭州市日平均气温变化曲线Fig.1 Daily average ambient temperature in Hangzhou

该建筑的建筑面积21050 m2，主要有办公、会议、展厅、主厂房、一层大厅、管理用房等。其中，主厂房为排涝用水泵安装区，不需要空调负荷，展厅仅在夏季使用，无供暖负荷。设计冷负荷为760 kW，冷负荷指标为122 W/m2；热负荷为510 kW，热负荷指标为106 W/m2。主机采用螺杆式地源热泵机组，两台，共可提供制冷量749 kW、供暖量842 kW；每台主机对应水泵系统包括冷冻泵1 台、冷却泵1台，系统的标准设计工况参数见表1。

表1 热系统设计工况参数Tab.1 Working condition parameters of the GSHP system

根据勘察资料，场地内0～25 m 以砂质粉土为主，25～35 m为淤泥质粉质黏土；35～40 m粉质黏土为主，局部夹粉砂层；40～54 m 为圆砾，该层为承压含水层，水量丰富，54 m以下为泥质粉砂岩。

地埋管换热孔类型为De32 单U 型，埋管间距6 m、深度90 m，水平沟深1.5 m，埋管有效长度88.5 m，共191孔，有效长度共16 903 m。根据场地现场热响应测试结果，该场地90 m 深度范围内土壤初始平均地温约19 ℃（秋季）；综合导热系数为1.85 W/（m·K）；岩土体平均体积比热容为2.6 MJ/（m3·K），孔内热阻0.125～0.135 m·K/W。制冷工况单位长度地埋管孔设计释热量56.96 W/m，供暖工况单位长度地埋管孔设计取热量45.5 W/m。

2 监测方案

监测数据包括管道温度、压力、流量、用电量及地下土壤温度等。地温监测方案为：在埋管区域设置地温监测孔7个，平面及垂直布置详见图2和图3。

图2 监测孔平面分布示意图Fig.2 Plan distribution of the temperature measurement boreholes

图3 温度传感器垂向布置图Fig.3 Vertical distribution of the temperature sensors

对于数据的采集，管道水温采用上海搜博公司生产的PT1000 铂电阻温度变送器，精度为±0.05 ℃；流量采用德国科隆DWM2000 型电磁流量计采集，精度±1%；机组及水泵耗电量采用杭州华立公司的DSZY535 智能电表，精度为±1%，地温采用PT1000传感器，精度为±0.1 ℃。

3 数据处理

评价一个地源热泵系统性能的主要指标为机组夏季制冷工况能效比（EER）与冬季供暖工况能效比（COP），以及及系统夏季制冷工况（EERsys）与冬季供暖工况（COPsys）的能效比与系统能效。计算公式如下：

1）用户侧供暖/制冷量为

2）地源侧取热/排热量为

3）热泵机组能效比为

4）热泵系统能效比为

式中：Q1为用户侧供暖/制冷量，kW·h；Q2为源侧取热/排热量，kW·h；V1、V2分别为用户侧、源侧流量，m3/h；tin1/tin2为用户侧/源侧进水温度，℃；tout1/tout2为用户侧/源侧出水温度，℃；ρ为循环介质密度，kg/m3；c为循环介质比热容，kJ/（kg·K）；ΔT为系统运行时间，h；W1、W2分别为主机、水泵耗电量，kW·h。

4 结果与讨论

该系统5 月中旬即开始制冷，10 月中旬进入过渡季，11 月中旬进入供暖季，3月底4 月初才进入过渡季，详见表2。系统采用24 h连续运行模式。一般8：00～18：00全部空调开启，夜间少部分空调运行；其中2020年空调使用面积比2019年增大。

表2 监测期内地源热泵系统运行情况表Tab.2 Condition of GSHP system during monitoring period

4.1 系统长期运行能效分析

夏季制冷情况下，系统共运行160 d，总运行时间约3 840 h。图4和图5给出了系统在2019年、2020年制冷期系统运行参数变化曲线。

由图4 和图5 可以看出，整体上，用户侧和地源侧的水温从制冷季开始缓慢上升，至8月底开始又有所降低。地源侧温度变化幅度较大，可达6 ℃，用户侧波动幅度大多在3 ℃以内。

图4 2019 年系统制冷期运行参数变化曲线Fig.4 Variations of operation parameters during cooling season of 2019

图5 2020 年系统制冷期运行参数变化曲线Fig.5 Variations of operation parameters during cooling season of 2020

对每天的监测数据进行统计表明，用户侧供水温度在8.35～11.6 ℃之间波动，回水温度为9.4～15.3 ℃，大部分处于9.4～14℃范围；供回水均温差在1.2～3.5 ℃之间波动，平均温差为2.4 ℃，流量为80～100 m3/h；地源侧供水温度在21.6～30.4 ℃之间波动，回水温度为20.8～28.6 ℃；供回水温差0.3～2 ℃之间波动，平均温差为1.0 ℃，流量为188～250 m3/h。

