張占輝，王恩宇，耿 磊，陳宇樸，齊承英

（河北工業(yè)大學 能源與環(huán)境工程學院，天津 300401）

地源熱泵系統(tǒng)運行參數(shù)及土壤溫度變化特性分析

張占輝，王恩宇，耿 磊，陳宇樸，齊承英

（河北工業(yè)大學 能源與環(huán)境工程學院，天津 300401）

以天津某辦公樓地源熱泵系統(tǒng)為研究對象，通過采集土壤溫度、地源側取熱量、負荷側供熱量、機組耗電量、水泵耗電量等實測的數(shù)據(jù)，初步分析了熱泵設定溫度（ST），水泵頻率（PF）等因素對于土壤溫度、機組性能系數(shù)（COP）及系統(tǒng)性能系數(shù)的影響．結果表明，在滿足室內熱負荷的前提下，當熱泵設定溫度從42℃降低至40℃范圍內，每降低1℃，可以減小地下取熱量7.80%，系統(tǒng)性能系數(shù)提升3.66%；當水泵頻率從40Hz降低至30Hz范圍內，每降低5Hz，可以減小地下取熱量7.72%，系統(tǒng)性能系數(shù)提升2.64%．對于熱負荷占優(yōu)的公共建筑，可以通過調節(jié)地源熱泵機組的設定溫度或循環(huán)水泵頻率，來促使土壤溫度向著有利于機組高效運行的方向改變，并保證系統(tǒng)的長期可靠運行．

地源熱泵；土壤溫度；熱泵設定溫度；水泵頻率；性能系數(shù)

0 引言

地源熱泵作為一項高效節(jié)能、綠色環(huán)保型的空調技術，在國內得到了廣泛的應用．地下土壤作為取熱和排熱的場所，其溫度場直接影響機組的能耗和系統(tǒng)性能指標，因此地源熱泵在實際運行中，地下土壤溫度場一直是國內外學者關注的焦點[1-4]．地源熱泵系統(tǒng)一旦建成，其地埋管形式、地下熱濕遷移、土壤的導熱系數(shù)等對土壤溫度場的影響就不能改變．對土壤溫度有重要影響的因素主要取決于全年累積冷熱負荷[5-6]，土壤溫度場的平衡在一定程度上取決于地下排熱量和取熱量的相對平衡[7]．為了緩解土壤的熱失衡問題，對冷負荷占優(yōu)的建筑常采用熱回收、輔助冷卻塔等技術將多余的冷凝熱合理利用或者直接排入大氣[8-9]；而對于熱負荷占優(yōu)的建筑采用太陽能作為輔助熱源，既可以彌補地源熱泵地下取排熱不平衡問題，又可以加大可再生能源在建筑中的利用[10-11]．在地源熱泵系統(tǒng)實際運行管理中，采用可控間歇運行方式，有利于埋管周圍土壤溫度快速恢復，有效提高淺層地熱能利用率[12-15]．但是如何控制系統(tǒng)的間歇運行及運行參數(shù)設定與調節(jié)問題，鮮有文獻給出實驗研究結果．本文將對熱負荷占優(yōu)的公共建筑，在地源熱泵實際運行中通過調節(jié)設定溫度和水泵頻率來合理的減少地下取熱量，實時控制土壤溫度的變化，以期獲得比較高的系統(tǒng)性能．為保證地源熱泵系統(tǒng)高效及長期穩(wěn)定運行提供指導．

