杭州某地埋管地源熱泵系統(tǒng)性能與地溫場監(jiān)測分析

李少華，滕亦旺，林 楠，金 偉，林清龍，段新勝，毛漢川

（1.浙江省地質調查院，浙江 杭州 311203；2.杭州市南排工程建設管理服務中心，浙江 杭州 311200；3.中國地質大學 工程學院，湖北 武漢 430074）

0 引言

地源熱泵作為淺層地溫能開發(fā)利用的主要手段，在國內已經得到了廣泛的應用，尤其在國家制定2030年前碳排放達峰行動方案的刺激下，地源熱泵的應用面積仍會不斷增加。

在工程應用中，受各種復雜因素的影響，地源熱泵系統(tǒng)的應用效果好壞不一。多年來，各地學者采用短期、長期測試的方式，對其實際效果開展了大量的研究工作。馬勇等[1]根據武漢地區(qū)14個地埋管地源熱泵項目的測評，發(fā)現武漢地區(qū)EER=3.37（制冷工況能效比）、COP=3.25（供暖工況能效比），能效較高；蘇永強[2]對河北衡水某地源熱泵系統(tǒng)行性能進行了全年監(jiān)測與分析，結果表明，EER=2.33、COP=2.36；王子瓏等[3]通過對河北廊坊市某典型辦公建筑進行了近5 年的監(jiān)測、計算，系統(tǒng)性能系數EER=2.08、COP=2.43；傅強等[4]通過對上海市某辦公樓地埋管地源熱泵系統(tǒng)夏季工況的持續(xù)監(jiān)測，EER=4（3.5～4.5）的時間最長，約53.4%；龔強等[5]、馮夫順等[6]、林偉江等[7]的研究，也指出，低負荷率運行嚴重影響系統(tǒng)能效。各項理論、實測結果表明：勘察、設計、施工、設備選型、運行策略、氣候等對系統(tǒng)能效都有不同程度的影響。

通過對杭州市一地源熱泵系統(tǒng)1 年多的實時監(jiān)測，從系統(tǒng)能效、地溫變化兩方面開展了相應的研究。一方面，對系統(tǒng)長期運行能效、典型日運行能效進行了計算、分析，從影響系統(tǒng)能效的因素中探求出主要因素，指導系統(tǒng)合理運行；另一方面，地下換熱區(qū)地溫對地埋管換熱器效率有著直接的影響[8-9]，不同氣侯區(qū)的地溫場有一定差異[10]，由于地溫監(jiān)測孔施工成本高、地溫監(jiān)測傳感器埋設難度大，在杭州地區(qū)開展的對地溫的實際監(jiān)測較少，對地溫場的研究多是通過模擬進行的。本文在以往研究的基礎上，在杭州地區(qū)某地源熱泵埋管區(qū)布置了多個地溫監(jiān)測孔，在地面下0～90 m深度范圍內，對地溫隨系統(tǒng)運行的變化進行長期監(jiān)測。根據監(jiān)測數據，分析了地溫隨系統(tǒng)運行的變化規(guī)律，以期從地溫角度為系統(tǒng)合理運行提供管理參考。

1 工程概況

本文選擇的分析對象為杭州市江干區(qū)一泵站綜合大樓地源熱泵系統(tǒng)。杭州市屬于夏熱冬冷地區(qū)，年平均氣溫15.9～17.0 ℃，月平均氣溫以1月4.1 ℃為最低，7月28.4 ℃為最高。圖1為監(jiān)測期內杭州市日平均氣溫變化曲線。

圖1 監(jiān)測期內杭州市日平均氣溫變化曲線Fig.1 Daily average ambient temperature in Hangzhou

該建筑的建筑面積21050 m2，主要有辦公、會議、展廳、主廠房、一層大廳、管理用房等。其中，主廠房為排澇用水泵安裝區(qū)，不需要空調負荷，展廳僅在夏季使用，無供暖負荷。設計冷負荷為760 kW，冷負荷指標為122 W/m2；熱負荷為510 kW，熱負荷指標為106 W/m2。主機采用螺桿式地源熱泵機組，兩臺，共可提供制冷量749 kW、供暖量842 kW；每臺主機對應水泵系統(tǒng)包括冷凍泵1 臺、冷卻泵1臺，系統(tǒng)的標準設計工況參數見表1。

