王子瓏 梅新忠 王楠 張紅波 張千 孟德平

摘要?以河北廊坊市某典型辦公建筑為例，對地埋管地源熱泵系統(tǒng)長期運行過程中的地溫變化和系統(tǒng)性能進行了監(jiān)測與分析。結果表明，地溫呈周期性季節(jié)變化趨勢，與氣溫變化基本同步，不存在冷熱堆積現(xiàn)象，地埋管管群換熱對周圍地溫的影響范圍小于4?m。熱泵機組具有較高的運行性能系數(shù)，但采暖季和制冷季的系統(tǒng)性能系數(shù)分別為2.08和?2.43，這主要與系統(tǒng)設計、長期低負荷運行以及“大流量、小溫差”運行模式有直接關系，存在較大的改進空間。

關?鍵?詞?地源熱泵;長期性能;地溫場;性能系數(shù)

中圖分類號?TU83?????文獻標志碼?A

Monitoring?and?analysis?of?ground?temperature?variations?and?system?performance?of?a?buried-pipe?ground?source?heat?pump?during?the?long-term?operation

WANG?Zilong，?MEI?Xinzhong，?WANG?Nan，?ZHANG?Hongbo，

ZHANG?Qian，?MENG?Deping

（Hebei?Institute?of?Geophysical?Survey，?Langfang，?Hebei?098000，?China）

Abstract?The?variations?of?ground?temperatures?and?actual?performance?during?the?long-term?operation?of?a?buried-pipe?ground?source?heat?pump?（GSHP）?system?are?monitored?and?analyzed?by?taking?a?typical?office?building?in?Langfang，?Hebei?province?as?an?example.?Result?show?that?ground?temperatures?shows?a?periodic?seasonal?trend，?and?basically?synchronizes?with?the?change?of?the?climate.?There?does?not?appear?the?phenomenon?of?heat?or?cold?accumulation.?The?effects?of?heat?transfer?of?ground?heat?exchangers?on?the?surrounding?ground?temperatures?are?within?the?range?of?4m.?The?present?heat?pump?units?have?a?high?coefficient?of?performance（COP），?while?the?COP?of?the?total?system?during?the?heating?and?cooling?operation?is?2.08?and?2.43，?respectively.?This?is?mainly?caused?by?the?unreasonable?initial?design，?the?long-term?operation?with?low?loads?and?the?operating?mode?with?high?flow?rates?and?small?temperature?differences.?There?is?still?greater?possibilities?for??performance?improvement?of?the?present?GSHP?system.

Key?words?ground?source?heat?pump;?long-term?performance;?ground?temperature?field;?the?coefficient?of?performance

0?引言

近年來，地埋管地源熱泵系統(tǒng)作為淺層地熱能的典型應用形式之一，在我國得到較為廣泛的推廣應用。根據(jù)統(tǒng)計，截至2016年，我國地源熱泵應用建筑面積已經(jīng)達到4億m2，居世界第一位，取得較好的節(jié)能減排效益[1]。與此同時，國內研究人員在地埋管熱泵系統(tǒng)性能監(jiān)測與評價方面先后開展了許多工作。例如，江章寧等[2]測試了武漢市某住宅建筑地埋管熱泵系統(tǒng)的冬季供暖性能，其中典型日的機組和系統(tǒng)COP分別為4.64和3.67，整個測試期間系統(tǒng)COP為3.15。高清民等[3]測試了山東東營某33?640?m2辦公建筑地埋管熱泵系統(tǒng)的冬季性能，其中機組和熱泵系統(tǒng)的COP分別為4.1和3.0。王華軍等[4]對天津市某地埋管熱泵系統(tǒng)進行了測試，其中3個供暖季的機組和系統(tǒng)COP分別為3.3～3.7和1.8～2.6，3個制冷季的機組和系統(tǒng)COP分別為2.7～3.1和1.3～1.7，表現(xiàn)出明顯的冷熱不平衡現(xiàn)象。趙冰等[5]測試唐山市某辦公建筑地埋管熱泵系統(tǒng)的夏季運行性能，其中系統(tǒng)COP為2.6，存在不合理的水泵運行、末端設置等問題。蘇永強[6]對衡水市某地埋管熱泵系統(tǒng)進行了全年性能測試分析，其中制冷期和供暖期的系統(tǒng)COP分別為2.33和2.36?？陀^而言，目前地埋管熱泵的運行能效差別較大，尤其是長期運行性能監(jiān)測分析方面的文獻報導相對偏少，這與其當前的發(fā)展規(guī)模與勢頭是十分不協(xié)調的?；谏鲜霰尘?，本文擬以津京冀地區(qū)某典型辦公建筑為例，開展地埋管熱泵系統(tǒng)長期性能測試與分析，旨在總結相關成功經(jīng)驗和失敗教訓，為今后類似系統(tǒng)優(yōu)化設計與節(jié)能運行提供一定的參考依據(jù)。

