地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及土壤溫度變化特性分析

張占輝，王恩宇，耿 磊，陳宇樸，齊承英

（河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及土壤溫度變化特性分析

張占輝，王恩宇，耿 磊，陳宇樸，齊承英

（河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

以天津某辦公樓地源熱泵系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)采集土壤溫度、地源側(cè)取熱量、負(fù)荷側(cè)供熱量、機(jī)組耗電量、水泵耗電量等實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，初步分析了熱泵設(shè)定溫度（ST），水泵頻率（PF）等因素對(duì)于土壤溫度、機(jī)組性能系數(shù)（COP）及系統(tǒng)性能系數(shù)的影響．結(jié)果表明，在滿足室內(nèi)熱負(fù)荷的前提下，當(dāng)熱泵設(shè)定溫度從42℃降低至40℃范圍內(nèi)，每降低1℃，可以減小地下取熱量7.80%，系統(tǒng)性能系數(shù)提升3.66%；當(dāng)水泵頻率從40Hz降低至30Hz范圍內(nèi)，每降低5Hz，可以減小地下取熱量7.72%，系統(tǒng)性能系數(shù)提升2.64%．對(duì)于熱負(fù)荷占優(yōu)的公共建筑，可以通過(guò)調(diào)節(jié)地源熱泵機(jī)組的設(shè)定溫度或循環(huán)水泵頻率，來(lái)促使土壤溫度向著有利于機(jī)組高效運(yùn)行的方向改變，并保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行．

地源熱泵；土壤溫度；熱泵設(shè)定溫度；水泵頻率；性能系數(shù)

0 引言

地源熱泵作為一項(xiàng)高效節(jié)能、綠色環(huán)保型的空調(diào)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用．地下土壤作為取熱和排熱的場(chǎng)所，其溫度場(chǎng)直接影響機(jī)組的能耗和系統(tǒng)性能指標(biāo)，因此地源熱泵在實(shí)際運(yùn)行中，地下土壤溫度場(chǎng)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[1-4]．地源熱泵系統(tǒng)一旦建成，其地埋管形式、地下熱濕遷移、土壤的導(dǎo)熱系數(shù)等對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響就不能改變．對(duì)土壤溫度有重要影響的因素主要取決于全年累積冷熱負(fù)荷[5-6]，土壤溫度場(chǎng)的平衡在一定程度上取決于地下排熱量和取熱量的相對(duì)平衡[7]．為了緩解土壤的熱失衡問(wèn)題，對(duì)冷負(fù)荷占優(yōu)的建筑常采用熱回收、輔助冷卻塔等技術(shù)將多余的冷凝熱合理利用或者直接排入大氣[8-9]；而對(duì)于熱負(fù)荷占優(yōu)的建筑采用太陽(yáng)能作為輔助熱源，既可以彌補(bǔ)地源熱泵地下取排熱不平衡問(wèn)題，又可以加大可再生能源在建筑中的利用[10-11]．在地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行管理中，采用可控間歇運(yùn)行方式，有利于埋管周?chē)寥罍囟瓤焖倩謴?fù)，有效提高淺層地?zé)崮芾寐蔥12-15]．但是如何控制系統(tǒng)的間歇運(yùn)行及運(yùn)行參數(shù)設(shè)定與調(diào)節(jié)問(wèn)題，鮮有文獻(xiàn)給出實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果．本文將對(duì)熱負(fù)荷占優(yōu)的公共建筑，在地源熱泵實(shí)際運(yùn)行中通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)定溫度和水泵頻率來(lái)合理的減少地下取熱量，實(shí)時(shí)控制土壤溫度的變化，以期獲得比較高的系統(tǒng)性能．為保證地源熱泵系統(tǒng)高效及長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供指導(dǎo)．