表1 熱系統(tǒng)設計工況參數Tab.1 Working condition parameters of the GSHP system

根據勘察資料，場地內0～25 m 以砂質粉土為主，25～35 m為淤泥質粉質黏土；35～40 m粉質黏土為主，局部夾粉砂層；40～54 m 為圓礫，該層為承壓含水層，水量豐富，54 m以下為泥質粉砂巖。

地埋管換熱孔類型為De32 單U 型，埋管間距6 m、深度90 m，水平溝深1.5 m，埋管有效長度88.5 m，共191孔，有效長度共16 903 m。根據場地現場熱響應測試結果，該場地90 m 深度范圍內土壤初始平均地溫約19 ℃（秋季）；綜合導熱系數為1.85 W/（m·K）；巖土體平均體積比熱容為2.6 MJ/（m3·K），孔內熱阻0.125～0.135 m·K/W。制冷工況單位長度地埋管孔設計釋熱量56.96 W/m，供暖工況單位長度地埋管孔設計取熱量45.5 W/m。

2 監(jiān)測方案

監(jiān)測數據包括管道溫度、壓力、流量、用電量及地下土壤溫度等。地溫監(jiān)測方案為：在埋管區(qū)域設置地溫監(jiān)測孔7個，平面及垂直布置詳見圖2和圖3。

圖2 監(jiān)測孔平面分布示意圖Fig.2 Plan distribution of the temperature measurement boreholes

圖3 溫度傳感器垂向布置圖Fig.3 Vertical distribution of the temperature sensors

對于數據的采集，管道水溫采用上海搜博公司生產的PT1000 鉑電阻溫度變送器，精度為±0.05 ℃；流量采用德國科隆DWM2000 型電磁流量計采集，精度±1%；機組及水泵耗電量采用杭州華立公司的DSZY535 智能電表，精度為±1%，地溫采用PT1000傳感器，精度為±0.1 ℃。

3 數據處理

評價一個地源熱泵系統(tǒng)性能的主要指標為機組夏季制冷工況能效比（EER）與冬季供暖工況能效比（COP），以及及系統(tǒng)夏季制冷工況（EERsys）與冬季供暖工況（COPsys）的能效比與系統(tǒng)能效。計算公式如下：

1）用戶側供暖/制冷量為

2）地源側取熱/排熱量為

3）熱泵機組能效比為

4）熱泵系統(tǒng)能效比為

式中：Q1為用戶側供暖/制冷量，kW·h；Q2為源側取熱/排熱量，kW·h；V1、V2分別為用戶側、源側流量，m3/h；tin1/tin2為用戶側/源側進水溫度，℃；tout1/tout2為用戶側/源側出水溫度，℃；ρ為循環(huán)介質密度，kg/m3；c為循環(huán)介質比熱容，kJ/（kg·K）；ΔT為系統(tǒng)運行時間，h；W1、W2分別為主機、水泵耗電量，kW·h。

4 結果與討論

該系統(tǒng)5 月中旬即開始制冷，10 月中旬進入過渡季，11 月中旬進入供暖季，3月底4 月初才進入過渡季，詳見表2。系統(tǒng)采用24 h連續(xù)運行模式。一般8：00～18：00全部空調開啟，夜間少部分空調運行；其中2020年空調使用面積比2019年增大。

表2 監(jiān)測期內地源熱泵系統(tǒng)運行情況表Tab.2 Condition of GSHP system during monitoring period

4.1 系統(tǒng)長期運行能效分析

夏季制冷情況下，系統(tǒng)共運行160 d，總運行時間約3 840 h。圖4和圖5給出了系統(tǒng)在2019年、2020年制冷期系統(tǒng)運行參數變化曲線。

由圖4 和圖5 可以看出，整體上，用戶側和地源側的水溫從制冷季開始緩慢上升，至8月底開始又有所降低。地源側溫度變化幅度較大，可達6 ℃，用戶側波動幅度大多在3 ℃以內。

