陳金華，龔皓玥，包修碧，夏 磊

(1．重慶大學(xué) 低碳綠色建筑國(guó)際聯(lián)合研究中心,重慶 400045；2．重慶大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400045；3．宿遷市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇 宿遷 223800)

近年來(lái)，隨著能源供應(yīng)趨緊，可再生能源的發(fā)展和利用越來(lái)越受到人們的重視.土壤源熱泵系統(tǒng)作為可再生能源利用的關(guān)鍵技術(shù)之一，自20世紀(jì)90年代初在我國(guó)開(kāi)始示范應(yīng)用以來(lái)，以20%以上的速度推廣[1].尤其在冷、熱負(fù)荷均有需求的地區(qū)，以及因條件限制不能使用煤、電、燃?xì)獾冗M(jìn)行供冷、制熱的地區(qū)有較好的適用性.土壤源熱泵系統(tǒng)通過(guò)地埋管換熱器與大地傳熱來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷和供熱，而地埋管換熱器的初投資約占系統(tǒng)總初投資的30%[2].因此，對(duì)地埋換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高地埋管換熱器的換熱效率，是降低土壤源熱泵系統(tǒng)成本以及推動(dòng)該技術(shù)廣泛應(yīng)用的重要途徑.

由于土壤源熱泵地埋管換熱器的進(jìn)回水管內(nèi)流體之間存在溫差，且相距較近，就會(huì)導(dǎo)致 “熱短路”現(xiàn)象，從而使地埋管換熱器的換熱量減小，降低系統(tǒng)的換熱效率[3].為了抑制或減弱“熱短路”對(duì)土壤源熱泵地埋管換熱器性能的影響，有學(xué)者提出對(duì)距地表一定深度范圍內(nèi)的上升管外添加一定厚度的絕熱保溫套[4-5].近年來(lái)，土壤源熱泵系統(tǒng)的實(shí)測(cè)研究所提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及實(shí)際運(yùn)行控制的作用較小.地埋管換熱器是否應(yīng)采取保溫措施已有研究中還存在以下的缺陷：1)研究對(duì)象僅為單U形地埋管換熱器；2)使用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)多為單位井深換熱量、平均傳熱系數(shù)、平均埋管熱阻以及機(jī)組或系統(tǒng)的性能參數(shù)[6-7]；3)缺乏全年運(yùn)行期間的保溫?fù)Q熱影響數(shù)據(jù).

本文從雙U地埋管換熱器深度方向上的溫度分布特點(diǎn)及變化規(guī)律的角度，探討回水管保溫對(duì)地埋管的供水溫度、回水溫度和換熱能效的影響，直觀地反映回水管保溫的價(jià)值.并期望把該土壤源熱泵系統(tǒng)案例實(shí)測(cè)的研究方法和相關(guān)結(jié)論推廣到不同氣象和水文地質(zhì)條件的地區(qū)，為土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的運(yùn)行及設(shè)計(jì)提供可靠的實(shí)測(cè)基礎(chǔ).

1 層換熱理論

層換熱理論是根據(jù)流經(jīng)地埋管的流體溫度分布規(guī)律與周?chē)寥罍囟确植家?guī)律，從自然地表至管底深度范圍內(nèi)將地埋管換熱器的換熱情況分為3區(qū)換熱模型[8]，如式(1).

L=Ls+Lt+Ln．

(1)

式中：L為地埋管換熱器的埋設(shè)深度，m；Ls為飽和換熱層深度，m；Lt為換熱層深度，m；Ln為未換熱層深度，m.

