地埋管地源熱泵系統(tǒng)參數(shù)選擇與運行策略

張愛萍

太原市建筑設(shè)計研究院

在地埋管地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計中，往往采用單位孔深換熱量，很多資料中給出的參考值，沒有明確使用條件，很難正確選用。

筆者在分析地埋管單位孔深換熱量，由綜合傳熱系數(shù)與可利用溫差兩部分組成的基礎(chǔ)上，利用已使用工程的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，求出綜合傳熱系數(shù)，并選擇設(shè)計工況下可利用溫差，它隨冬、夏運行工況不同而變化，如何提高可利用溫差，是提高地埋管換熱效果的關(guān)鍵。

對于華北地區(qū)，冬季從土壤中取熱是主要矛盾，因此，工程完了應(yīng)從夏季運行開始，先向地下土壤存熱，提高土壤溫度，為冬季運行從土壤取熱創(chuàng)造有利條件，即所謂“先存后取”。

1 地埋管換熱器單位孔深換熱量的分解

地埋管單位孔深換熱量取值的大小，直接影響工程投資與運行效果。

地埋管單位孔深換熱量的實質(zhì)，將其分解如下：

式中：qc、Kc、Δtc分別為夏季向土壤放熱時，單位孔深的換熱量（W/m）、綜合傳熱系數(shù)（W/m℃）、傳熱溫差（℃）；qh、Kh、Δth分別為冬季從土壤取熱時，單位孔深的換熱量（W/m）、綜合傳熱系數(shù)（W/m℃）、傳熱溫差（℃）。

從公式可看出，通常所說的地埋管單位孔深的換熱量，由其綜合傳熱系數(shù)與傳熱溫差兩部分相乘而得。對于同一工程來說，土壤物性參數(shù)、地埋管構(gòu)造、布置形式相同時，其冬、夏季的綜合傳熱系數(shù)基本相同，影響其換熱量的另一個因數(shù)就是傳熱溫差，它越大傳熱效果越好。其傳熱溫差也常常稱為可利用溫差。

2 地埋管進、出口參數(shù)選擇與可利用溫差的計算

可利用溫差是指地埋管換熱器內(nèi)介質(zhì)的平均溫度與周圍土壤溫度之差，可用式（3）～（4）計算。

夏季向土壤放熱時：

冬季從土壤取熱時：

式中：tc1、tc2分別為夏季向土壤放熱時，地埋管進、出口水溫度，℃；th1、th2分別為冬季從土壤取熱時，地埋管進、出口水溫度，℃；t0為土壤原始溫度，℃。

地埋管進、出口水溫度的選擇，直接影響可利用溫差的大小，即影響地埋換熱器的選擇，又影響一次投資及運行費用的大小。

2.1 夏季設(shè)計工況地埋管進、出口水溫度的選擇

夏季制冷時，通過地埋管向土壤放熱，其進、出口水溫度取值越高，可利用溫差越大，傳熱量越大，則地埋管數(shù)量越少，一次投資越省。但熱泵機組的冷凝壓力增高，在蒸發(fā)壓力一定時，機組耗功率加大，其能效比降低，運行費用增加，反之。因此，在設(shè)計選擇時，應(yīng)權(quán)衡兩者的利弊。

對于華北地區(qū)土壤溫度較低，夏季制冷時向土壤放熱較容易，地埋管進、出口水溫取較低值，以獲得更好的節(jié)能效果，因此，華北地區(qū)夏季設(shè)計工況進水溫度一般取tc1=30℃，出水溫度取tc2=26℃。

2.2 冬季設(shè)計工況地埋管進、出口水溫度的選擇

冬季制熱時，通過地埋管從土壤中取熱，地埋管進、出口水溫度取值越低，可利用溫差越大，傳熱量越大，則需要地埋管數(shù)量越少，一次投資越省。但熱泵機組的蒸發(fā)壓力降低，在冷凝壓力一定時，機組耗功率增加，熱泵機組能效比降低，運行費用增加，反之。因此，在設(shè)計選擇時，應(yīng)權(quán)衡兩者的利弊。

對于華北地區(qū)土壤溫度較低，冬季制熱時，從土壤中取熱較困難，地埋管進、出口水溫度取較低值，但考慮到介質(zhì)用水，而不加防凍液。因此，華北地區(qū)冬季設(shè)計工況進水溫度一般取th1=4℃，出水溫度取th2=8℃。

2.3 可利用溫差的計算

華北地區(qū)以北京為代表，其土壤原始溫度取t0=14℃，利用式（3）～（4）可求出夏季設(shè)計工況可利用溫差tc=14℃；冬季設(shè)計工況可利用溫差th=8℃。

由此可見，華北地區(qū)夏季可利用溫差較大，向土壤存熱比較容易，冬季可利用溫差較小，從土壤取熱較困難。

3 地埋管單位孔深換熱量與綜合傳熱系數(shù)

3.1 地埋管單位孔深換熱量

根據(jù)文獻[1]給出的華北地區(qū)已使用的部分地埋管熱泵運行實踐，總結(jié)出地埋管單位孔深換熱量，經(jīng)分析整理后列入表1。

表1 華北地區(qū)單U地埋管單位孔深換熱量表

3.2 綜合傳熱系數(shù)

綜合傳熱系數(shù)可用兩種方法計算[5]。

1）理論計算法

夏季向土壤放熱時：

冬季從土壤取熱時：

式中：ΣRc（ΣRh）為夏（冬）季向（從）土壤放（?。釙r，地埋管總傳熱阻，m℃/W。ΣRc、ΣRh可用《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2009）附表B給出方法計算，這里不再多述。