1?系統(tǒng)概況

1.1?項目概況

研究對象為位于河北省廊坊市的一棟綜合辦公建筑，共計5層，總建筑面積為4?800?m2，建造年份為2009年，外墻為250?mm厚加氣混凝土砌塊加80?mm厚巖棉，外窗為雙層普通玻璃加塑鋼材質。建筑采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)進行制冷與供暖，設計冷、熱負荷分別為460?kW和280?kW。系統(tǒng)選用了兩臺螺桿式地源熱泵機組，其中小機組（GSHP185-TR型）的額定制冷量和制熱量分別為183?kW和185?kW，輸入功率分別為44?kW和36?kW，大機組（GSHP280-TR型）的額定制冷量和制熱量分別為280?kW和314?kW。地源側和用戶側各設置二臺循環(huán)水泵，額定流量和功率均分別為100?m3/h和15?kW?？照{系統(tǒng)的開啟時間為10?h/d（節(jié)假日除外）。

項目地點位于永定河沖積扇前緣，屬于沖洪積平原水文地質區(qū)，第四系總厚度為292～345?m，自下而上地層分別為下更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)，具有良好的地埋管成孔條件。其中，下更新統(tǒng)為沖積、湖積沉積地層，巖性以黏土、粉質黏土夾砂層為主;中更新統(tǒng)為沖積地層、河湖相沉積，巖性以粉質黏土、黏土及砂層為主，含鈣質結核;上更新統(tǒng)為沖積、沖洪積地層，巖性以粉土和粉質黏土不等厚互層為主，夾中砂、細砂層;全新統(tǒng)為沖積、湖沼相沉積地層，巖性以粉質黏土、粉土夾砂為主。室外豎直地埋管換熱孔的實際數(shù)量為80眼，深度為100?m，孔徑為200?mm，間距4?m。地埋管采用雙U形高密度聚乙烯管，規(guī)格為DN32。根據(jù)區(qū)域地質資料，當?shù)睾銣貙拥販貫?4.5?℃，淺層地溫梯度為0.02?℃/m。通過前期熱響應實驗計算得到該區(qū)域土壤平均熱導率為1.56?W/（m·K）。

1.2?監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)安裝一套遠程監(jiān)測系統(tǒng)，以實時掌握評價地源熱泵系統(tǒng)的長期運行性能。監(jiān)測系統(tǒng)主要包括：地下溫度場、室內外溫度、地源側和用戶側的供回水溫度以及地源熱泵機組能耗等測量。其中，溫度傳感器均采用PT1000型鉑電阻傳感器，精度為0.5級，誤差小于±0.2?℃;機組和水泵電耗傳感器采用DD862-4功率傳感器，精度為1.0級，誤差小于±5?%。為了監(jiān)測地溫場變化規(guī)律，分別在埋管區(qū)域內部以及距離埋管區(qū)域2、4、10?m地方設置了4眼監(jiān)測孔（分別記作ZK1、ZK2、ZK3和ZK4），且沿深度方向每10?m布設一個傳感器，總計數(shù)量為40個。數(shù)據(jù)分析的周期范圍選取2013年10月1日—2018年3月15日，共計1?627?d，其中包括了5個采暖季、4個制冷季及過渡季。

2?結果與討論

2.1?氣溫及地溫長期變化結果

圖1給出了整個監(jiān)測期間室外氣溫的變化曲線。廊坊市屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，氣溫隨季節(jié)周期性變化十分明顯。監(jiān)測期內，當?shù)啬昶骄鶜鉁貫?4.1?℃，與廊坊市區(qū)多年氣溫平均值（12.7?℃）相比，偏高約1.4?℃。其中，最低氣溫為-12.9?℃（2015年1月），最高氣溫為38.7?℃（2015年7月）。

圖2給出了整個監(jiān)測期間的地溫變化曲線。可以看出，在地源熱泵系統(tǒng)運行過程中，地溫隨“制冷季-過渡季-供暖季-過渡季”的工況轉變而呈周期性季節(jié)變化，與氣溫變化基本同步，具體表現(xiàn)為制冷季溫度升高，供暖季溫度降低，過渡季溫度逐漸恢復的變化特征。以ZK1鉆孔為例，地溫變化范圍為11.2～19.1?℃，振幅為±3.95?℃，波動較大，其主要原因在于該鉆孔位于管群內部，受地埋管與土壤之間的排熱/取熱熱流影響較大。相比之下，ZK2鉆孔距離地埋管管群2?m，地溫在14.2～14.8?℃范圍變化，振幅僅±0.3?℃，幾乎可以忽略。此外，距離地埋管管群4?m和10?m的ZK3和ZK4鉆孔地溫基本上不受地埋管管群換熱的影響，平均地溫穩(wěn)定在14.5?℃，與區(qū)域地質調查測試結果是一致的。因此，就本文地埋管地源熱泵系統(tǒng)而言，地埋管管群對周圍地溫的影響范圍不超過4?m。前人研究表明[4-5]，地埋管地源熱泵系統(tǒng)的地溫場失衡會不同程度影響長期運行性能，且該影響會逐年加劇，通常在短期內不容易體現(xiàn)。從此角度評價，本研究地源熱泵系統(tǒng)在經(jīng)歷了4個完整運行周期之后，地溫整體上是基本平衡的，不存在冷堆積或熱堆積效應。

