穩定運行的土壤源熱泵系統管群內外土壤溫度場對比分析

劉業鳳 張 峰 楊 標 王 華

(1上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093;2上海綠宛環境設備有限公司 上海 200070)

土壤源熱泵系統又稱地下耦合熱泵系統或地下熱交換器熱泵系統[1]，是利用地下土壤溫度相對穩定的特性，通過消耗電能，在冬天把低位熱源中的熱量轉移到室內用來供熱或加溫，在夏天將室內的余熱轉移到低位熱源中，用來降溫或制冷。同時土壤源熱泵系統還可供應生活用水，可謂一舉三得，是一種有效利用能源的方式。土壤源熱泵系統一般由低位冷熱源系統、熱泵機組、末端系統三個子系統組成[2]。

地埋管換熱器作為土壤源熱泵系統的一個重要組成部分，對于土壤源熱泵系統可靠運行起著至關重要的作用。適當的增加管間距、選擇適合的回填料配方、合理設置地下埋管管群布局都有利于地下埋管換熱[3]。同時土壤的導熱系數、系統運行時間以及工程現場實際狀況對地埋管換熱也會造成一定影響。結合上海某工程實際測試結果對長時間穩定運行的土壤源熱泵系統地埋管管壁、管群內、管群外土壤溫度場進行了對比分析。

1 工程概況及實驗系統簡介

某工程位于上海市楊浦區，共有六層，一層為室內集貿市場、超市，二～六層為商場、辦公樓、美食陳列區、娛樂區及其它綜合區域。其中一層、六層及裙房采用地源熱泵中央空調系統;二層～五層采用18臺RHXYQ16P和3臺RHXYQ12P VRV型主機系統。一層、六層及裙房建筑總冷負荷780kW(供/回水溫度12/7℃)，建筑總熱負荷670.5kW(供/回水溫度45/40℃)。地源熱泵中央空調系統共采用 6臺MWRB130型主機(總制冷量=720kW，總制熱量=840kW)，鉆孔156個，鉆孔直徑300mm，每孔鉆深81m，成孔孔深80m，孔間距4m，垂直埋管主要采用DN32單U型PE100(聚乙烯管)，管孔回填中粗沙。地埋管系統水平管網埋深1.5m，采用同程式，以保證每根埋管的水流量均勻及各埋管系統的水力平衡。地埋管系統冬季最大取熱量682kW，夏季最大釋熱量855.6kW。

實驗系統主要由三部分組成:地下埋管換熱器、WRB型熱泵機組以及空調末端循環系統。熱泵系統于2010年9月開機運行，正常運行期間每天8:00開機，21:00關機。實驗測試方法，在初期施工階段，制定實驗方案，在地埋管施工過程中選擇DN25單U、DN32單U、DN32雙U型PE100三種形式的地埋管。同時在埋管管群內及管群外也分別布置兩個不參與系統運行的閑置埋管作為土壤溫度場測試孔。實驗在此主要針對DN32單U垂直埋管測試孔A、管群內測試孔B、管群外測試孔C采集的數據進行分析。其中A、B、C測試孔的現場位置布置如圖1所示，在A、B、C測試孔地埋管外壁每隔5m進行溫度測點布置，共布置48個鎧裝PT100熱電阻(精度等級A級)，如圖2所示。其中A測試孔為參與系統運行的地埋管，在埋管進水側管外壁布置溫度測點測試系統運行過程中DN32單U型垂直埋管外壁土壤溫度變化;B測試孔布置在正常運行的四個地埋管中心位置，測試垂直地埋管管群內中心位置土壤溫度變化;C測試孔布置在離地埋管管群8m處，測試地埋管管群外土壤溫度變化。

2 實驗結果分析

圖3給出了管群外C測試孔在2011年3月至2012年2月每月15日16:30測試點地下土壤不同深度(10m、20m、40m、60m、80m)一年內溫度變化趨勢(如圖1，因C測試孔布置在地埋管管群外8m處，地下土壤溫度場可能會受管群熱效應的影響，C測試孔測得的溫度在此也只能近似看作測試點的土壤溫度)。

圖1 A、B、C測試孔的位置Fig.1 The test hole position of A，B and C

通過對比可以看出，全年地下10m處土壤溫度變化波動最大，20m處土壤溫度變化波動次之，40m、60m、80m處土壤溫度基本保持恒定;同時對比10m、20m兩條曲線，溫度最高點分別出現在11月15日及12月15日，顯然這并不與上海環境氣溫最高的8月份相一致，說明地下淺層土壤溫度的變化相對于地上環境溫度的變化存在一定的延遲性;對比地下40m、60m、80m的土壤溫度變化曲線可看出在地下40m～80m，隨著土壤深度的增加土壤溫度呈上升趨勢，被測點地下40m～80m的最大溫差0.5℃，且40m～60m溫度變化明顯大于60m～80m的溫度變化。

