理論與實踐:寒冷地區(qū)埋管式地源熱泵系統(tǒng)熱平衡分析
作者：鄭曉敏
埋管式地源熱泵技術是一種利用地表淺層地熱資源的高效節(jié)能環(huán)保技術。隨著埋管式地源熱泵技術的快速發(fā)展，巖土體熱失衡問題已成為制約該技術發(fā)展的瓶頸。一般來說，在地表10 m以下的巖土體溫度可以保持長年穩(wěn)定分布：巖土體溫度變化狀況是巖土體熱量是否平衡的反映。地埋管與巖土體的傳熱過程是一個復雜的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，影響巖土體熱平衡問題的因素很多。國內(nèi)外的專家學者針對埋管式地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡問題開展了大量研究二徐輝對夏熱冬冷地區(qū)某市的實際工程案例進行了分析，認為地源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題是由建筑的冷熱負荷決定的。馬宏權對夏熱冬冷地區(qū)的武漢市某住宅小區(qū)的埋管式地源熱泵系統(tǒng)進行了分析，認為影響巖土體熱失衡的兩個最主要因素是單位地埋管換熱器鉆孔深度年運行熱凈差和地埋管換熱器的布置間距。姚靈鋒對寒冷地區(qū)的鄭州市某花卉市場的地源熱泵系統(tǒng)進行了分析，認為地源熱泵系統(tǒng)熱失衡問題是由夏季累積釋熱量與冬季累積吸熱量的不平
衡率所決定的。Rottmayer S P對巖土體熱平衡與孔深關系的研究表明：當夏季向地下釋熱累計量與冬季從地下吸熱累計量均衡時，孔深不隨運行時間變化：當夏季向地下累計釋熱量與冬季從地下累計吸熱量不均衡時，地埋管換熱器的熱性能下降：隨著運行時間的延長，所需的設計孔深呈對數(shù)曲線增大。Michel AB通過模擬分析認為．巖土體的熱平衡是個復雜多變的過程，它與復雜的分層地質(zhì)差異多變的地下水含量與流速、長期運行空調(diào)逐時負荷的變化等儲多微觀因素有關，對其量化分析存在理論上的困難。
我國地域遼闊，巨大的地域差異造成室外氣象參數(shù)差別較大，大部分地區(qū)的建筑物全年累計冷熱負荷不平衡。目前，未見黃土高原寒冷地區(qū)埋管式地源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題的研究報道。本文通過對在黃土高原寒冷地區(qū)應用的某埋管式地源熱泵系統(tǒng)的巖土體溫度進行研究及分析認為，不能簡單地以全年累計冷熱負荷的大小來評判巖土體的熱平衡性以及確定埋管式地源熱泵的適用性，還應考慮巖土體的溫度恢復特性。
1試驗簡介
埋管式地源熱泵系統(tǒng)工程位于山西省呂梁山某高速公路站區(qū)，屬于黃土高原寒冷地區(qū)。該站區(qū)總空調(diào)面積為3 500 m2，系統(tǒng)末端為風機盤管加獨立新風系統(tǒng)。地埋管側共有82口直徑為150 mm，深度為70 m的換熱井，在井深40 m左右為含水層二換熱井布置方式為等間距陣列布置，井間距為4.5 m;埋管形式采用單U型豎直埋管，U型管采用外徑為32 mm的PE管，各井內(nèi)U型埋管采用同程方式連接。
為全面測試埋管式地源熱泵系統(tǒng)的溫度變化規(guī)律，選取3x3矩陣排列的9口換熱井單元所包圍的巖土體容積為研究試驗區(qū)域。其中，中心處換熱井定義為A井，其余8口換熱井分別定義為1~8號井。在換熱井A周圍另鉆取3口測試井B，C，D。測試井的大小、深度與換熱井A完全相同，但僅用于埋設巖土體溫度傳感器（圖1）。
溫度傳感器的測量范圍為-55～125℃，測量精度的一致性達到+-0.1 0C，分辨率為0.062 5℃。溫度傳感器埋設前，用標準溫度計進行了校驗。在本試驗系統(tǒng)測試中，溫度測試范圍為8.87～16.55℃，因此溫度測試誤差最大值為
在換熱井A的供回水管外側分別綁設第I，Ⅱ組溫度傳感器，每組均有8個溫度傳感器，從U型管最底端（即地下70 m處）往上，每隔10 m綁1個溫度傳感器。測試井B，C，D內(nèi)所埋直管上分別綁設第Ⅲ，IV，V組溫度傳感器，綁定方式與換熱井A相同（圖2）：利用所埋的溫度傳感器對井A，B，C，D內(nèi)的巖土體溫度進行連續(xù)監(jiān)測。