圖3給出了運行過渡期地溫的典型變化曲線，其中2017年3月16日—2017年6月1日為冬-夏過渡期（76?d），2017年9月15日—2017年11月15日為夏-冬過渡期（61?d）。可以看出，在過渡期內，地溫均得到了充分恢復，這在很大程度上保證了地源熱泵系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。例如，在冬-夏過渡期，ZK1鉆孔地溫從11.7?℃恢復到14.5?℃，ZK2鉆孔地溫從14.2?℃恢復到14.5?℃。在夏-冬過渡期，ZK1鉆孔地溫從17.9?℃逐漸恢復到14.7?℃，ZK2鉆孔地溫從14.8?℃恢復到14.7?℃。計算表明，對上述鉆孔而言，冬-夏過渡期和夏-冬過渡期的地溫恢復速率分別為0.034?℃/d和0.052?℃/d。根據(jù)王華軍等[7]對唐山曹妃甸地埋管地源熱泵系統(tǒng)的監(jiān)測結果，冬-夏過渡期（40?d）和夏-冬過渡期（30?d）的地溫恢復速率分別為0.03?℃/d和0.04?℃/d，與本文結果較為接近。文獻[7]分析認為，在巖土熱導率一定條件下，地溫恢復速率主要取決于空調或供暖季結束時的地溫場狀態(tài)，其偏離初始地溫場越遠，恢復越快。但實際上，地溫恢復速率還取決于過渡期的時間長短，恢復期越長，約有利于地溫恢復。就本文結果而言，過渡期時間遠長于文獻[7]，因而地溫恢復速率也相對略高一些。此外，辦公建筑由于其用能時間的特殊性，往往傾向于間歇運行，這也在一定程度上促使了地溫的恢復，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.2?典型工況下系統(tǒng)運行能效

圖4給出了典型日地源熱泵系統(tǒng)運行參數(shù)變化曲線，其中冬季選取2018年1月24日，夏季選取2016年6月26日?？梢钥闯?，冬季典型日的室外氣溫在-1.2～-13.2?℃之間波動，平均氣溫為-6.8?℃。在白天運行期間，地源側的平均進出口水溫分別為13.0?℃和14.5?℃（溫差為1.5?℃），用戶側的供回水溫分別為38.9?℃和38.0?℃（溫差為0.9?℃），系統(tǒng)累計供熱量為1?324?kWh，總耗電為726?kWh，其中機組耗電為294?kWh，水泵耗電為432?kWh。經(jīng)計算，熱泵機組平均COP為4.5，系統(tǒng)COP為1.8，機組平均供熱功率為132.4?kW，占額定制熱量（314?kW）的42%，處于低負荷運行狀態(tài)。

夏季典型日的室外氣溫在25.9～31.1?℃之間波動，平均氣溫為31.1?℃。在白天運行期間，地源側的平均進、出水溫分別為24.4?℃和22.8?℃（溫差為1.5?℃），用戶側的供、回水溫分別為16.6?℃和17.2?℃（溫差為0.6?℃），系統(tǒng)累計供冷量為1?851?kWh，總耗電為744?kWh，其中機組耗電為356?kWh，水泵耗電為388?kWh。經(jīng)計算，熱泵機組平均COP為5.2，系統(tǒng)COP為2.5，機組平均供熱功率為185.1?kW，占額定制熱量（280?kW）的66%，處于較低負荷運行狀態(tài)。

2.3?系統(tǒng)長期運行能效分析

圖5給出了用戶側和地源側的供回水溫度變化曲線。可以看出，隨著季節(jié)變換，用戶側和地源側的水溫呈年度周期變化規(guī)律。在運行期間，兩側水溫整體上保持平穩(wěn)，其中采暖季用戶側水溫略有升高，地源側水溫略有降低，而制冷季用戶側水溫略有降低，地源側水溫略有升高。進一步統(tǒng)計表明，在采暖季中，用戶側的平均供回水溫差為0.58?℃，而地源側的平均進出水溫差為0.31?℃;在制冷季中，用戶側的平均供回水溫差為0.73?℃，而地源側的平均進出水溫差為1.06?℃。這反映出該系統(tǒng)運行處于典型的“大流量、小溫差”模式。根據(jù)前人研究結果，此運行模式雖然一定程度上有利于保證較高的機組能效，但往往會造成較高的水泵輸送能耗，使得整個系統(tǒng)的能效大幅降低。通常而言，地源側和用戶側的進出水溫差常在3～5?℃或2～4?℃范圍內變化，而本例中溫差僅為1?℃，主要與最初設計時水泵選型不合理有直接關系。