圖4～圖6給出測試點夏季三個月份某一天系統連續穩定運行10.5h后，某一時間點(2011年7月05日18:30、8月15日18:30、9月20日18:30)A、B、C測試孔土壤溫度變化曲線。

通過圖4～圖6可看出，經過系統的連續長時間穩定運行，管群內B測試孔處地下土壤溫度變化趨勢與A測試孔處地下土壤溫度變化趨勢基本相同。根據圖中三條曲線變化，相同埋深情況下，B測試孔土壤溫度明顯高于C測試孔土壤溫度。分析可知，夏季A測試孔處地埋管換熱器里的循環水是與熱泵主機中的冷凝器換熱，然后將熱量由地埋管換熱器排到土壤中。B測試孔的布置位置，決定了B測試孔處的土壤受周圍長時間穩定運行的地埋管換熱器熱影響強烈，熱集聚效應顯著，導致B測試孔處土壤溫度上升，且同一時間B測試孔處土壤溫度隨埋深的變化趨勢已經明顯不同于C測試孔。相比C測試孔，B測試孔處淺層土壤(≤25m)溫度受地埋管對土壤放熱的影響已明顯高于地面環境溫度對它的影響;深層土壤(30m≤深度≤80m)受地埋管對土壤放熱影響導致B測試孔處土壤溫度已明顯高于相同埋深處C測試孔土壤溫度。

圖2 地下溫度測點布置Fig.2 The underground temperature point arrangement

圖3 不同深度土壤一年內溫度變化趨勢圖Fig.3 Temperature change tendency chart of different soil depth of a year

同時對比圖4～圖6，在7、8、9月三個不同時間點，三幅圖中A、B、C測試孔測點溫度隨埋深變化趨勢基本相同。但比較相同埋深A測試孔地埋管外壁溫度圖5最高，圖6次之，圖4最低。經分析上海8月份環境氣溫最高，室內冷量需求最多，地埋管向地下土壤排熱量最大，從而使得地埋管外壁及周圍土壤溫度升高;而7月初和9月末，環境氣溫相對8月較低，室內冷量需求降低，地埋管在土壤中排熱量相對8月份略小，因此運行中的地埋管外壁土壤溫度相對較低。

圖4 2011年07月05日18:30被測孔處土壤溫度隨地埋深度變化Fig.4 Soil temperature change with soil depth on July 05，2011 18:30

從7月至9月，室內制冷期間，地埋管系統不斷與土壤換熱，使周圍土壤熱量逐漸富集，導致B測試孔，相同埋深土壤溫度隨總制冷時間增加呈上升趨勢，比較相同埋深B測試孔土壤溫度圖6最高，圖5次之，圖4最低。但溫度變化并不明顯(≤1.5℃)。對比三圖，C測試孔淺層土壤(≤25m)相同埋深，溫度受環境溫度影響波動比較大，深層土壤(30≤深度≤80m)相同埋深溫度隨時間基本保持不變。

圖5 2011年08月15日18:30被測孔處土壤溫度隨地埋深度變化Fig.5 Soil temperature change with soil depth on August 15，2011 18:30

圖6 2011年09月20日18:30被測孔處土壤溫度隨地埋深度變化Fig.6 Soil temperature change with soil depth on September 20，2011 18:30

通過對整個系統夏季運行過程中采集的數據分析得知:系統運行10.5h后，A測試孔地埋管外壁5m處與80m處兩測溫點平均溫差－0.7℃，明顯低于系統每天開機運行前0.5h的平均溫差－4.3℃。從傳熱學的角度分析，夏季隨著系統的長時間穩定運行，地埋管周圍土壤熱量不斷富集且不能及時散到管群外土壤中，從而導致地埋管周圍土壤溫度不斷升高，地埋管與土壤之間的換熱溫差不斷減小，換熱效率不斷下降。實驗結果表明，對于連續不間斷運行的土壤源熱泵系統，為保證系統高效率運行應采取間歇性運行模式。

圖7～圖9給出了冬季三個月份系統連續穩定運行10.5h后，某一時間點(2011年12月05日18:30、2012年1月15日18:30、2月20日18:30)A、B、C測試孔處地下土壤溫度變化曲線。

圖7 2011年12月05日18:30被測管表面土壤溫度隨地埋深度變化Fig.7 Soil temperature change with soil depth on December 05，2011，18:30

圖8 2012年01月15日18:30被測管表面土壤溫度隨地埋深度變化Fig.8 Soil temperature change with soil depth on January 15，2012 18:30

圖9 2012年02月20日18:30被測管表面土壤溫度隨地埋深度變化Fig.9 Soil temperature change with soil depth on February 20，2012 18:30