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為河北工業(yè)大學(xué)北辰校區(qū)節(jié)能樓，建筑面積為4 953.4m2，建筑高度22m，地上4層，朝向?yàn)槟媳毕蚯移珫|21°．該空調(diào)系統(tǒng)為太陽(yáng)能—地源熱泵系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)將第4層的熱負(fù)荷由太陽(yáng)能輔助地源熱泵系統(tǒng)（SAGSHPS）來(lái)承擔(dān)，1～3層熱負(fù)荷由地源熱泵機(jī)組（GSHPS）來(lái)承擔(dān)；而夏季冷負(fù)荷全部由地源熱泵機(jī)組來(lái)承擔(dān)[10]．地源熱泵系統(tǒng)由一臺(tái)螺桿式地源熱泵機(jī)組、地源側(cè)和負(fù)荷側(cè)循環(huán)水泵、地埋管換熱器以及定壓裝置和水處理裝置組成[16]．為更加全面地掌握地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能，在地源熱泵地源側(cè)和負(fù)荷側(cè)各裝一塊CRL-G型超聲熱量表．熱量表數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸?shù)娇照{(diào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中心服務(wù)器上，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為10 m in，數(shù)據(jù)采集包括：累計(jì)熱量、累計(jì)流量、供/回水溫度和瞬時(shí)流量．地源側(cè)和末端側(cè)循環(huán)水泵均為變頻泵，可實(shí)現(xiàn)25～50Hz變頻．機(jī)組耗電量和水泵耗電量由多功能電力儀表測(cè)得，電量表數(shù)據(jù)通過(guò)Siemens數(shù)據(jù)采集模塊采集并自動(dòng)保存到數(shù)據(jù)采集室的PC機(jī)上．

地埋管換熱器由66口120 m深的換熱孔組成．根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果，本項(xiàng)目的地埋管熱交換器周?chē)膸r土以粉質(zhì)粘土、粉土和部分細(xì)砂為主．熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果得出，其導(dǎo)熱系數(shù)為1.46W/m℃，120m范圍內(nèi)土壤的初始平均溫度為14.1℃[10]．為監(jiān)測(cè)地源熱泵系統(tǒng)土壤溫度的變化，在地埋管換熱器管壁上綁定熱電阻傳感器，其位置如圖1中黑色圓點(diǎn)所示．熱電阻傳感器型號(hào)為Pt1000，測(cè)溫精度為0.1℃．由于在土壤中熱量的傳遞是持續(xù)而緩慢的，為了獲得土壤溫度的真實(shí)變化規(guī)律，減少換熱過(guò)程對(duì)溫度的影響，此外還布置了2個(gè)測(cè)溫孔，如圖1中M 1#、M 2#所示[7]．由于鉆孔的困難，測(cè)溫孔相鄰管群間距拉大到6m．

圖1 地埋管熱交換器的換熱孔和測(cè)溫孔相對(duì)布置圖Fig.1 Distribution of bores forheatexchangeand thermometerof ground heatexchanger

2 熱泵設(shè)定溫度的影響分析

為了研究熱泵設(shè)定溫度（ST）對(duì)土壤溫度以及系統(tǒng)性能系數(shù)的影響．試驗(yàn)測(cè)試時(shí)盡量選取了室外環(huán)境相近、水泵頻率、供熱前土壤溫度一定的情況下，具體參數(shù)設(shè)置如表1，其中室外溫度指運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)的平均溫度，輻照量是指全天的總輻照量．

表1 熱泵設(shè)定溫度試驗(yàn)時(shí)的參數(shù)設(shè)置及室外環(huán)境Tab.1 Operation parametersand outdoorenvironment in various setting temperaturesexperiments

2.1 性能變化

從圖2可以看出，隨著熱泵設(shè)定溫度的升高，室內(nèi)供熱量、地下取熱量均隨之增多．這是由于在末端側(cè)水泵頻率不變的情況下，熱泵設(shè)定溫度升高，冷凝器出口水溫升高，導(dǎo)致末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管的進(jìn)水溫度升高，風(fēng)機(jī)盤(pán)管的換熱水管與室內(nèi)換熱空氣的溫差t增大．由于室內(nèi)的供熱量Q與溫差t成正比，即

由圖2也可以看出，隨著熱泵設(shè)定溫度的升高，系統(tǒng)總的能耗增大．在地源泵、末端泵頻率（30Hz）均不變的情況下，起決定性作用的是機(jī)組的耗電量，機(jī)組的耗電量隨著熱泵設(shè)定溫度的升高而增大．這是由于熱泵設(shè)定溫度升高，冷媒的冷凝溫度升高，由逆卡諾循環(huán)可知，壓縮機(jī)的耗電量增大．機(jī)組耗電占系統(tǒng)總耗電的百分比會(huì)隨著熱泵設(shè)定溫度的不同而不同．當(dāng)不考慮末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管的耗電時(shí)，系統(tǒng)總耗電等于地源泵耗電、末端泵耗電和機(jī)組耗電3項(xiàng)之和．試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析得出，在3種設(shè)定溫度下機(jī)組耗電占系統(tǒng)總耗電的百分比分別為 91.95%、92.74%、93.12%．可見(jiàn)，機(jī)組耗電所占的比重是很大的，機(jī)組耗電對(duì)系統(tǒng)耗電的影響至關(guān)重要．試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，熱泵設(shè)定溫度為40℃、41℃和42℃時(shí)，系統(tǒng)總耗電分別為471.5 kW h、547.7 kW h和603.5 kW h．熱泵設(shè)定溫度從42℃變?yōu)?0℃的過(guò)程中，每降低1℃，可以降低13.17%的耗電量．