1 項目概況

本項目為河北工業(yè)大學北辰校區(qū)節(jié)能樓，建筑面積為4 953.4m2，建筑高度22m，地上4層，朝向為南北向且偏東21°．該空調系統(tǒng)為太陽能—地源熱泵系統(tǒng)，在設計時將第4層的熱負荷由太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)（SAGSHPS）來承擔，1～3層熱負荷由地源熱泵機組（GSHPS）來承擔；而夏季冷負荷全部由地源熱泵機組來承擔[10]．地源熱泵系統(tǒng)由一臺螺桿式地源熱泵機組、地源側和負荷側循環(huán)水泵、地埋管換熱器以及定壓裝置和水處理裝置組成[16]．為更加全面地掌握地源熱泵系統(tǒng)的運行性能，在地源熱泵地源側和負荷側各裝一塊CRL-G型超聲熱量表．熱量表數(shù)據(jù)通過無線遠程傳輸?shù)娇照{系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中心服務器上，數(shù)據(jù)采集時間間隔為10 m in，數(shù)據(jù)采集包括：累計熱量、累計流量、供/回水溫度和瞬時流量．地源側和末端側循環(huán)水泵均為變頻泵，可實現(xiàn)25～50Hz變頻．機組耗電量和水泵耗電量由多功能電力儀表測得，電量表數(shù)據(jù)通過Siemens數(shù)據(jù)采集模塊采集并自動保存到數(shù)據(jù)采集室的PC機上．

地埋管換熱器由66口120 m深的換熱孔組成．根據(jù)地質勘查結果，本項目的地埋管熱交換器周圍的巖土以粉質粘土、粉土和部分細砂為主．熱響應測試結果得出，其導熱系數(shù)為1.46W/m℃，120m范圍內土壤的初始平均溫度為14.1℃[10]．為監(jiān)測地源熱泵系統(tǒng)土壤溫度的變化，在地埋管換熱器管壁上綁定熱電阻傳感器，其位置如圖1中黑色圓點所示．熱電阻傳感器型號為Pt1000，測溫精度為0.1℃．由于在土壤中熱量的傳遞是持續(xù)而緩慢的，為了獲得土壤溫度的真實變化規(guī)律，減少換熱過程對溫度的影響，此外還布置了2個測溫孔，如圖1中M 1#、M 2#所示[7]．由于鉆孔的困難，測溫孔相鄰管群間距拉大到6m．

圖1 地埋管熱交換器的換熱孔和測溫孔相對布置圖Fig.1 Distribution of bores forheatexchangeand thermometerof ground heatexchanger

2 熱泵設定溫度的影響分析

為了研究熱泵設定溫度（ST）對土壤溫度以及系統(tǒng)性能系數(shù)的影響．試驗測試時盡量選取了室外環(huán)境相近、水泵頻率、供熱前土壤溫度一定的情況下，具體參數(shù)設置如表1，其中室外溫度指運行時間段內的平均溫度，輻照量是指全天的總輻照量．

表1 熱泵設定溫度試驗時的參數(shù)設置及室外環(huán)境Tab.1 Operation parametersand outdoorenvironment in various setting temperaturesexperiments

2.1 性能變化

從圖2可以看出，隨著熱泵設定溫度的升高，室內供熱量、地下取熱量均隨之增多．這是由于在末端側水泵頻率不變的情況下，熱泵設定溫度升高，冷凝器出口水溫升高，導致末端風機盤管的進水溫度升高，風機盤管的換熱水管與室內換熱空氣的溫差t增大．由于室內的供熱量Q與溫差t成正比，即

由圖2也可以看出，隨著熱泵設定溫度的升高，系統(tǒng)總的能耗增大．在地源泵、末端泵頻率（30Hz）均不變的情況下，起決定性作用的是機組的耗電量，機組的耗電量隨著熱泵設定溫度的升高而增大．這是由于熱泵設定溫度升高，冷媒的冷凝溫度升高，由逆卡諾循環(huán)可知，壓縮機的耗電量增大．機組耗電占系統(tǒng)總耗電的百分比會隨著熱泵設定溫度的不同而不同．當不考慮末端風機盤管的耗電時，系統(tǒng)總耗電等于地源泵耗電、末端泵耗電和機組耗電3項之和．試驗測試結果分析得出，在3種設定溫度下機組耗電占系統(tǒng)總耗電的百分比分別為 91.95%、92.74%、93.12%．可見，機組耗電所占的比重是很大的，機組耗電對系統(tǒng)耗電的影響至關重要．試驗測試結果表明，熱泵設定溫度為40℃、41℃和42℃時，系統(tǒng)總耗電分別為471.5 kW h、547.7 kW h和603.5 kW h．熱泵設定溫度從42℃變?yōu)?0℃的過程中，每降低1℃，可以降低13.17%的耗電量．