試驗的監(jiān)控為實時監(jiān)控，利用自行開發(fā)的人機友好界面的E nview監(jiān)控系統(tǒng)軟件，對整個熱泵系統(tǒng)運行狀況進行可視化的監(jiān)控。監(jiān)測所得的巖土體溫度數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控機房，數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)后，再通過通訊轉換模塊將數(shù)據(jù)傳至電腦并自動記錄。
2巖土體溫度響應特性分析
在系統(tǒng)運行前，測得換熱井A供回水管外側、測試井B，C，D各深度處巖土體的原始溫度分布（表1）。
圖3為供冷初期間歇制冷運行的40 h內(nèi)，換熱井A供水管外側巖土體的逐時溫度。在開機初始階段1～6 h，管壁處巖土體的溫度隨時間變化得很快，達到穩(wěn)定溫度的95%，然后變化緩慢，經(jīng)過30 h后其溫度趨于穩(wěn)定，溫度波動幅度為0.18—0.38℃，巖土體的平均溫升率為0.093 0C/h。
供冷期結束后，巖土體溫度開始恢復。圖4為停機后換熱井A供水管外側不同深度處巖土體的逐時溫度。
由表2可見，隨著恢復時間的增加，巖土體的恢復率逐漸升高，巖土體的溫度逐漸趨于原始溫度。在停機120 h后，換熱井-10，-20，-30,-40，-50，-60，-70 m處的恢復率分別為66.9%．68.9%, 67.5%, 74.4%， 76.0%， 78.2%,88.4 %，可見巖土體的溫度恢復較好。隨著恢復時間的繼續(xù)增加，巖土體的恢復率會繼續(xù)逐漸增大。此外，隨著恢復時間的增加，巖土體的恢復速率逐漸降低，巖土體的恢復能力逐漸下降，溫度逐漸趨于平緩。若以17 h計，管壁巖土體溫度場的恢復速率為0.081~0.1580C/h。巖土體前期(0<t≤17 h)的�；謴湍芰s為后期(t>82 h)的80倍�？梢�，前期的，恢復能力對系統(tǒng)間歇運行有利，在實際工程應用中，可由巖土體的恢復特性去考慮埋管式地源熱泵系統(tǒng)間歇運行的停機時間。
3巖土體熱平衡分析
由以上分析可知：該試驗工程的巖土體溫度響應較快，恢復能力也較好。巖土體的恢復特性直接關系著巖土體的熱平衡問題，巖土體恢復特性越好，越利于巖土體的熱平衡。這是影響埋管式地源熱泵工程巖土體熱平衡的一個重要因素，決定了該埋管式地源熱泵系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。
本文整理了該系統(tǒng)從2010年冬季投入運行到2012年夏季的監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)，并進行了分析。熱泵系統(tǒng)在供熱期和供冷期均采用啟停比為7：9的間歇運行。圖5給出了在各運行期結束時，不同深度處，換熱井A供水管外側巖土體的終溫。
從圖5可以看出，巖土體溫度接近于以年為周期正弦規(guī)律的變化，在供冷期1到恢復期2的蓄熱階段，溫度逐漸升高；在取熱階段，溫度逐漸降低．在各運行期結束時，換熱井A的供水管外側巖土體的終溫最高值出現(xiàn)在供冷期1終了時，-10．-20， -30， -40，-50，-60, -70 m處的終溫最高值分別為14.73，15.60，14.72，15.03，15.82，16.55,15.10℃；終溫最低值出現(xiàn)在供熱期1終了時，-10，-20，-30，-40,-50，-60，-70 m處的終溫最低值分別為8.87，9.40，9.44，9.14，9.57，9.63，9.91 0C。供水管外側除了-40 m外，其他各層巖土體溫度基本隨深度增加而升高。-40 m處巖土體溫升的斜率較其他深度小，溫降的斜率較其他深
度大，其原因是-40 m左右的巖土體為含水層，含水層的回填材料的平均比熱容較大，滲流作用較強，熱量向周圍散失較快，導致該處溫度梯度較大。
由圖5可得，巖土體的溫度在供冷期1升高得較快、在恢復期2降低得也較快，這是由于該供試工程的巖土體溫度響應快，恢復能力較好。
圖6、圖7、圖8分別給出了在各運行期結束時，不同深度處測試井B，C，D處巖土體的終溫。
由圖6可見，同換熱井A相似，測試井B處的巖土體溫度也呈現(xiàn)以年為周期的近似于正弦規(guī)律的變化。除了-40 m深度外，其他深度處的終溫最高值出現(xiàn)在恢復期2終了時，-10，-20，-30，-50，-60．-70 m處的終溫最高值分別為11.31，11.76，11.54,11.58,11.60,11.60℃：而-40 m深度處的終溫最高值出現(xiàn)在供冷期1終了時，溫度最高值為11.99℃。這是因為-40 m左右處的巖土體為含水層，含水層滲流作用較強，熱量向周圍散失較快，導致該處在恢復期2的溫降較快。各深度處的終溫最低值出現(xiàn)在供熱期1終了時，-10，-20，-30，-40，-50，-60，-70 m處的巖土體終溫最低值分別為9.25, 9.14, 9.23, 9.43, 9.70, 9.85, 10.72℃。測試井C，D同測試井B的變化趨勢相同。