圖4 2019 年系統(tǒng)制冷期運行參數變化曲線Fig.4 Variations of operation parameters during cooling season of 2019

圖5 2020 年系統(tǒng)制冷期運行參數變化曲線Fig.5 Variations of operation parameters during cooling season of 2020

對每天的監(jiān)測數據進行統(tǒng)計表明，用戶側供水溫度在8.35～11.6 ℃之間波動，回水溫度為9.4～15.3 ℃，大部分處于9.4～14℃范圍；供回水均溫差在1.2～3.5 ℃之間波動，平均溫差為2.4 ℃，流量為80～100 m3/h；地源側供水溫度在21.6～30.4 ℃之間波動，回水溫度為20.8～28.6 ℃；供回水溫差0.3～2 ℃之間波動，平均溫差為1.0 ℃，流量為188～250 m3/h。

表3 給出了地源熱泵系統(tǒng)的夏季工況總能耗數據，由式（1）～式（4）可以得出2019 年機組能效比為7.3、2020 年的為7.0，2019 年系統(tǒng)能效比為3.3、2020 年的為3.76；由圖4 和圖5 及表3 可知，系統(tǒng)具有較高的制冷能效比。除在建筑冷負荷較小，負荷率低于40%的情況下，系統(tǒng)能效比可以達到2.6 以上，整季平均能效比達3.3以上。

表3 地埋管地源熱泵系統(tǒng)運行期間耗電量Tab.3 Electricity consumption during operation of ground source heat pump system

4.2 典型日系統(tǒng)運行能效分析

圖6 給出了制冷工況下系統(tǒng)運行參數變化曲線。由于該系統(tǒng)冬季供暖工況下負荷率不到24%，主機頻繁啟停，難以獲取有效分析數據，因此，不對供暖工況進行分析；夏季典型日選取2020 年8 月27 日，室外氣溫在23～33 ℃之間波動，平均氣溫為28 ℃。

圖6 制冷季典型日系統(tǒng)運行參數變化曲線Fig.6 Variations of operation parameters on a typical cooling day

4.2.1 滿負荷運行工況

在白天運行期間（8：00～18：00），源側的進水平均溫度31.17 ℃、回水平均溫度28.74 ℃；用戶側的供水平均溫度11.66 ℃、回水平均溫度15.47 ℃。期間累計供冷量3 602 kW?h，機組耗電633 kW?h，水泵耗電281 kW?h。按式（1）計算，機組平均制冷功率379 kW，占額定制冷功率的比例為100%，為滿負荷運行狀態(tài)；按式（3）、式（4）計算，熱泵機組、系統(tǒng)的平均EER值分別為5.69、3.94，機組、系統(tǒng)能效比較高。

4.2.2 部分負荷運行工況

由于管理原因，夜間僅辦公、展廳空調關閉，其余空調區(qū)域空調仍然開啟。夜間運行期間，源側的進水平均溫度28.63 ℃、回水平均溫度27.69 ℃，用戶側供水平均溫度9.69 ℃、回水平均溫度11.79 ℃，期間累計供冷量2 651 kW?h，機組耗電486 kW?h，水泵耗電為393 kW?h。按式（1）、計算，機組平均制冷功率為200 kW，占額定制冷功率的比例為53%，為低負荷運行狀態(tài)；按式（3）、式（4）計算，熱泵機組、系統(tǒng)的平均EER值分別為5.45、3.04，機組、系統(tǒng)能效比明顯低于白天滿負荷工況。

4.3 影響因素分析

4.3.1 機組負荷率對系統(tǒng)能效比的影響

該系統(tǒng)由于制冷季較長（5～10 月），建筑所需冷負荷變化較大，導致了負荷率的變化大。圖7 選取了218 組有效數據，繪制了系統(tǒng)能效比與機組負荷率的分布情況圖，并進行了擬合。從圖可以看出，機組負荷率與系統(tǒng)能效比具有較高的正相關性，即機組負荷率越高，能效比也越高。前述4.2 節(jié)通過白天、夜間運行情況的對比也說明，機組負荷率越高系統(tǒng)能效比越高。