表3 给出了地源热泵系统的夏季工况总能耗数据，由式（1）～式（4）可以得出2019 年机组能效比为7.3、2020 年的为7.0，2019 年系统能效比为3.3、2020 年的为3.76；由图4 和图5 及表3 可知，系统具有较高的制冷能效比。除在建筑冷负荷较小，负荷率低于40%的情况下，系统能效比可以达到2.6 以上，整季平均能效比达3.3以上。

表3 地埋管地源热泵系统运行期间耗电量Tab.3 Electricity consumption during operation of ground source heat pump system

4.2 典型日系统运行能效分析

图6 给出了制冷工况下系统运行参数变化曲线。由于该系统冬季供暖工况下负荷率不到24%，主机频繁启停，难以获取有效分析数据，因此，不对供暖工况进行分析；夏季典型日选取2020 年8 月27 日，室外气温在23～33 ℃之间波动，平均气温为28 ℃。

图6 制冷季典型日系统运行参数变化曲线Fig.6 Variations of operation parameters on a typical cooling day

4.2.1 满负荷运行工况

在白天运行期间（8：00～18：00），源侧的进水平均温度31.17 ℃、回水平均温度28.74 ℃；用户侧的供水平均温度11.66 ℃、回水平均温度15.47 ℃。期间累计供冷量3 602 kW∙h，机组耗电633 kW∙h，水泵耗电281 kW∙h。按式（1）计算，机组平均制冷功率379 kW，占额定制冷功率的比例为100%，为满负荷运行状态；按式（3）、式（4）计算，热泵机组、系统的平均EER值分别为5.69、3.94，机组、系统能效比较高。

4.2.2 部分负荷运行工况

由于管理原因，夜间仅办公、展厅空调关闭，其余空调区域空调仍然开启。夜间运行期间，源侧的进水平均温度28.63 ℃、回水平均温度27.69 ℃，用户侧供水平均温度9.69 ℃、回水平均温度11.79 ℃，期间累计供冷量2 651 kW∙h，机组耗电486 kW∙h，水泵耗电为393 kW∙h。按式（1）、计算，机组平均制冷功率为200 kW，占额定制冷功率的比例为53%，为低负荷运行状态；按式（3）、式（4）计算，热泵机组、系统的平均EER值分别为5.45、3.04，机组、系统能效比明显低于白天满负荷工况。

4.3 影响因素分析

4.3.1 机组负荷率对系统能效比的影响

该系统由于制冷季较长（5～10 月），建筑所需冷负荷变化较大，导致了负荷率的变化大。图7 选取了218 组有效数据，绘制了系统能效比与机组负荷率的分布情况图，并进行了拟合。从图可以看出，机组负荷率与系统能效比具有较高的正相关性，即机组负荷率越高，能效比也越高。前述4.2 节通过白天、夜间运行情况的对比也说明，机组负荷率越高系统能效比越高。

图7 系统能效比与机组负荷率分布统计图Fig.7 Distribution graph of coefficient of cooling performance with heat pump load rate

4.3.2 水泵功耗的影响

通过4.2 节分析可知，系统源侧、用户侧供回水温差反映出系统处于“大流量小温差”的运行模式，该模式虽有利于保持较高的机组能效，但会造成较高的水泵输送能耗比，一定程度上降低系统能效。

图8给出了水泵耗电占系统耗电比例变化曲线及负荷率的变化曲线，对负荷率与水泵功耗比的关系进行了拟合分析。

从图8可以看出，该系统水泵功耗比在30%～70%之间（大于70%仅有个别天），平均45%，在负荷率高的情况下基本分布在35%～45%范围。一般而言，水泵占系统的功耗比例应该在20%～30%之间，本系统水泵功耗偏高。

进一步分析，该系统采用定频水泵，水泵功耗基本为恒定的29 kW，一方面，负荷率低的情况下，主机耗电量降低，而水泵功率恒定，导致水泵功耗比增加。从图8 可以看出，水泵功耗比与负荷率呈负相关，即负荷率越高，水泵功耗比越小，且相关性较大，拟合优度达0.8；另一方面，由于系统24 h 运行，夜间水泵功耗比相比白天增加10%～15%，导致水泵功耗比偏大。针对该建筑负荷率变化大的情况，建议相似的项目中采用变频水泵，在低负荷下减小流量，降低水泵耗能，增加系统能效。

图8 机组负荷率与水泵功耗比分布统计图Fig.8 Distribution graph of pump power ratio with heat pump load rate

表4 地源热泵系统与地层热交换情况Tab.4 Heat exchange between heat pump system and formation

4.4 地温变化分析

4.4.1 年热累积量

通过计算，一个完整的制冷-过渡-制热-过渡季，地源热泵全年向地层总排热量为4 749.0 GJ，而从地层吸热量仅为639.8 GJ，热不平衡率（净排热量/总排热量）为86.5%。多名学者研究指出，夏热冬冷区，地源热泵向地层的散热量高于从地层的吸热量[10-14]，热不平衡率为20%～40%，而本系统的86.5%远高于这个范围。因此，对该系统来说，应特别关注其地温变化情况。