2）經(jīng)驗數(shù)據(jù)法

夏季向土壤放熱時：

冬季從土壤取熱時：

根據(jù)表1給出的單位孔深換熱量與設(shè)計工況下的可利用溫差，利用式（7）～（8）計算出綜合傳熱系數(shù)，一并列入表1。

從表1中可看出，同一土質(zhì)層，夏、冬季地埋管綜合傳熱系數(shù)基本相等，土壤導(dǎo)熱系數(shù)越大，地埋管綜合傳熱系數(shù)也越大，夏季工況地埋管單位孔深換熱量比冬季大，大約是冬季的1.8倍。

4 運行策略

地埋管地源熱泵系統(tǒng)，是將地下20～200m恒溫帶作為熱源與熱匯。

在夏季制冷時，向地下排放的熱量，是以地埋管換熱器為中心，逐漸向周圍土壤擴散，經(jīng)過整個夏季排放的熱量大部分聚集在地埋管附近的土壤中，進而形成局部 4～6℃的溫升[2～3]。

在冬季供熱時，從地下不斷吸取熱量，經(jīng)過熱泵升溫后向建筑供暖，地埋管附近土壤又會形成4～6℃的溫降。如果熱泵系統(tǒng)冬季從地下累計吸熱量等于夏季累計放熱量時，經(jīng)過一年的供冷、供暖后，土壤溫度又恢復(fù)到原始溫度[4]。

全年土壤溫度變化如圖1所示。圖中①為先夏季供冷土壤溫升取4℃，后冬季供暖土壤溫降取4℃的全年土壤溫度變化曲線，也稱“先存后取”；②為“先存后取”土壤平均溫度曲線，比原始土壤溫度升高2℃；③為先冬季供暖土壤溫降取4℃，后夏季供冷土壤溫升取4℃的全年土壤溫度變化曲線，也稱“先取后存”；④為“先取后存”土壤平均溫度曲線，比原始土壤溫度降低2℃。

4.1 “先存后取”的運行模式

地埋管熱泵系統(tǒng)，先夏季供冷開始運行，向土壤存熱，當(dāng)夏季供冷結(jié)束時，土壤溫升取4℃，為冬季供暖從土壤中取熱創(chuàng)造了有利條件，當(dāng)冬季累計取熱量等于夏季累計存熱量時，冬季供暖結(jié)束時土壤溫度又恢復(fù)到原始溫度。

“先存后取”的運行模式，全年土壤平均溫度比土壤原始溫度升高2℃，相當(dāng)于冬季運行工況可利用溫差增加2℃，全年土壤溫度均保持在原始溫度以上。

對于華北地區(qū)，由于土壤溫度低，冬季可利用溫差小取熱困難，選擇“先存后取”的運行模式非常有利?？衫脺夭钐岣?℃，則地埋管換熱器的換熱能力比設(shè)計工況增加25%。因此，華北地區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)從夏季開始運行，即“先存后取”的運行模式。

4.2 “先取后存”的運行模式

地埋管地源熱泵系統(tǒng)，先冬季供暖開始運行從土壤取熱，當(dāng)冬季供暖結(jié)束時，土壤溫度降低4℃，為夏季供冷向土壤放熱創(chuàng)造了有利條件，當(dāng)夏季累計存熱量等于冬季累計取熱量時，夏季供冷結(jié)束時土壤溫度又恢復(fù)到原始溫度。

“先取后存”的運行模式，全年土壤平均溫度比原始土壤溫度降低2℃，相當(dāng)夏季運行工況可利用溫差增加2℃，冬季運行工況可利用溫差減少2℃。全年土壤溫度均在原始溫度以下。

對于華北地區(qū)，由于土壤溫度低，冬季可利用溫差小取熱困難，采用“先取后存”的運行模式非常不利?？衫脺夭顪p少2℃，比設(shè)計工況減少25%。因此，華北地區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)從夏季開始運行，不宜采用“先取后存”的運行模式。

5 結(jié)論

1）對地埋管單位孔深換熱量的分解，得出綜合傳熱系數(shù)與可利用溫差兩個參數(shù)，并給出了華北地區(qū)單U管冬、夏單位孔深換熱量及綜合傳熱系數(shù)指標(biāo)；

2）對于華北地區(qū)，土壤溫度較低取熱困難，為了提高可利用溫差，增加換熱效果，工程完了應(yīng)先從夏季開始運行，即“先存后取”運行模式，它比“先取后存”運行模式換熱能力增加50%，對最終使用效果影響較大。

3）華北地區(qū)一般情況下，冬季取熱量大于夏季存熱量，如再供生活熱水，勢必加大取熱量，結(jié)果會加劇取、存熱量的不平衡，因此，一般情況下，不宜再供生活熱水。

[1]雷艷杰.東北及華北地區(qū)地埋管換熱器冬、夏季換熱量的探討[J].地源熱泵,2009,(11):29-35

[2]汪訓(xùn)昌.科學(xué)認(rèn)識,宣傳與建設(shè)地源熱泵系統(tǒng),切實加強地下環(huán)境監(jiān)測工作[J].暖通空調(diào),2008,38(1):31-35

[3]劉俊,張旭.地源熱泵土壤溫度恢復(fù)特性研究[J].暖通空調(diào),2008,38(11):147-150

[4]王勇,付祥劍.影響地源熱泵系統(tǒng)性能的負(fù)荷特征與特征參數(shù)[J].暖通空調(diào),2008,38(5):48-51

[5]中國建筑科學(xué)研究院.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(GB50366-2009)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009