圖6進一步給出了水泵耗電占系統(tǒng)電耗比例的變化情況?？梢钥闯?，水泵耗電占整個系統(tǒng)耗電比例較大，變化范圍為46.3?%～62.2?%，平均值為53.4?%。一般而言，在地埋管地源熱泵系統(tǒng)中，水泵耗電所占系統(tǒng)耗電比例不應超過30?%。例如，文獻[3]中具有較高的實測系統(tǒng)能效比（3.0），其中二臺機組總制熱量和制熱功率分別為3?080?kW和708?kW，制冷量和制冷功率分別為3?112?kW和632?kW，用戶側和地源側水泵（4用1備）總功率分別為120?kW和88?kW，水泵功率占總電功率的23%（制熱工況）和25%（制冷工況）。文獻[6]中，水泵耗電占總耗電量的33%（制熱工況）和36%（制冷工況），系統(tǒng)能效比分別為2.36和2.33。與30%參考數(shù)值相比，本例偏高約78?%，從而為系統(tǒng)運行能效偏低埋下了巨大隱患。因此，在地埋管地源熱泵系統(tǒng)設計過程中，主要設備型號及參數(shù)選擇應盡可能做到科學合理，這是保證系統(tǒng)高效運行的關鍵因素。水泵優(yōu)化運行是地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能的重要手段之一。在本例中，可以采用更換水泵型號、變頻控制等措施，來降低管路流體輸運能耗，從而達到提高系統(tǒng)能效，節(jié)省運行費的目的。

表1匯總了地埋管地源熱泵系統(tǒng)各個運行季的能效情況，其中包括5個采暖季和4個制冷季，共?896?d，日均運行時間10?h。計算表明，該系統(tǒng)采暖季和制冷季的平均COP分別為2.08和?2.43，制冷季平均COP略高于采暖季，與前述典型日運行能效基本接近。此外，與前兩年相比，后3年的系統(tǒng)能效略有改善，其主要原因是建筑使用率略有增加，在一定程度上提高了運行冷熱負荷比例。此外，由于系統(tǒng)長期處于偏低負荷運行狀態(tài)，實際運行時往往只開啟一臺機組，而另一臺機組基本處于閑置或備用狀態(tài)，不符合科學用能的基本原則。

綜上所述，上述地埋管熱泵系統(tǒng)的長期地溫場是基本平衡的，系統(tǒng)運行也相對比較穩(wěn)定，但這并不意味著系統(tǒng)長期運行是高效的。換言之，地溫場平衡只是系統(tǒng)高效運行的必要而不充分條件。就本例而言，系統(tǒng)長期低負荷運行，加上不合理的“大流量、小溫差”運行模式，最終導致了整個地埋管熱泵系統(tǒng)處于相對較低的能效比水平，存在很大的調控改進空間。實際上，根據(jù)文獻[8-9]統(tǒng)計，華北地區(qū)相當多的地埋管熱泵系統(tǒng)COP在2～2.8范圍變化，超過3.0的實際工程案例甚少，這是亟待解決的一個共性問題，值得引起工程人員高度重視。

3?結論

1）本文地埋管地源熱泵系統(tǒng)長期運行過程中，地溫呈周期性季節(jié)變化趨勢，與氣溫變化基本同步，不存在冷熱堆積現(xiàn)象，地埋管管群換熱對周圍地溫的影響范圍不超過4?m。冬-夏過渡期和夏-冬過渡期的地溫恢復速率分別為0.034?℃/d和0.052?℃/d。

2）熱泵機組具有較高的COP（4.5～5），而采暖季和制冷季的系統(tǒng)COP分別為2.08和?2.43，這主要與系統(tǒng)設計、長期低負荷運行（40%～60?%）以及“大流量、小溫差”運行模式有直接關系，其中地源側和用戶側的進出水溫差僅為1?℃左右，水泵耗電占整個系統(tǒng)耗電比例較大，變化范圍為46.3%～62.2?%，平均值為53.4?%，遠遠超出了正常值范圍。

3）對于地埋管地源熱泵系統(tǒng)而言，地溫場平衡是保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的重要前提之一，但只是系統(tǒng)高效運行的必要而不充分條件。系統(tǒng)節(jié)能性在很大程度上取決于合理的系統(tǒng)設計與科學的運行管理。

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