圖2 不同熱泵設(shè)定溫度下取熱量、供熱量和耗電量比較Fig.2 Comparison of heatextraction,heatsupply and power consumption under differentST

由圖3可知，在相同的熱泵設(shè)定溫度下，由于持續(xù)向地下取熱，換熱區(qū)域土壤溫度逐漸下降，導(dǎo)致機(jī)組（或系統(tǒng)）COP降低；總的看來(lái)，隨著熱泵設(shè)定溫度的升高，機(jī)組（或系統(tǒng)）COP減小，對(duì)應(yīng)設(shè)定溫度為40℃、41℃和42℃，機(jī)組COP分別為3.85、3.68和3.55；系統(tǒng)COP分別為3.54、3.41 和3.30．由此可見(jiàn)，隨著設(shè)定溫度的提高，機(jī)組耗電量的增加幅度要比供熱量增加的幅度要大．試驗(yàn)工況下，熱泵設(shè)定溫度每降低1℃，機(jī)組性能系數(shù)提升4.48%，系統(tǒng)性能系數(shù)提升3.66%．

圖3 不同熱泵設(shè)定溫度下逐時(shí)COP變化曲線Fig.3 Curvesof hourly COPunder differentST

2.2 土壤溫度場(chǎng)分析

換熱孔管壁處的溫度傳感器所測(cè)的溫度波動(dòng)大，在實(shí)際運(yùn)行中換熱區(qū)域（地埋管換熱器管壁周?chē)┑臏囟茸兓cGSHPS的運(yùn)行工況有直接的聯(lián)系，土壤溫度隨著流體的換熱而迅速降低，換熱結(jié)束后又迅速升高，主要反映短期的土壤溫度變化．由于土壤中熱量的傳遞是持續(xù)而緩慢的，測(cè)溫孔的土壤溫度沒(méi)有大的波動(dòng)，與孔間距和熱導(dǎo)率等因素有關(guān)，主要反映了中長(zhǎng)期土壤溫度的變化情況．

從圖4可以看出，3種設(shè)定溫度工況下，供熱前換熱區(qū)域土壤溫度幾乎相同，土壤溫度變化趨勢(shì)相同，但設(shè)定溫度越高，GSHPS換熱區(qū)域溫度在每1天的變化幅度越大．在熱泵設(shè)定溫度40℃時(shí)，取熱結(jié)束時(shí)土壤溫度下降1.59℃．在熱泵設(shè)定溫度41℃時(shí)，換熱區(qū)域土壤溫度下降1.65℃，比前1天幅度增加0.06℃；在熱泵設(shè)定溫度42℃時(shí)，換熱區(qū)域土壤溫度下降1.68℃，比前1天幅度增加0.03℃．該結(jié)果與前面所述隨設(shè)定溫度增大土壤取熱量增加的結(jié)果一致．從房間溫度來(lái)看，當(dāng)設(shè)定溫度為40℃時(shí)，空調(diào)房間溫度能維持在20℃左右，設(shè)定溫度超過(guò)40℃時(shí)，房間溫度可達(dá)到更高．因此在能滿足室內(nèi)熱負(fù)荷的前提下，在地源熱泵實(shí)際運(yùn)行時(shí)，管理者合理的降低熱泵設(shè)定溫度，可以減少向地下的取熱量，減緩?fù)寥罍囟鹊南陆捣?，并能提高機(jī)組和系統(tǒng)的運(yùn)行能效．

圖4 不同熱泵設(shè)定溫度下GSHPS逐時(shí)土壤溫度、房間溫度變化曲線Fig.4 Curvesof hourly soil temperatureand room temperatureof GSHPSunder differentST

3 水泵頻率的影響分析

在進(jìn)行水泵頻率（PF）對(duì)土壤溫度以及系統(tǒng)性能系數(shù)的影響研究時(shí)，盡量選取了室外環(huán)境相近、機(jī)組啟停比、熱泵設(shè)定溫度、供熱前土壤溫度一定的情況，具體參數(shù)設(shè)置如表2．

表2 水泵頻率試驗(yàn)時(shí)的參數(shù)設(shè)置及室外環(huán)境Tab.2 Operation parametersand outdoorenvironment in various pump frequency experiments