圖7 系統(tǒng)能效比與機組負荷率分布統(tǒng)計圖Fig.7 Distribution graph of coefficient of cooling performance with heat pump load rate

4.3.2 水泵功耗的影響

通過4.2 節(jié)分析可知，系統(tǒng)源側、用戶側供回水溫差反映出系統(tǒng)處于“大流量小溫差”的運行模式，該模式雖有利于保持較高的機組能效，但會造成較高的水泵輸送能耗比，一定程度上降低系統(tǒng)能效。

圖8給出了水泵耗電占系統(tǒng)耗電比例變化曲線及負荷率的變化曲線，對負荷率與水泵功耗比的關系進行了擬合分析。

從圖8可以看出，該系統(tǒng)水泵功耗比在30%～70%之間（大于70%僅有個別天），平均45%，在負荷率高的情況下基本分布在35%～45%范圍。一般而言，水泵占系統(tǒng)的功耗比例應該在20%～30%之間，本系統(tǒng)水泵功耗偏高。

進一步分析，該系統(tǒng)采用定頻水泵，水泵功耗基本為恒定的29 kW，一方面，負荷率低的情況下，主機耗電量降低，而水泵功率恒定，導致水泵功耗比增加。從圖8 可以看出，水泵功耗比與負荷率呈負相關，即負荷率越高，水泵功耗比越小，且相關性較大，擬合優(yōu)度達0.8；另一方面，由于系統(tǒng)24 h 運行，夜間水泵功耗比相比白天增加10%～15%，導致水泵功耗比偏大。針對該建筑負荷率變化大的情況，建議相似的項目中采用變頻水泵，在低負荷下減小流量，降低水泵耗能，增加系統(tǒng)能效。

圖8 機組負荷率與水泵功耗比分布統(tǒng)計圖Fig.8 Distribution graph of pump power ratio with heat pump load rate

表4 地源熱泵系統(tǒng)與地層熱交換情況Tab.4 Heat exchange between heat pump system and formation

4.4 地溫變化分析

4.4.1 年熱累積量

通過計算，一個完整的制冷-過渡-制熱-過渡季，地源熱泵全年向地層總排熱量為4 749.0 GJ，而從地層吸熱量僅為639.8 GJ，熱不平衡率（凈排熱量/總排熱量）為86.5%。多名學者研究指出，夏熱冬冷區(qū)，地源熱泵向地層的散熱量高于從地層的吸熱量[10-14]，熱不平衡率為20%～40%，而本系統(tǒng)的86.5%遠高于這個范圍。因此，對該系統(tǒng)來說，應特別關注其地溫變化情況。

4.4.2 熱累積對地溫影響的理論分析

采用李少華等[15]提出的地溫預測方法對場地地溫變化進行理論計算，計算方法如下。

選取4個地埋管換熱孔中間的地溫監(jiān)測孔T5孔對該孔地溫變化趨勢進行計算。單位長度地埋管換熱器年平均凈釋熱功率可用式（5）計算：

式中：qcn為單位長度地埋管換熱器年平均凈釋熱功率，W/m；Qta為場地內埋管年總釋熱量，J；L為埋管總長度，m；t為時間，s。

將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。

用線熱源理論計算T5孔的溫度升高值：

式中：Δθ為巖土體平均溫升，℃；λs為巖土體平均導熱系數，W/（m·K）；r為距換熱孔距離，m；SVC為巖土體平均比熱容，MJ/（m3·K）。

將r=4.24 m，t=3 600×24×365 s等已知參數代入式（6）得Δθ=1.37 ℃，用此式進行預測，不考慮熱耗散，5年后地溫升高3.5 ℃，10年后升高4.42 ℃，達到25.22 ℃。

4.4.3 熱累積對地溫影響的實測研究

系統(tǒng)于2016年開始運行，監(jiān)測于2018年底開始，取監(jiān)測期數據進行分析。

圖9為與換熱器位于同一鉆孔中的監(jiān)測孔0～90 m深度范圍的加權平均地溫變化曲線，其溫度可視為沿換熱井壁的地溫。從圖中可以看出，第1個制冷季，溫度變化范圍為20.2～24.8 ℃，第2個制冷季，溫度變化范圍為20.4～26.0 ℃，經過1個完整的制冷-過渡-供暖-過渡季后，溫度僅升高0.2 ℃。