圖2 不同熱泵設定溫度下取熱量、供熱量和耗電量比較Fig.2 Comparison of heatextraction,heatsupply and power consumption under differentST

由圖3可知，在相同的熱泵設定溫度下，由于持續(xù)向地下取熱，換熱區(qū)域土壤溫度逐漸下降，導致機組（或系統(tǒng)）COP降低；總的看來，隨著熱泵設定溫度的升高，機組（或系統(tǒng)）COP減小，對應設定溫度為40℃、41℃和42℃，機組COP分別為3.85、3.68和3.55；系統(tǒng)COP分別為3.54、3.41 和3.30．由此可見，隨著設定溫度的提高，機組耗電量的增加幅度要比供熱量增加的幅度要大．試驗工況下，熱泵設定溫度每降低1℃，機組性能系數(shù)提升4.48%，系統(tǒng)性能系數(shù)提升3.66%．

圖3 不同熱泵設定溫度下逐時COP變化曲線Fig.3 Curvesof hourly COPunder differentST

2.2 土壤溫度場分析

換熱孔管壁處的溫度傳感器所測的溫度波動大，在實際運行中換熱區(qū)域（地埋管換熱器管壁周圍）的溫度變化與GSHPS的運行工況有直接的聯(lián)系，土壤溫度隨著流體的換熱而迅速降低，換熱結束后又迅速升高，主要反映短期的土壤溫度變化．由于土壤中熱量的傳遞是持續(xù)而緩慢的，測溫孔的土壤溫度沒有大的波動，與孔間距和熱導率等因素有關，主要反映了中長期土壤溫度的變化情況．

從圖4可以看出，3種設定溫度工況下，供熱前換熱區(qū)域土壤溫度幾乎相同，土壤溫度變化趨勢相同，但設定溫度越高，GSHPS換熱區(qū)域溫度在每1天的變化幅度越大．在熱泵設定溫度40℃時，取熱結束時土壤溫度下降1.59℃．在熱泵設定溫度41℃時，換熱區(qū)域土壤溫度下降1.65℃，比前1天幅度增加0.06℃；在熱泵設定溫度42℃時，換熱區(qū)域土壤溫度下降1.68℃，比前1天幅度增加0.03℃．該結果與前面所述隨設定溫度增大土壤取熱量增加的結果一致．從房間溫度來看，當設定溫度為40℃時，空調房間溫度能維持在20℃左右，設定溫度超過40℃時，房間溫度可達到更高．因此在能滿足室內熱負荷的前提下，在地源熱泵實際運行時，管理者合理的降低熱泵設定溫度，可以減少向地下的取熱量，減緩土壤溫度的下降幅度，并能提高機組和系統(tǒng)的運行能效．

圖4 不同熱泵設定溫度下GSHPS逐時土壤溫度、房間溫度變化曲線Fig.4 Curvesof hourly soil temperatureand room temperatureof GSHPSunder differentST

3 水泵頻率的影響分析

在進行水泵頻率（PF）對土壤溫度以及系統(tǒng)性能系數(shù)的影響研究時，盡量選取了室外環(huán)境相近、機組啟停比、熱泵設定溫度、供熱前土壤溫度一定的情況，具體參數(shù)設置如表2．

表2 水泵頻率試驗時的參數(shù)設置及室外環(huán)境Tab.2 Operation parametersand outdoorenvironment in various pump frequency experiments

3.1 性能變化

由圖5可知，隨著水泵頻率的升高，向室內供熱量、地下取熱量均隨之增多．水泵流量與頻率成正比關系，所以，水泵頻率越高，流量越大．在熱泵設定溫度（40℃）不變的情況下，末端循環(huán)流量增大，末端風機盤管與室內空氣的傳熱系數(shù)K增大．室內的換熱量Q與傳熱系數(shù)K成正比，即