通過圖7～圖9可看出，經過系統的長時間穩定運行，管群內A測試孔處土壤溫度與B測試孔處土壤溫度變化趨勢基本一致，且在相同埋深，A、B測試孔測點溫度均低于C測試孔測點溫度。冬季A測試孔處地埋管換熱器內的循環水與熱泵主機中的蒸發器換熱，將冷量排到土壤中，導致地埋管換熱器周圍土壤溫度降低。隨著系統長時間穩定運行，在相同埋深，A測試孔處管外壁溫度與管群內B測試孔處土壤溫度都較C測試孔處土壤溫度有所降低。與C測試孔溫度變化相比，B測試孔處土壤溫度受周圍長時間穩定運行的地埋管系統換熱影響強烈，土壤產生一定冷量富集，導致溫度下降。

對比圖7～圖9可看出，相同埋深A測試孔土壤溫度圖7最高，圖9次之，圖8最低。這是因為上海地區建筑物1月中旬相對于12月初和2月末室內所需制熱量較大，地埋管向土壤中排冷量較多，使得A測試孔測得的管壁溫度圖8中略低于圖7、圖9。冬季系統長時間穩定運行后，三圖中B測試孔測得的溫度隨埋深的變化趨勢基本一致，但由于受地埋管在淺層土壤與土壤換熱溫差大及環境溫度低的共同影響，使得B測試孔在淺層土壤(≤25m)溫度變化梯度大于在深層土壤中的變化。對比三圖，相同埋深B測試孔的土壤溫度圖7最高，圖8次之，圖9最低。這與冬季隨著總制熱時間增長，地埋管向土壤釋放冷量逐漸增多，導致地下土壤冷量富集，土壤溫度不斷降低所致，但下降幅度并不大(≤1℃)。

從圖中還可以看出，相同埋深C測試孔淺層土壤(≤25m)溫度圖7最高，圖8次之，圖9最低。這是由于冬季地下淺層土壤受地上環境溫度影響且地下土壤溫度相對于地上環境溫度變化存在一定的延遲性所致;深層土壤(30≤深度≤80m)相同埋深溫度隨時間基本保持不變。對比B、C測試孔曲線可以推測出，由于受周圍地埋管不斷向土壤排冷量的影響，B測試孔處土壤溫度已明顯低于相同埋深C測試孔的土壤溫度。

實驗數據表明，系統的長時間穩定運行，導致管群內的土壤與地埋管之間換熱溫差減小，換熱效率明顯衰減。與夏季工況系統長時間穩定運行后，A測試孔埋管外壁5m處與80m處土壤平均溫差為－0.7℃相比，冬季工況系統長時間穩定運行后地下換熱器5m處與80m處土壤平均溫差為2.3℃。忽略埋管與土壤之間的換熱系數受溫度變化的微弱影響，根據夏季和冬季長時間穩定運行的A測試孔埋管外壁5m處與80m處土壤平均溫差的變化可推測出，對于冷負荷大于熱負荷的土壤源熱泵系統長時間穩定運行后，冬季土壤源熱泵系統地埋管在地下的取熱能力明顯高于夏季取冷。

3 結論

通過實驗對比分析夏季和冬季土壤源熱泵系統長時間運行后U型地埋管換熱器管外壁土壤溫度、管群內土壤溫度、管群外土壤溫度三者的變化，得到主要結論如下:

1)當土壤深度≤25m，地下土壤溫度變化波動較大，地下淺層土壤出現最高溫度的時間比地上環境出現最高溫度的時間有所延遲;當80m≥土壤深度≥30m，地下土壤溫度會隨土壤深度增加而升高，波動范圍在0.5℃ ～1℃，且同一溫度測點土壤溫度一年四季基本保持恒定。

2)夏季管群內的土壤溫度會隨著系統的長時間穩定運行而升高，冬季管群內的土壤溫度會隨著系統的長時間穩定運行而降低，這兩種情況都會減小地埋管換熱器與周圍土壤的換熱溫差，導致地埋管換熱器換熱效率下降。

3)實驗數據分析表明，土壤源熱泵的長時間穩定運行會增強地下土壤的熱/冷積聚，對地下管群周圍的溫度場是有影響的，同時也會降低地埋管換熱器與地下土壤的換熱效果。因此，適當增加鉆孔間距，提倡土壤源熱泵系統間歇性運行給地下土壤一定的散熱/散冷的空間和時間是至關重要的。

4)通過對比分析還發現，對于冷負荷與熱負荷不平衡的建筑，單純采用土壤源熱泵系統并使其長期連續穩定運行，地埋管全年向土壤中釋放的熱量與冷量可能并不能相互抵消。若要避免地下土壤總能量不因為地埋管系統長時間的取熱和放熱失去平衡，應給地源熱泵系統采取相應輔助設施，如給系統增加冷卻塔等。

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