3.1 性能變化

由圖5可知，隨著水泵頻率的升高，向室內(nèi)供熱量、地下取熱量均隨之增多．水泵流量與頻率成正比關(guān)系，所以，水泵頻率越高，流量越大．在熱泵設(shè)定溫度（40℃）不變的情況下，末端循環(huán)流量增大，末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管與室內(nèi)空氣的傳熱系數(shù)K增大．室內(nèi)的換熱量Q與傳熱系數(shù)K成正比，即

式中：F為末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管換熱面積，m2；tm為風(fēng)機(jī)盤(pán)管內(nèi)熱水與室內(nèi)空氣換熱的平均溫差，℃．所以，室內(nèi)換熱量隨著末端泵頻率的增大而增加．同樣地，蒸發(fā)器側(cè)向地下取熱量也隨著地源泵頻率的增大而增加．水泵頻率分別為40 Hz、35 Hz和30Hz時(shí)，取熱量分別為1 450 kW h、1 320 kW h和1 250 kW h．水泵頻率每降低5Hz，可以減小向地下取熱7.72%．

由圖5可知，隨著水泵頻率的升高，系統(tǒng)總的能耗增大．由水泵的相似定律可知，水泵流量與耗電功率成三次方關(guān)系，所以隨著水泵頻率的升高，耗電功率急劇升高．水泵的耗電量占比分別為8.56%、13.12%、19.42%，水泵的耗電量隨著水泵的頻率升高而所占的比重明顯增大．系統(tǒng)總的能耗分別為522.7 kW h、559.6 kW h、627.2 kW h．水泵頻率每降低5Hz，可以降低9.58%的耗電量．

圖5 不同水泵頻率下取熱量、供熱量和耗電量比較Fig.5 Comparison ofheatextraction,heatsupply and powerconsumption under differentPF

由圖6可以看出，在相同的水泵頻率下，由于持續(xù)向地下取熱，換熱區(qū)域土壤溫度逐漸下降，導(dǎo)致機(jī)組（或系統(tǒng)）COP降低；總的看來(lái)，隨著水泵頻率的升高，機(jī)組COP增大，而系統(tǒng)COP減?。@是由于在熱泵設(shè)定溫度不變的情況下，機(jī)組的耗電量相對(duì)變化不大，末端供熱量隨著水泵頻率的升高而增大，所以導(dǎo)致機(jī)組COP增大；但是水泵的耗電量隨著水泵頻率的升高而急劇增大，導(dǎo)致系統(tǒng)COP減?。?dāng)水泵頻率為40Hz、35Hz和30Hz時(shí)，機(jī)組COP分別為3.64、3.55和3.49，系統(tǒng) COP分別為3.04、3.13和3.21．水泵頻率每降低5 Hz，機(jī)組COP降低2.12%，但是系統(tǒng)COP提升2.64%．

3.2 土壤溫度場(chǎng)分析

水泵頻率試驗(yàn)的典型土壤溫度變化與熱泵設(shè)定溫度試驗(yàn)的結(jié)果相類(lèi)似，其結(jié)果如圖7所示．3個(gè)試驗(yàn)工況下，開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)的換熱區(qū)域土壤溫度基本相同，約為13.55℃．這是由于地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行不是連續(xù)的，當(dāng)天21:30至轉(zhuǎn)天7:30期間，熱泵機(jī)組不運(yùn)行，由于土壤具有的溫度恢復(fù)能力，當(dāng)前1天的取熱量比地溫恢復(fù)能力小時(shí)，土壤溫度可以恢復(fù)到原來(lái)的水平上[17]．

圖6 不同泵頻下逐時(shí)COP變化曲線Fig.6 Curvesof hourly COPunder differentPF

換熱區(qū)域土壤溫度在1 d內(nèi)的變化幅度隨著水泵頻率設(shè)定值的增大而增大．GSHPS水泵頻率為30Hz時(shí)，經(jīng)過(guò)取熱后土壤溫度下降1.53℃；當(dāng)GSHPS水泵頻率升高到35Hz時(shí)，地源側(cè)流量增大，地下取熱量增大，經(jīng)過(guò)取熱后土壤溫度下降1.58℃；比前1天幅度增大0.05℃；當(dāng)GSHPS水泵頻率升高到40Hz時(shí)，土壤溫度下降更加嚴(yán)重，最終換熱區(qū)域溫度下降1.67℃，比前1天幅度擴(kuò)大0.09℃．可見(jiàn)水泵頻率越大，土壤溫度下降幅度越大．