由此可以看出，換熱井和測試井的變化規(guī)律基本一致，但測試井要比換熱井的變化滯后一些，測試井的溫度變化斜率比換熱井的溫度變化斜率小，曲線較平緩，而且溫度變化幅度也要小一些，說明熱流傳遞到測試井需要一定的時間，而且蓄熱和取熱過程對換熱井的影響也要大一些。這是因為巖土體換熱是管內(nèi)強迫傳熱和管外自然傳熱的一種復合傳熱過程，其熱阻主要是管外的巖土體熱阻，因此巖土體傳熱的波峰衰減和時間延遲就顯得非常明顯。
對比2010年12月10日～2011年10月27日與2011年6月13日—2012年6月9日的兩個運行周年可知：該埋管式地源熱泵系統(tǒng)工程位于寒冷地區(qū)，建筑累計冷負荷小于熱負荷，巖土體溫度場的周年溫度均有所回升。由圖5可見，從供熱期1到恢復期1結束，與原始溫度相比，溫度場平均降低了1.42～1.52 ℃，但從供冷期l到恢復期2結束，與原始溫度相比，溫度場平均升高了0.47~0.55℃。從圖5~8也可看出，恢復期3結束后，巖土體溫度場比供冷期1開始時平均升高了0.77℃�？梢婋S著系統(tǒng)的運轉，充分利用巖土體的自然恢復能力，巖土體溫度場有望恢復到原始溫度場。從理論上講，全年累計冷熱負荷差異較大時，會導致巖土體溫度的升高或者降低，造成其溫度不斷偏離原始溫度，對系統(tǒng)運行效率的影響也越大，不利于系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行。根據(jù)相關資料統(tǒng)計，一般情況下土壤溫度降低1℃，制取同樣熱量的能耗要增加3%~5%。但是，實際上若充分考慮巖土體溫度場的自我恢復能力及恢復時間，埋管式地源熱泵系統(tǒng)是有可能持續(xù)穩(wěn)定運行的。由此可見，地埋管側的冬夏總換熱量的差值不是影響巖土體熱平衡的唯一原因，單純地以全年累計冷熱負荷是否相等來判斷巖土體的熱平衡是值得商榷的。對應用在不同氣候區(qū)、不同建筑的埋管式地源熱泵系統(tǒng)，對大地的釋熱量、吸熱量、巖土體的溫度響應特性進行綜合評價后，才能得到合理的結論。
4結語
通過對應用在黃土高原寒冷地區(qū)的埋管式地源熱泵實驗工程長期運行下的巖土體的溫度場進行研究分析，得出以下結論。
機組開機1～6 h，管壁處巖土體的溫度隨時間變化得很快，達到穩(wěn)定溫度的95%；30 h后，其溫度趨于平穩(wěn)，巖土體的溫升率為0.0930C/h。
機組停機82 h后，巖土體的溫度基本趨于穩(wěn)定。巖土體的恢復率隨恢復時間的增加而增加，但恢復速率隨恢復時間的增加而降低。巖土體前期(O<t≤17 h)的恢復能力約為后期(t>82 h)的80倍�？梢姡捌诘幕謴湍芰脤ο到y(tǒng)間歇運行有利。在實際工程應用中，可由巖土體的恢復特性決定埋管式地源熱泵系統(tǒng)間歇運行的停機時間。
對不同氣候區(qū)的不同建筑的埋管式地源熱泵系統(tǒng)，單純地從全年累計冷熱負荷是否相等來判斷巖土體的熱平衡是值得商榷的。建議從全年累計冷熱負荷平衡和巖土體的溫度響應特性兩個角度進行綜合分析，進而確定埋管式地源熱泵的適用性，以保證埋管式地源熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行。
本文的研究工作是初步的，還須進一步研究系統(tǒng)的動態(tài)負荷特性、間歇運行的啟停比對巖土體熱平衡的影響。
5摘要：
以黃土高原寒冷地區(qū)埋管式地源熱泵系統(tǒng)工程為平臺，進行了為期兩年的供熱、恢復、供冷長期試驗。在 間歇制冷工況下，對換熱井內(nèi)巖土體的溫度響應進行了研究。研究結果顯示，開機30h后，巖土體溫度趨于穩(wěn)定，溫度波動幅度為0.18～0.38℃；停機82h后，巖土體溫度基本恢復穩(wěn)定，溫度下降范圍僅為0.06—0.19℃。通過對T程巖土體熱平衡分析發(fā)現(xiàn)，單純地以全年累計冷熱負荷的差異來判斷巖土體的熱平衡是值得商榷的，建議從全年累計冷熱負荷平衡和巖土體的溫度響應特性兩個角度進行綜合分析，進而確定埋管式地源熱泵的適用性，以保證埋管式地源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運行。試驗結果可為黃土高原寒冷地區(qū)埋管式地源熱泵系統(tǒng)的推廣應用提供參考。