4.4.2 热累积对地温影响的理论分析

采用李少华等[15]提出的地温预测方法对场地地温变化进行理论计算，计算方法如下。

选取4个地埋管换热孔中间的地温监测孔T5孔对该孔地温变化趋势进行计算。单位长度地埋管换热器年平均净释热功率可用式（5）计算：

式中：qcn为单位长度地埋管换热器年平均净释热功率，W/m；Qta为场地内埋管年总释热量，J；L为埋管总长度，m；t为时间，s。

将Qta=4 109.2 GJ，L=16 903 m，t=3 600×24×365 s代入式（5）可得qcn=7.70 W/m。

用线热源理论计算T5孔的温度升高值：

式中：Δθ为岩土体平均温升，℃；λs为岩土体平均导热系数，W/（m·K）；r为距换热孔距离，m；SVC为岩土体平均比热容，MJ/（m3·K）。

将r=4.24 m，t=3 600×24×365 s等已知参数代入式（6）得Δθ=1.37 ℃，用此式进行预测，不考虑热耗散，5年后地温升高3.5 ℃，10年后升高4.42 ℃，达到25.22 ℃。

4.4.3 热累积对地温影响的实测研究

系统于2016年开始运行，监测于2018年底开始，取监测期数据进行分析。

图9为与换热器位于同一钻孔中的监测孔0～90 m深度范围的加权平均地温变化曲线，其温度可视为沿换热井壁的地温。从图中可以看出，第1个制冷季，温度变化范围为20.2～24.8 ℃，第2个制冷季，温度变化范围为20.4～26.0 ℃，经过1个完整的制冷-过渡-供暖-过渡季后，温度仅升高0.2 ℃。

图9 T10 孔0～90 m 加权平均地温曲线Fig.9 Weighted average temperature curves of 0～90 m

图10为位于4个地埋管换热孔中心区T5孔不同深度处的地温变化曲线，不同深度处地温变化详见表5。从图中可以看出，第1 个制冷季，平均温度变化范围为20.80～21.46 ℃，第2 个制冷季，温度变化范围为20.92～21.75 ℃。经过1个制冷-过渡-供暖-过渡季后，温度仅升高0.12 ℃，远小于4.4.2节计算的1.37 ℃。

表5 T5 孔不同深度处地温年变化统计表Tab.5 Statistical table of ground temperature changes at different depths of borehole T5

图10 T5 孔不同深度处地温曲线Fig.10 Temperature curves at different depths in borehole of T5

从以上分析可以看出，系统运行热失衡对地温产生的影响较小并没有热失衡率反映的那么大，说明该场地内地温基本能充分恢复。

经分析，一方面，这是由于该场地40～54 m 深度处为承压水层，且场地紧挨钱塘江，水量丰富，存在渗流。渗流的存在将很大一部分的热量带走；另一方面，地表以下存在25 m厚的砂质粉土，雨季降水下渗也会带走一部分热量。以上因素，使得场地内地温能够充分恢复，很大程度的减轻了热累积累对地温的影响。

4.4.4 热影响半径分析

T8、T9 位于换热井群外，距离分别为2 m、5 m，详见图2。垂向上，T8 孔温度传感器分别位于地下5、10、15、25、30、45、60 m处；T9孔温度传感器分别位于地下5、10、15、25、30、40、50、70、90 m处，详见图3。

图11～12分别为T8、T9孔不同深度处的地温变化曲线。通过图11～12，可以看出，5 m、10 m深度处地温呈现与外界气温类似的变化趋势，15m变化已经很小，说明场地内变温层底界在10～15 m，这与当地开展的浅层地温能调查结果基本一致。

图11 T8 孔不同深度处地温曲线Fig.11 Temperature curves at different depths in borehole of T8

同时可以看出，T9 孔除5 m，40 m，50 m 深度外，其余深度处地温基本不受地埋管换热器换热的影响，T8孔15 m深度以下有0.1～0.7 ℃的变化，仍受轻微的热影响，可认为场地热影响半径大于2 m、小于5 m。

图12 T9 孔不同深度处地温曲线Fig.12 Temperature curves at different depths in borehole of T9

前已述及，40 m、50 m处地下水丰富，存在地下渗流，因此使得热影响半径比没有承压水层的深度处大，这也可以从图10中T5孔40 m、50 m处地温变化幅度比其他深度处变化幅度大得到验证。

5 结论与建议

1）对杭州式某地源热泵系统近两年的运行状况进行了监测分析。结果表明，监测期内，系统制冷能效比较高，2个制冷季平均分别可达3.30、3.76。

2）机组负荷率与系统能效比具有较高的正相关性，机组负荷率越高，能效比也越高；系统部分时段“大流量小温差”运行模式增加了水泵功耗比，改善运行模式，该系统制冷能效水平有望进一步提升。

3）场地内变温层底板埋深在10～15 m之间；换热管群换热对管群外围地温的影响不超过5 m。

4）系统热不平衡率达86.5%，经实际监测，位于4个地埋管换热孔中心区0～90 m加权平均地温年升温仅0.12 ℃，地温基本保持平衡；地下水渗流、雨水下渗可以带走大量热量，较大程度的削弱了热积累效应。