這3個(gè)換熱層是統(tǒng)一劃分且動(dòng)態(tài)變化的，包括供水管和回水管.巖土累積熱量，其溫度和供水溫度接近，無(wú)工程意義上的換熱發(fā)生的區(qū)域稱(chēng)為飽和換熱層；供水與巖土具有溫差，大量換熱發(fā)生的區(qū)域稱(chēng)為換熱層；換熱達(dá)到一定程度后，供水溫度與巖土初始溫度接近，無(wú)工程意義上的換熱發(fā)生的區(qū)域稱(chēng)為未換熱層.在以某供水溫度換熱之初，飽和換熱層尚未形成，Ls=0，從供水管入口開(kāi)始到某一深度為換熱層，剩下為未換熱層；隨著換熱的進(jìn)行，入口處Ls開(kāi)始形成，Lt下移，Ln縮?。蝗糌?fù)荷持續(xù)時(shí)間較短，則Ls較小，Lt不變，且下移深度不大，Ln保持較大；當(dāng)負(fù)荷持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度提高后，Ls逐漸加長(zhǎng)，Lt也增大并持續(xù)下移，Ln逐漸減??；當(dāng)換熱達(dá)到一定程度后，換熱器僅有Ls和Lt，Ln=0，這時(shí)地埋管換熱性能開(kāi)始下降.對(duì)于回水管，未換熱層存在的條件下，未換熱層區(qū)域內(nèi)的換熱器管內(nèi)水溫已經(jīng)和巖土初始溫度一致，回水管沒(méi)有換熱能力；未換熱層消失后，回水管才開(kāi)始換熱.

當(dāng)回水管的水經(jīng)過(guò)供水管的換熱區(qū)時(shí)，由于與周?chē)寥来嬖谝欢ǖ臏夭?，便?huì)發(fā)生熱量交換，產(chǎn)生熱損失.所以對(duì)地埋管的回水管采取保溫措施在理論上對(duì)減輕熱損失是有一定積極作用的.回水管最保險(xiǎn)的保溫長(zhǎng)度Li為L(zhǎng)s與Lt之和，并考慮一定的富裕系數(shù)，可用式(2)計(jì)算，其中，富裕系數(shù)1.02參照熱水管網(wǎng)直埋敷設(shè)的室外管網(wǎng)熱損失系數(shù)1.02～1.06，取其下限[9].

Li=(Ls+Lt)×1.02．

(2)

而在地埋管熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，往往可以通過(guò)控制機(jī)啟停臺(tái)數(shù)或地埋管的開(kāi)啟數(shù)量實(shí)現(xiàn)間歇運(yùn)行，間歇運(yùn)行期便是土壤溫度的恢復(fù)期，期間飽和換熱層深度Ls將縮小且上移，其縮小極限為0，即恢復(fù)到土壤初始溫度；換熱層深度Lt會(huì)相應(yīng)縮小且上移；Ln則增大.所以考慮到系統(tǒng)運(yùn)行期間有間歇期的存在，回水管最合理保溫長(zhǎng)度Li為L(zhǎng)t的深度值，并考慮一定的富裕系數(shù)[9]，可用式(3)計(jì)算:

L=Lt×1.02．

(3)

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

基于層換熱理論，本文針對(duì)某綜合辦公建筑，對(duì)其土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行全年、連續(xù)地埋管換熱測(cè)試.該實(shí)驗(yàn)建筑位于重慶市沙坪壩區(qū)，主要分為外訓(xùn)和學(xué)生宿舍兩部分.建筑高度約為21.2 m，地下一層，地上5層，功能包括住宿、餐飲、教學(xué)、辦公、會(huì)議等.空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為580.817 kW，熱負(fù)荷為447.076 kW，完全由土壤源熱泵系統(tǒng)承擔(dān).地埋管換熱器采用并聯(lián)垂直雙U埋管，管材采用高承壓管材PE100，管徑為de32，井深100 m，孔徑130 mm，共有119口鉆井，孔間距6 m，分為3個(gè)管群，其換熱場(chǎng)區(qū)以換熱性能良好的沙巖、砂質(zhì)泥巖為主.

本工程熱響應(yīng)測(cè)試在測(cè)試完原始地溫后，進(jìn)行了雙U管夏季工況測(cè)試，通過(guò)測(cè)試儀器，使得進(jìn)地埋管換熱器的進(jìn)水溫度基本穩(wěn)定在33.5～34.5 ℃左右，流量為1.9 m3/h，流速為0.5 m/s.熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果如圖1所示．開(kāi)始運(yùn)行前，原始地溫由地下深度為1 m時(shí)的24.8 ℃降低為地下深度為20 m時(shí)的19.3 ℃；在地下深度20～90 m內(nèi)，地溫相對(duì)穩(wěn)定在18.8～19.5 ℃.從開(kāi)始持續(xù)運(yùn)行24 h時(shí)，地溫變化較大，從各層初始地溫19～25 ℃變化到29～31 ℃.當(dāng)持續(xù)運(yùn)行到31 h后，各層地溫基本穩(wěn)定在31～33 ℃左右，與原始地溫相比，平均上升了10 ℃左右.