式中：F為末端風機盤管換熱面積，m2；tm為風機盤管內熱水與室內空氣換熱的平均溫差，℃．所以，室內換熱量隨著末端泵頻率的增大而增加．同樣地，蒸發(fā)器側向地下取熱量也隨著地源泵頻率的增大而增加．水泵頻率分別為40 Hz、35 Hz和30Hz時，取熱量分別為1 450 kW h、1 320 kW h和1 250 kW h．水泵頻率每降低5Hz，可以減小向地下取熱7.72%．

由圖5可知，隨著水泵頻率的升高，系統(tǒng)總的能耗增大．由水泵的相似定律可知，水泵流量與耗電功率成三次方關系，所以隨著水泵頻率的升高，耗電功率急劇升高．水泵的耗電量占比分別為8.56%、13.12%、19.42%，水泵的耗電量隨著水泵的頻率升高而所占的比重明顯增大．系統(tǒng)總的能耗分別為522.7 kW h、559.6 kW h、627.2 kW h．水泵頻率每降低5Hz，可以降低9.58%的耗電量．

圖5 不同水泵頻率下取熱量、供熱量和耗電量比較Fig.5 Comparison ofheatextraction,heatsupply and powerconsumption under differentPF

由圖6可以看出，在相同的水泵頻率下，由于持續(xù)向地下取熱，換熱區(qū)域土壤溫度逐漸下降，導致機組（或系統(tǒng)）COP降低；總的看來，隨著水泵頻率的升高，機組COP增大，而系統(tǒng)COP減?。@是由于在熱泵設定溫度不變的情況下，機組的耗電量相對變化不大，末端供熱量隨著水泵頻率的升高而增大，所以導致機組COP增大；但是水泵的耗電量隨著水泵頻率的升高而急劇增大，導致系統(tǒng)COP減小．當水泵頻率為40Hz、35Hz和30Hz時，機組COP分別為3.64、3.55和3.49，系統(tǒng) COP分別為3.04、3.13和3.21．水泵頻率每降低5 Hz，機組COP降低2.12%，但是系統(tǒng)COP提升2.64%．

3.2 土壤溫度場分析

水泵頻率試驗的典型土壤溫度變化與熱泵設定溫度試驗的結果相類似，其結果如圖7所示．3個試驗工況下，開始試驗時的換熱區(qū)域土壤溫度基本相同，約為13.55℃．這是由于地源熱泵系統(tǒng)的運行不是連續(xù)的，當天21:30至轉天7:30期間，熱泵機組不運行，由于土壤具有的溫度恢復能力，當前1天的取熱量比地溫恢復能力小時，土壤溫度可以恢復到原來的水平上[17]．

圖6 不同泵頻下逐時COP變化曲線Fig.6 Curvesof hourly COPunder differentPF

換熱區(qū)域土壤溫度在1 d內的變化幅度隨著水泵頻率設定值的增大而增大．GSHPS水泵頻率為30Hz時，經(jīng)過取熱后土壤溫度下降1.53℃；當GSHPS水泵頻率升高到35Hz時，地源側流量增大，地下取熱量增大，經(jīng)過取熱后土壤溫度下降1.58℃；比前1天幅度增大0.05℃；當GSHPS水泵頻率升高到40Hz時，土壤溫度下降更加嚴重，最終換熱區(qū)域溫度下降1.67℃，比前1天幅度擴大0.09℃．可見水泵頻率越大，土壤溫度下降幅度越大．

從圖7同時看出，在水泵頻率為30Hz時，室內溫度可以達到20℃左右，隨著水泵頻率設定值的增大，室內溫度可達到更高水平．所以在滿足室內負荷的情況下，在地源熱泵實際運行時，管理者合理的降低水泵頻率，可以減少向地下的取熱量，減緩土壤溫度的下降幅度，并能提高系統(tǒng)運行性能系數(shù)．從試驗測試結果來看，水泵頻率從40 Hz變?yōu)?0 Hz的工況下，每降低5 Hz，可以減小向地下取熱7.72%，降低9.58%的耗電量，系統(tǒng)性能系數(shù)提升2.64%．