圖9 T10 孔0～90 m 加權平均地溫曲線Fig.9 Weighted average temperature curves of 0～90 m

圖10為位于4個地埋管換熱孔中心區(qū)T5孔不同深度處的地溫變化曲線，不同深度處地溫變化詳見表5。從圖中可以看出，第1 個制冷季，平均溫度變化范圍為20.80～21.46 ℃，第2 個制冷季，溫度變化范圍為20.92～21.75 ℃。經過1個制冷-過渡-供暖-過渡季后，溫度僅升高0.12 ℃，遠小于4.4.2節(jié)計算的1.37 ℃。

表5 T5 孔不同深度處地溫年變化統(tǒng)計表Tab.5 Statistical table of ground temperature changes at different depths of borehole T5

圖10 T5 孔不同深度處地溫曲線Fig.10 Temperature curves at different depths in borehole of T5

從以上分析可以看出，系統(tǒng)運行熱失衡對地溫產生的影響較小并沒有熱失衡率反映的那么大，說明該場地內地溫基本能充分恢復。

經分析，一方面，這是由于該場地40～54 m 深度處為承壓水層，且場地緊挨錢塘江，水量豐富，存在滲流。滲流的存在將很大一部分的熱量帶走；另一方面，地表以下存在25 m厚的砂質粉土，雨季降水下滲也會帶走一部分熱量。以上因素，使得場地內地溫能夠充分恢復，很大程度的減輕了熱累積累對地溫的影響。

4.4.4 熱影響半徑分析

T8、T9 位于換熱井群外，距離分別為2 m、5 m，詳見圖2。垂向上，T8 孔溫度傳感器分別位于地下5、10、15、25、30、45、60 m處；T9孔溫度傳感器分別位于地下5、10、15、25、30、40、50、70、90 m處，詳見圖3。

圖11～12分別為T8、T9孔不同深度處的地溫變化曲線。通過圖11～12，可以看出，5 m、10 m深度處地溫呈現與外界氣溫類似的變化趨勢，15m變化已經很小，說明場地內變溫層底界在10～15 m，這與當地開展的淺層地溫能調查結果基本一致。

圖11 T8 孔不同深度處地溫曲線Fig.11 Temperature curves at different depths in borehole of T8

同時可以看出，T9 孔除5 m，40 m，50 m 深度外，其余深度處地溫基本不受地埋管換熱器換熱的影響，T8孔15 m深度以下有0.1～0.7 ℃的變化，仍受輕微的熱影響，可認為場地熱影響半徑大于2 m、小于5 m。

圖12 T9 孔不同深度處地溫曲線Fig.12 Temperature curves at different depths in borehole of T9

前已述及，40 m、50 m處地下水豐富，存在地下滲流，因此使得熱影響半徑比沒有承壓水層的深度處大，這也可以從圖10中T5孔40 m、50 m處地溫變化幅度比其他深度處變化幅度大得到驗證。

5 結論與建議

1）對杭州式某地源熱泵系統(tǒng)近兩年的運行狀況進行了監(jiān)測分析。結果表明，監(jiān)測期內，系統(tǒng)制冷能效比較高，2個制冷季平均分別可達3.30、3.76。

2）機組負荷率與系統(tǒng)能效比具有較高的正相關性，機組負荷率越高，能效比也越高；系統(tǒng)部分時段“大流量小溫差”運行模式增加了水泵功耗比，改善運行模式，該系統(tǒng)制冷能效水平有望進一步提升。

3）場地內變溫層底板埋深在10～15 m之間；換熱管群換熱對管群外圍地溫的影響不超過5 m。

4）系統(tǒng)熱不平衡率達86.5%，經實際監(jiān)測，位于4個地埋管換熱孔中心區(qū)0～90 m加權平均地溫年升溫僅0.12 ℃，地溫基本保持平衡；地下水滲流、雨水下滲可以帶走大量熱量，較大程度的削弱了熱積累效應。