測(cè)點(diǎn)位置/m

本工程為外訓(xùn)和學(xué)生宿舍，負(fù)荷特征與居住建筑相近，每日的19∶00到次日8∶00為主要負(fù)荷時(shí)間，其他時(shí)間段內(nèi)仍有負(fù)荷時(shí)間，但負(fù)荷強(qiáng)度較低[10].該工程持續(xù)31 h滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行的情況較少，所以參照累積運(yùn)行24 h的平均地溫變化曲線(xiàn)，初步分析該地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的三區(qū)換熱模型：0～5 m受地表溫度影響，波動(dòng)較大；5～10 m溫度變化平緩；10～40 m溫度波動(dòng)呈下降趨勢(shì)；40～60 m的溫度下降趨勢(shì)較緩；60～90 m溫度變化平緩.可分析得出：飽和換熱層處于0～10 m段，Ls=10 m；換熱層處于10～40 m段，Lt=30 m；未換熱層處于40～100 m，Ln=60 m.通過(guò)式(2),(3)計(jì)算，本項(xiàng)目Li=41 m，Li=31 m.結(jié)合已有學(xué)者的研究成果[11-12]，本次實(shí)驗(yàn)采用地埋管回水管保溫方式，保溫材料為柔性泡沫橡塑，保溫厚度取為25 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.033～0.034 W/(m·K)，保溫長(zhǎng)度取30 m.

為更好地對(duì)比分析保溫的效果，本項(xiàng)目測(cè)試對(duì)象為保溫、不保溫垂直雙U地埋管換熱器，測(cè)量指標(biāo)為溫度.測(cè)溫點(diǎn)布置在地埋管的供水管、回水管上的深度為5 m，10 m，15 m，20 m，30 m，40 m，80 m和100 m處，共16個(gè)有效溫度測(cè)點(diǎn)，如圖2所示.溫度傳感器采用T型(銅-康銅)熱電偶，變送器采用美國(guó)安捷倫34970A型數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔設(shè)置為5 min，顯示器為筆記本電腦.熱電偶采用恒溫水箱法，通過(guò)測(cè)試范圍0～50 ℃，精度為0.1 ℃的精密水銀溫度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，并擬合了溫度校正曲線(xiàn)以及校正函數(shù).

測(cè)點(diǎn)位置(m)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

編號(hào)“P1”代表回水管不保溫雙U地埋管換熱器，編號(hào)“P2”代表回水管保溫雙U地埋管換熱器.“G5”表示地埋管豎直方向上距自然地表深度為5 m處的供水管測(cè)溫點(diǎn)，“H5” 表示為地埋管豎直方向上距自然地表深度為5 m處的回水管測(cè)溫點(diǎn).其他測(cè)溫點(diǎn)編號(hào)的含義以此類(lèi)推.通過(guò)校正函數(shù)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)修正，并剔除實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的壞值后，從不同時(shí)刻地埋管水溫、同一月份地埋管平均水溫和同一工作季度地埋管平均水溫這3個(gè)方面，對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析.

3.1 不同時(shí)刻地埋管水溫

為了更清晰地反映各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度隨工作時(shí)間的變化規(guī)律，典型日的數(shù)據(jù)以小時(shí)為單位取其平均值，時(shí)間間隔取6 h.夏季典型日為7月31日，測(cè)試工況為3臺(tái)冷卻泵開(kāi)啟，開(kāi)2個(gè)管群，單口地埋管換熱器流量為2.16 m3/h，流速為0.91 m/s.對(duì)采樣時(shí)間段為8∶00～次日8∶00的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，描繪P1，P2的水溫變化曲線(xiàn)，如圖3和圖4所示.

測(cè)點(diǎn)位置

測(cè)點(diǎn)位置

冬季典型日為2月17日，測(cè)試工況為3臺(tái)冷卻泵開(kāi)啟，開(kāi)3個(gè)管群，單口地埋管換熱器流量為1.12 m3/h，流速為0.51 m/s.對(duì)采樣時(shí)間段為8∶30～次日8∶30的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，描繪P1，P2的水溫變化曲線(xiàn)，如圖5和圖6所示.