圖7 不同泵頻下GSHPS逐時土壤溫度、房間溫度變化曲線Fig.7 Curvesof hourly soil temperatureand room temperatureof GSHPSunder differentPF

4 結論

通過進行設定溫度和水泵頻率試驗測試，獲得了熱泵設定溫度及水泵頻率對土壤溫度場及機組（或系統(tǒng)）COP的影響關系，得出結論如下：

1）在滿足室內熱負荷的前提下，合理降低熱泵的設定溫度，有助于土壤溫度的下降幅度減緩，系統(tǒng)性能系數(shù)升高．對本文所研究的系統(tǒng)來說，當熱泵設定溫度從42℃降低至40℃范圍內，每降低1℃可以減小從地下取熱7.80%，降低13.17%的耗電量，機組性能系數(shù)提升4.48%，系統(tǒng)性能系數(shù)提升3.66%．

2）隨著水泵頻率的升高，土壤溫度下降幅度增大．在滿足室內熱負荷的情況下，應該盡量降低水泵頻率，減緩土壤溫度的下降幅度；水泵頻率降低會使機組性能系數(shù)降低，但是系統(tǒng)性能系數(shù)會升高，因此應在兼顧土壤溫度和機組性能系數(shù)的條件下，選擇合適的水泵頻率．對本文所研究的系統(tǒng)來說，水泵頻率從40 Hz變?yōu)?0 Hz的工況下，每降低5 Hz，可以減小地下取熱7.72%，降低9.58%的耗電量，系統(tǒng)性能系數(shù)提升2.64%．

3）本文所述的地源熱泵系統(tǒng)，在試驗環(huán)境條件下，設定熱泵設定溫度為40℃，末端和地源側水泵頻率為30Hz時，可以達到室內溫度要求，系統(tǒng)運行性能系數(shù)可達到3.2以上．

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[責任編輯 田 豐]

Analysison operation parametersand soil temperature variation characteristicsofground-sourceheatpump system

ZHANG Zhanhui，WANG Enyu，GENG Lei，CHEN Yupu，QIChengying

(Schoolof Energy and Environmental Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

This paper analyzes themeasured data such as soil temperature,heatextraction of ground source side,heat supply of load side,powerconsumption ofheatpump unitand powerconsumptionofpumpsofaground-sourceheatpump system(GSHPS)for a business building in Tianjin.The influence of setting temperature(ST)and pump frequency (PF)on the soil temperatureand coefficientof performance(COP)ofheatpump unitorsystem are studied.The results show that theheatextraction ofground source side reduces7.80%w ith 1℃reduction of ST in the caseofmeeting the indoor heat load as ST changes from 42℃to 40℃,and the COPof system increases 3.66%at the same time.Sim ilarly, the heatextraction of ground source side reduces 7.72%w ith 5 Hz of PF,as PF changes from 40 Hz to 30 Hz;and the COP of GSHPS increases 2.64%simultaneously.For the heating-dom inated building,a suitable operation strategy to adjust ST of the ground source heatpump unitand PF of the circulating pump canmake the soil temperature vary in the direction ofhigh efficiency and ensure long-term reliable operation of the system.

ground-sourceheatpump;soil temperature;setting temperatureofheatpump;pump frequency;coefficient of performance

TK51；TK52

A

1007-2373(2016)04-0068-07

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.04.011

2016-05-30

河北省自然科學基金（E2013202122）；教育部留學回國人員科研啟動基金（2013）；天津市科技計劃項目（14TXGCCX00010）

張占輝（1988-），男（漢族），碩士生．

王恩宇（1970-），男（漢族），教授，博士，wey@hebut.edu.cn．