從圖7同時(shí)看出，在水泵頻率為30Hz時(shí)，室內(nèi)溫度可以達(dá)到20℃左右，隨著水泵頻率設(shè)定值的增大，室內(nèi)溫度可達(dá)到更高水平．所以在滿足室內(nèi)負(fù)荷的情況下，在地源熱泵實(shí)際運(yùn)行時(shí)，管理者合理的降低水泵頻率，可以減少向地下的取熱量，減緩?fù)寥罍囟鹊南陆捣?，并能提高系統(tǒng)運(yùn)行性能系數(shù)．從試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，水泵頻率從40 Hz變?yōu)?0 Hz的工況下，每降低5 Hz，可以減小向地下取熱7.72%，降低9.58%的耗電量，系統(tǒng)性能系數(shù)提升2.64%．

圖7 不同泵頻下GSHPS逐時(shí)土壤溫度、房間溫度變化曲線Fig.7 Curvesof hourly soil temperatureand room temperatureof GSHPSunder differentPF

4 結(jié)論

通過(guò)進(jìn)行設(shè)定溫度和水泵頻率試驗(yàn)測(cè)試，獲得了熱泵設(shè)定溫度及水泵頻率對(duì)土壤溫度場(chǎng)及機(jī)組（或系統(tǒng)）COP的影響關(guān)系，得出結(jié)論如下：

1）在滿足室內(nèi)熱負(fù)荷的前提下，合理降低熱泵的設(shè)定溫度，有助于土壤溫度的下降幅度減緩，系統(tǒng)性能系數(shù)升高．對(duì)本文所研究的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)熱泵設(shè)定溫度從42℃降低至40℃范圍內(nèi)，每降低1℃可以減小從地下取熱7.80%，降低13.17%的耗電量，機(jī)組性能系數(shù)提升4.48%，系統(tǒng)性能系數(shù)提升3.66%．

2）隨著水泵頻率的升高，土壤溫度下降幅度增大．在滿足室內(nèi)熱負(fù)荷的情況下，應(yīng)該盡量降低水泵頻率，減緩?fù)寥罍囟鹊南陆捣?；水泵頻率降低會(huì)使機(jī)組性能系數(shù)降低，但是系統(tǒng)性能系數(shù)會(huì)升高，因此應(yīng)在兼顧土壤溫度和機(jī)組性能系數(shù)的條件下，選擇合適的水泵頻率．對(duì)本文所研究的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，水泵頻率從40 Hz變?yōu)?0 Hz的工況下，每降低5 Hz，可以減小地下取熱7.72%，降低9.58%的耗電量，系統(tǒng)性能系數(shù)提升2.64%．

3）本文所述的地源熱泵系統(tǒng)，在試驗(yàn)環(huán)境條件下，設(shè)定熱泵設(shè)定溫度為40℃，末端和地源側(cè)水泵頻率為30Hz時(shí)，可以達(dá)到室內(nèi)溫度要求，系統(tǒng)運(yùn)行性能系數(shù)可達(dá)到3.2以上．

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[責(zé)任編輯 田 豐]

Analysison operation parametersand soil temperature variation characteristicsofground-sourceheatpump system

ZHANG Zhanhui，WANG Enyu，GENG Lei，CHEN Yupu，QIChengying

(Schoolof Energy and Environmental Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

This paper analyzes themeasured data such as soil temperature,heatextraction of ground source side,heat supply of load side,powerconsumption ofheatpump unitand powerconsumptionofpumpsofaground-sourceheatpump system(GSHPS)for a business building in Tianjin.The influence of setting temperature(ST)and pump frequency (PF)on the soil temperatureand coefficientof performance(COP)ofheatpump unitorsystem are studied.The results show that theheatextraction ofground source side reduces7.80%w ith 1℃reduction of ST in the caseofmeeting the indoor heat load as ST changes from 42℃to 40℃,and the COPof system increases 3.66%at the same time.Sim ilarly, the heatextraction of ground source side reduces 7.72%w ith 5 Hz of PF,as PF changes from 40 Hz to 30 Hz;and the COP of GSHPS increases 2.64%simultaneously.For the heating-dom inated building,a suitable operation strategy to adjust ST of the ground source heatpump unitand PF of the circulating pump canmake the soil temperature vary in the direction ofhigh efficiency and ensure long-term reliable operation of the system.

ground-sourceheatpump;soil temperature;setting temperatureofheatpump;pump frequency;coefficient of performance

TK51；TK52

A

1007-2373(2016)04-0068-07

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.04.011

2016-05-30

河北省自然科學(xué)基金（E2013202122）；教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金（2013）；天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目（14TXGCCX00010）

張占輝（1988-），男（漢族），碩士生．

王恩宇（1970-），男（漢族），教授，博士，wey@hebut.edu.cn．