由圖3、圖4可以看出，在夏季典型日內(nèi)，P1和P2的水溫變化趨勢(shì)大致相同，并且供水管變化幅度要比回水管大.地埋管供水管在距自然地表5～15 m段，P1在8∶00～20∶00時(shí)段內(nèi)溫度下降幅度較大，在次日2∶00～次日8∶00時(shí)段內(nèi)溫度下降幅度平緩，而P2在整個(gè)測(cè)試時(shí)段內(nèi)溫度下降幅度均較為平緩，該段為飽和換熱層；在距自然地表15～40 m段，P1，P2的測(cè)點(diǎn)水溫均隨著深度的增加呈下降趨勢(shì)，該段為換熱層；在距自然地表40～100 m段，P1，P2的測(cè)點(diǎn)水溫變化幅度較為平緩，該段為未換熱層.地埋管同一深度測(cè)點(diǎn)水溫隨時(shí)間的變化規(guī)律基本相同，機(jī)組大部分時(shí)間處于供冷狀態(tài)，地埋管累積負(fù)荷在8∶00～次日8∶00時(shí)段內(nèi)持續(xù)增加，水溫呈上升趨勢(shì).

測(cè)點(diǎn)位置

測(cè)點(diǎn)位置

由圖5、圖6可以看出，在冬季典型日內(nèi)，P1和P2的水溫變化趨勢(shì)大致相同，并且供水管變化幅度要比回水管大.地埋管供水管在距自然地表5～10 m段，P1在14∶30～20∶30時(shí)段內(nèi)溫度上升幅度平緩，在其余時(shí)段內(nèi)溫度上升幅度較大，而P2在14∶30～次日2∶30時(shí)段內(nèi)溫度上升幅度平緩，在其余時(shí)段內(nèi)溫度上升幅度較大，該段為飽和換熱層；在距自然地表10～40 m段，測(cè)點(diǎn)水溫均隨著測(cè)點(diǎn)深度的增加呈上升趨勢(shì)，該段為換熱層；在距自然地表40～100 m段，測(cè)點(diǎn)水溫變化幅度較為平緩，該段為未換熱層.地埋管同一深度測(cè)點(diǎn)水溫隨時(shí)間的變化規(guī)律基本相同，由于建筑負(fù)荷特點(diǎn)，在8∶30～20∶30時(shí)段內(nèi)末端負(fù)荷增加，地埋管累積負(fù)荷持續(xù)增加，水溫呈下降趨勢(shì)；在次日2∶30～次日8∶30時(shí)段內(nèi)末端負(fù)荷減少，地埋管累積負(fù)荷逐漸減小，水溫呈上升趨勢(shì)，并且該趨勢(shì)在供水管0～30 m段以及回水管0～10 m段較為明顯.

3.2 同一月地埋管平均水溫情況

分別取夏季最熱月和冬季最冷月的雙U地埋管實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.夏季運(yùn)行時(shí)，取7月份的月平均溫度進(jìn)行分析，冬季運(yùn)行時(shí)，取2月份的月平均溫度進(jìn)行分析，并描繪其水溫變化曲線(xiàn)，如圖7所示.

由圖7可以看出，7月土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期間，P1和P2的水溫變化趨勢(shì)大致相同，并且供水管變化幅度要比回水管大.飽和換熱層處于距自然地表5～15 m段；換熱層處于距自然地表15～40 m段；未換熱層處于距自然地表40～100 m段.由于熱短路現(xiàn)象，在距自然地表5～30 m段，P1供水管上各測(cè)點(diǎn)溫度比P2總體偏低，P1回水管上各測(cè)點(diǎn)溫度比P2總體偏高； P1，P2上其余測(cè)點(diǎn)溫度相近，但P1的測(cè)點(diǎn)溫度略高些，兩溫度分布曲線(xiàn)在G30～G40段出現(xiàn)交點(diǎn).

測(cè)點(diǎn)位置

2月土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期間，P1，P2的月平均水溫分布曲線(xiàn)大致相同.飽和換熱層處于距自然地表5～10 m段；換熱層處于距自然地表10～30 m段；未換熱層處于距自然地表30～100 m段.由于熱短路現(xiàn)象，在距自然地表5～30 m段， P1供水管上各測(cè)點(diǎn)溫度比P2總體偏高；P1，P2上其余測(cè)點(diǎn)溫度相近，但P1的測(cè)點(diǎn)溫度略低，兩溫度分布曲線(xiàn)在接近G30處出現(xiàn)交點(diǎn).

