關(guān)鍵詞：地源熱泵埋地?fù)Q熱器運(yùn)行性能
1引言
地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能受多種因素影響，如埋管周圍土壤、回填材料的熱物性，建筑物的冷熱負(fù)荷等。在我國大部分地區(qū)，建筑物的冷負(fù)荷以及其運(yùn)行時間往往大于供暖負(fù)荷，文獻(xiàn)[1][2]均指出，在這種情況下，地源熱泵系統(tǒng)將給地下造成很大的冷熱量不平衡，使土壤溫度升高，這會有利于冬季供暖運(yùn)行，而不利于夏季制冷運(yùn)行，甚至若干年后不能向地下排熱。本文結(jié)合天津一示范工程及其利用計算機(jī)自動監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所獲得的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對埋地?fù)Q熱器向地下排熱量與從地下取熱量不平衡對地源熱泵機(jī)組以及系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響進(jìn)行分析研究，為地源熱泵的工程設(shè)計提供參考。
2組合型垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)
本地源熱泵系統(tǒng)埋地?fù)Q熱器采用樁埋管和垂直豎井埋管兩種方式，所有埋管均采用高密度聚乙烯塑料管，鉆孔直徑為300mm，樁埋管埋深為20m，共60口；垂直豎井埋管埋深為90m，共21口。
地源熱泵示范工程運(yùn)行系統(tǒng)流程主要由三部分組成：
1)地下埋管換熱器閉式循環(huán)系統(tǒng)；
2)半封閉單螺桿壓縮式熱泵機(jī)組；
3）空調(diào)末端循環(huán)系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控和采集系統(tǒng)（SCADA）包括測溫部件銅—康銅鎧裝熱電偶、流量傳送器、功率變送器、PLC下位機(jī)、組態(tài)王軟件和PC上位機(jī)。地源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗測試的對象如下：地下不同深度上的土壤溫度（見圖2），樁埋、井埋進(jìn)出口水溫、流量，以及機(jī)組和水泵等功率。
3土壤冷熱量平衡分析
截至到本文完成時，共取得兩個制冷季（2003-7-11到2003-9-7與2004-6-1到2004-9-21）和兩個供暖季（2003-11-17到2004-3-16與2004-11-11到2005-3-22）的完整運(yùn)行數(shù)據(jù)。建筑總面積為3715m2，夏季設(shè)計冷負(fù)荷320kW，冬季設(shè)計熱負(fù)荷147kW。通過處理所得數(shù)據(jù)，得到整個系統(tǒng)運(yùn)行兩年來向地下排熱量與從地下取熱量見表1。數(shù)據(jù)處理方法見參考文獻(xiàn)[3]。
表1冬夏季地源熱泵系統(tǒng)向土壤排/從土壤取熱量
運(yùn)行時間2003年夏季2003-2004年冬季2004年夏季2004-2005年冬季排熱量/kWh（kWh）110045.6—98831.3—取熱量/kWh（kWh）—45685.3—68854.9
從上表可以看出，該地源熱泵系統(tǒng)夏季向地下排熱量明顯大于冬季從地下取熱量，其中以2003年夏季排熱量與2003到2004年冬季取熱量相差最大。
4地下土壤溫度變化
從圖3可以看到，土壤溫度隨制冷季不斷升高，隨供暖季不斷降低。圖中也可以看出巨大的排取熱量差值使土壤平均溫度有升高的趨勢。經(jīng)過第一個全年運(yùn)行（2003夏季與2003到2004冬季），7點(diǎn)溫度升高了0.6℃，第二年后又升高了0.3℃，可見這種升高的趨勢在減小。定性分析，土壤溫度升高會有利于地源熱泵系統(tǒng)冬季供暖運(yùn)行，不利于夏季制冷運(yùn)行。
5制冷運(yùn)行對比分析
5.1地下排熱、室內(nèi)取熱以及機(jī)組功率比較
2003年夏季由于系統(tǒng)處于測試運(yùn)行階段，運(yùn)行時間較2004年夏季短，但是2003年實(shí)際室內(nèi)制冷負(fù)荷、機(jī)組功率以及地下排熱明顯大于2004年同期水平，這不僅與天氣、建筑物裝修等因素有關(guān)，還與建筑物實(shí)際使用情況相關(guān)。制冷負(fù)荷的不同導(dǎo)致機(jī)組總功率的不同。整個系統(tǒng)中共有額定制冷功率159.3kW電機(jī)輸入功率35.8kW機(jī)組兩臺，03年大部分運(yùn)行時間兩臺機(jī)組同時工作，而04年大部分時間僅有一臺在工作。
5.2機(jī)組以及系統(tǒng)性能系數(shù)比較
2003年機(jī)組COP較2004年低，但系統(tǒng)COP較2004年高。究其原因，2003年兩臺機(jī)組共同承擔(dān)制冷負(fù)荷，但每臺機(jī)組均不是工作在額定負(fù)荷下，導(dǎo)致機(jī)組效率下降。由于地下環(huán)路以及用戶末端環(huán)路采用定流量循環(huán)，因此，在循環(huán)水泵功率不變情況下，實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷相對較小的2004年系統(tǒng)性能較低一些。
6供暖運(yùn)行對比分析
6.1地下取熱、室內(nèi)供熱以及機(jī)組功率比較
從圖6看出，兩季供暖運(yùn)行均表明，埋管換熱能力大體隨著運(yùn)行時間的增加而減弱。2004年實(shí)際室內(nèi)供熱負(fù)荷較2003年大，因此在運(yùn)行時間相差不多的情況下，2004年從地下取熱量大于2003年。
6.2機(jī)組以及系統(tǒng)性能系數(shù)比較
從圖7中可以看到，2003年性能系數(shù)大體隨運(yùn)行不斷下降，前半段機(jī)組和系統(tǒng)COP值均較2004年高，后半段較2004年低。這與定性分析冷熱負(fù)荷不平衡對地源熱泵機(jī)組以及系統(tǒng)供暖性能影響所得結(jié)果不一致。參看圖6室內(nèi)供熱以及地下取熱功率變化情況，說明機(jī)組以及系統(tǒng)性能受機(jī)組實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷影響較大，受地下土壤溫度影響較小。另外，系統(tǒng)cop較機(jī)組cop低很多的主要原因是設(shè)計時循環(huán)水泵選取過大所致。
7結(jié)論
1）埋地?fù)Q熱器夏季排、冬季取熱量存在較大差值時會使周圍土壤平均溫度明顯升高，但升高趨勢逐漸變??；
2）在本系統(tǒng)中，埋地?fù)Q熱器周圍土壤溫度變化對系統(tǒng)運(yùn)行性能影響較實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷影響程度小；
3）地源熱泵系統(tǒng)在冬、夏兩季運(yùn)行良好，在滿足用戶需求的同時，節(jié)約常規(guī)能源效果顯著，值得在我國廣大地區(qū)進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
1.李新國.埋地?fù)Q熱器內(nèi)熱源理論與地源熱泵運(yùn)行特性研究[D].天津：天津大學(xué)，2004.6.
2.宋著坤，趙軍等.地源熱泵冬夏兩季運(yùn)行性能分析與實(shí)驗研究[J].流體機(jī)械，待發(fā)表.
3.張春雷.U型管地源熱泵系統(tǒng)性能及地下溫度場的研究[D].天津：天津大學(xué)，2005，1.