3.3 同一季地埋管平均水溫情況

在土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期間，分別取夏季、冬季系統(tǒng)運(yùn)行期間的雙U地埋管實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行分析，并描繪其水溫變化曲線(xiàn)，如圖8所示.

測(cè)點(diǎn)位置

由圖8可以看出，土壤源熱泵系統(tǒng)制冷季期間，P1，P2的季平均水溫變化趨勢(shì)和3區(qū)換熱模型均同系統(tǒng)最熱月運(yùn)行期間的大致相同.由于熱短路現(xiàn)象，在距自然地表5～40 m段，P1供水管上各測(cè)點(diǎn)溫度比P2總體偏低，P1回水管上各測(cè)點(diǎn)溫度比P2總體偏高； P1，P2上其余測(cè)點(diǎn)溫度相近，但P1的測(cè)點(diǎn)溫度略高些，兩溫度分布曲線(xiàn)在G40處出現(xiàn)交點(diǎn).

土壤源熱泵系統(tǒng)制熱季期間， P1，P2的季平均水溫變化趨勢(shì)和3區(qū)換熱模型均同系統(tǒng)最冷月運(yùn)行期間的大致相同.由于熱短路現(xiàn)象，在距自然地表5～30 m段，P1供水管上各測(cè)點(diǎn)溫度比P2總體偏高； P1，P2上其余測(cè)點(diǎn)溫度相近，但P1的測(cè)點(diǎn)溫度略低，兩溫度分布曲線(xiàn)在G20～G30處出現(xiàn)交點(diǎn).

4 基于層換熱理論的地埋管保溫?fù)Q熱性能分析

采用換熱器效能εΛ[13]來(lái)衡量“熱短路”對(duì)地埋管換熱器的影響，換熱器效能是指在同樣的運(yùn)行條件下，地埋管換熱器的實(shí)際換熱量與最大換熱量之比，如式(4)所示.

(4)

式中：ρ為進(jìn)出水平均溫度下的密度，kg/m3；Cp為水的定壓比熱，取4.19 kJ/(kg·℃)；V為循環(huán)水流量，m3/h；ti為地埋管換熱器進(jìn)水平均溫度，℃；to為地埋管換熱器出水平均溫度，℃；tmax為地埋管換熱器進(jìn)水最高溫度，℃；tmin為地埋管換熱器進(jìn)水最低溫度，℃.

(5)

式中：εΛi為保溫地埋管換熱器效能；εΛn為不保溫地埋管換熱器效能；Δti為保溫地埋管換熱器進(jìn)出水溫差，℃；Δtn為不保溫地埋管換熱器進(jìn)出水溫差，℃.

考慮本實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的局限性以及一定的水溫波動(dòng)幅度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目飽和換熱層深度Ls=5～15 m，換熱層深度Lt=20～30 m，未換熱層深度Ln=60 m.Ls按最不利條件取15 m ，Lt按最不利條件取30 m，則由式(2)計(jì)算的回水管Li= 46 m，則由式(3)計(jì)算的回水管Lr= 31 m.本實(shí)驗(yàn)地埋管保溫長(zhǎng)度與最合理保溫長(zhǎng)度相近.本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地埋管換熱層的變化主要集中于供水管飽和換熱層和換熱層，結(jié)合該變化規(guī)律，分別將地埋管不同運(yùn)行期間的換熱效能匯總列于表1,表2.

表1 夏季地埋管換熱能效分析

表2 冬季地埋管換熱能效分析

由表1可看出，典型日7月31日8∶00～次日8∶00，地埋管換熱持續(xù)進(jìn)行，飽和換熱層在增加，土壤所承受的累積負(fù)荷在增加，不保溫地埋管P1的換熱能效呈下降趨勢(shì)，而保溫地埋管P2換熱能效保持在0.65左右，ε'Λ持續(xù)提升，由9.68%增加到21.23%.月平均和季平均所分析的是當(dāng)月、當(dāng)季的平均效果，得到的是負(fù)荷的累積效果，7月平均ε'Λ上升到28.57%，制冷季平均ε'Λ上升到41.48%.可以看出，回水管保溫對(duì)換熱能效的提高有顯著影響.

由表2可看出，典型日2月17日08∶30～14∶30，地埋管換熱開(kāi)始，機(jī)組逐漸達(dá)到滿(mǎn)載運(yùn)行，P1，P2的換熱能效呈上升趨勢(shì)，能效比較系數(shù)ε'Λ持續(xù)提升，由3.63%增加到5.41%.14∶30～次日2∶30，地埋管換熱持續(xù)進(jìn)行，飽和換熱層在增加，土壤所承受的累積負(fù)荷在增加，不保溫地埋管P1的換熱能效呈下降趨勢(shì)，而保溫地埋管P2換熱能效保持在0.5左右，能效比較系數(shù)ε'Λ持續(xù)提升由5.41%增加到11.81%.次日2∶30～8∶30，負(fù)荷逐漸減少，飽和換熱層在縮小，土壤所承受的累積負(fù)荷在減小，不保溫地埋管P1的換熱能效呈上升趨勢(shì)，而保溫地埋管P2換熱能效呈下降趨勢(shì)，ε'Λ降到4.75%.月平均和季平均所分析的是當(dāng)月、當(dāng)季的平均效果，得到的是負(fù)荷的累積效果，2月平均ε'Λ上升到23.08%，制熱季平均ε'Λ上升到40.54%，可以看出回水管保溫對(duì)換熱能效的提高有顯著影響.

由上述分析可以得出，本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所確定的最合理保溫長(zhǎng)度能緩解地埋管換熱器的“熱短路”問(wèn)題，達(dá)到其保溫效果.尤其是在累積負(fù)荷期較長(zhǎng)的情況下，累積負(fù)荷越大，回水管保溫的效果越明顯，越有利于實(shí)現(xiàn)地埋管換熱器冬季“高溫”出水，夏季“低溫”出水，對(duì)供回水溫差的提高有顯著影響，進(jìn)而提高地埋管的換熱能力.

地埋管換熱器的流量會(huì)影響地埋管的換熱情況，所以本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目夏季地埋管的3區(qū)換熱模型與熱響應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析出的結(jié)果不同，實(shí)際飽和換熱層增加，換熱層下移，可能會(huì)影響保溫層的保溫效果.而且本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目夏季負(fù)荷大于冬季負(fù)荷，隨著運(yùn)行時(shí)間的持續(xù)，負(fù)荷的累積，夏季地埋管的換熱能效大于冬季地埋管，夏季地埋管飽和換熱層的下移速度也比冬季快，夏季地埋管的保溫性能也比冬季的明顯，同等運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的能效比較系數(shù)ε'Λ也較大.針對(duì)其余地區(qū)的土壤源熱泵系統(tǒng)，“熱短路”問(wèn)題是普遍存在的，回水管保溫是解決該問(wèn)題的有利措施.在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在熱響應(yīng)測(cè)試時(shí)詳細(xì)測(cè)試不同運(yùn)行工況下的地溫變化情況，并根據(jù)土壤換熱特性、經(jīng)濟(jì)政策以及對(duì)冷熱負(fù)荷需求的不同等因素，通過(guò)理論計(jì)算合理確定土壤源熱泵地下?lián)Q熱器的各換熱層長(zhǎng)度，進(jìn)而確定合理的回水管保溫長(zhǎng)度.

5 結(jié) 論

本文基于層換熱理論，以重慶某實(shí)際工程為例，對(duì)其實(shí)際運(yùn)行狀況下的地埋管換熱器供回水管不同深度的水溫進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，從不同時(shí)刻地埋管平均水溫和地埋管換熱器能效兩個(gè)方面對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，研究了回水管保溫與不保溫時(shí)垂直雙U地埋管換熱器的全年換熱情況，分析得出如下結(jié)論：

1)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出，本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目飽和換熱層深度Ls=5～15 m，換熱層深度Lt=20～30 m，未換熱層深度Ln=60 m.

2)回水管保溫?fù)Q熱器P2的不同時(shí)刻換熱能效、月平均換熱能效、工作季(制冷季、制熱季)平均換熱能效均比回水管不保溫?fù)Q熱器P1高.其中不同時(shí)刻換熱能效冬季高出3.63%～11.81%，夏季高出9.68%～26.23%；月平均換熱能效高出23.08%～28.57%；季平均換熱能效高出40.54%～41.48%.

3)可通過(guò)完善土壤源熱泵熱響應(yīng)測(cè)試，分析得出系統(tǒng)地埋管換熱器的3區(qū)換熱模型，從而確定回水管保溫長(zhǎng)度.回水管最保險(xiǎn)的保溫長(zhǎng)度Li為L(zhǎng)s與 Lt之和，并考慮一定的富裕系數(shù)；最合理保溫長(zhǎng)度Lr為L(zhǎng)t的深度值，并考慮一定的富裕系數(shù).本項(xiàng)目Li=46，Lr=31 m.

[1] 孫友紅,仲崇梅,王慶華. 中國(guó)地源熱泵技術(shù)應(yīng)用及進(jìn)展[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(10):30-34.

SUN You-hong,CHONG Chong-mei,WANG Qing-hua.Progress and application of ground source heat pump technology in China [J]. Exploration Engineering(Drilling & Tunneling), 2010,37(10):30-34. (In Chinese)

[2] PETI P J, MEYER J P.Economic potential of vertical ground -source heat pump compared to air-source air conditioners in south Africa[J].Energy, 1998,23(2):137-143.

[3] 楊衛(wèi)國(guó),王京.地源熱泵系統(tǒng)熱短路分析[J].建筑節(jié)能,2008,36(2):12-14.

YANG Wei-guo,WANG Jing. Thermal short- circuiting analysis on groud source heat pump[J].Energy, 2008,36(2):12-14. (In Chinese)

[4] 廖全，周超，崔文智.豎直U型地埋管換熱器熱短路抑制措施的分析[J].熱能動(dòng)力工程,2012，27(6)：715-720.

LIAO Quan,ZHOU Chao,CUI Wei-zhi.Analysis of the measures to prevent the thermal shortcut of a vertical U-shaped embedded tube heat exchanger[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2012，27(6)：715-720. (In Chinese)

[5] PIECHOWSKI M. Heat and mass transfer model of a ground heat exchanger: validation and sensitivity analysis[J]. Int J of Energy Res,1998,22: 965-979.

[6] 袁建東.地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用和系統(tǒng)優(yōu)化[J]. 建筑節(jié)能,2010,38(7):33-39.

YUAN Jian-dong. Application of ground source heat pump system and system optimization[J].Building Energy Efficiency, 2010,38(7):33-39. (In Chinese)

[7] 王明國(guó).地源熱泵系統(tǒng)工程案例分析[D].重慶:重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境學(xué)院,2007:7-11.

WANG Ming-guo.Analysis on the ground-source heat pump systems engineering case[D]. Chongqing：Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering，Chongqing University,2007:7-11. (In Chinese)

[8] 王勇,劉方,付祥釗.基于層換熱理論的豎直地埋管換熱器設(shè)計(jì)方法[J].暖通空調(diào),2007,3(9):35-40.

WANG Yong,LIU Fang,FU Xiang-zhao. Design of vertical ground heat exchangers based on a layer heat transfer theory[J] HV &AC,2007,3(9):35-40. (In Chinese)

[9] 陸耀慶．實(shí)用供暖空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008：597-750.

LU Yao-qing．Practical handbook of heating and air conditioning design[M]. Beijing: China Architecture & Building Press,2008:597-750. (In Chinese)

[10]王勇.動(dòng)態(tài)負(fù)荷下地源熱泵性能研究[D]. 重慶:重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境學(xué)院,2006:15-19.

WANG Yong.Study on performance of ground source heat pumps under dynamic load[D]. Chongqing:Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering,Chongqing University,2006:15-19. (In Chinese)

[11]楊李寧,付祥釗,張明艷.關(guān)于垂直U型巖土換熱器熱屏障的研究[J].暖通空調(diào),2010, 38(11):18-21.

YANG Li-ning,FU Xiang-zhao, ZHANG Ming-yan. Hot- barrier of single U-shaped vertical soil heat exchanger[J]. HV &AC,2010, 38(11):18-21. (In Chinese)

[12]石文.地源熱泵系統(tǒng)地埋換熱器熱短路問(wèn)題的研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,2010:40-54.

SHI Wen.The research on the thermal short-circuiting of ground source heat pump system[D].Wuhan: School of Urban Construction ,Wuhan University of Science and Technology,2010:40-54. (In Chinese)

[13]SVEC O J. Potential of ground-coupled heat source system [J]. International Journal of Energy Research,1987(4):571-581.