冬季工况下地埋管地源热泵系统中大地的自调节能力分析

摘 要：以夏热冬冷地区某实际地埋管地源热泵系统为分析对象，对夏季采用冷却塔供冷而仅冬季采用地埋管和消防水池联合供热的系统运行参数进行了6 a测试。建立了地埋管三维管群模型，通过数值计算方法对地埋管周围岩土的温度分布进行了热平衡分析和计算。通过测试数据与理论计算结果进行对比分析，得到了影响大地自调节能力的影响因素。

关键词：地源热泵；大地自调节能力；热平衡；三维模型

中图分类号：TU831 文献标志码：A

文章编号：16744764（2013）02009208

地源热泵系统已经成为了应用最广泛的“绿色”空调系统，在恰当的管理下，能达到高效和节能的效果，估计全世界有超过110万个已经运行的地源热泵系统[13]。但多数建筑冬夏冷热负荷不同，从而引起地埋管换热器的吸热和放热不平衡，多余的热量或冷量堆积在地下，土壤温度偏离初始温度。目前，对地源热泵系统热不平衡的研究多数集中引起热不平衡的原因及解决措施上，即复合式系统及运行控制策略的研究[46]。

受太阳辐射、大气循环、降水等因素的作用，土壤与大气进行着能量的交换导致土壤温度周期性的日变化和季节变化，其趋势呈现为竖向上的梯度变化[7]。地源热泵系统利用土壤作为系统的低位冷热源，即土壤本身具备一定的能量，可以称为大地能。大地能通过与外界的能量交换调节土壤温度，使得土壤温度按照一定的规律变化。对于地埋管地源热泵系统，建筑负荷通过地埋管向土壤释热或吸热，对原始土壤温度的变化形成一定的外扰，使得土壤温度升高或降低。当输入到土壤中的热量控制在一定的范围内，则土壤温度变化值可以控制在一定范围内。当一个供冷（供热）季结束后，下一个供热（供冷）季开始前，通过大地土壤上下层热量的扩散、地表与大气之间热量传递和辐射换热等自然换热条件下，使得土壤温度能够逐渐基本恢复到初始温度。这种大地抗外扰的能力可以称为大地的自调节能力。

在大地蓄热能力分析中，大地的自然调节能力是不能忽略的[8]。为此，必须正确了解地源热泵系统热平衡率的本质。地源热泵系统利用地埋管进行取热和放热，释放到大地中的热量或冷量因大地的蓄能能力而被储存在大地中。由于蓄冷或蓄热的不平衡可能会导致多年地温偏移初始温度，而影响系统的正常运行。但这种不平衡是以超过大地的自调节能力体现出来的。若不能正确理解热平衡的意义，在工程实施中可能会增加埋管量或其他技术措施来保证大地的热平衡，但这会增加地源热泵系统的初投资，同时也不能保证地源热泵的高效运行。由于地埋管换热是一个复杂的非稳态过程，土壤温度受诸多因素的影响，并不能简单的以建筑冷热负荷的差异来判断土壤热平衡[9]。大多学者以土壤温度的恢复情况来判断土壤的热平衡[1011]，即地源热泵系统运行一个循环周期后土壤温度能够恢复到初始温度则表示系统是热平衡的。影响土壤温度恢复的因素很多，包括对土壤的物性参数、室外气候条件、埋管布置形式、系统的运行方式以及建筑负荷强度等[1213]。由于多种因素的存在，对热平衡的研究显得较为复杂。但研究大地的自调节能力是热平衡研究的基础，因此有必要对大地的自调节能力进行研究。

王 勇，等：冬季工况下地埋管地源热泵系统中大地的自调节能力分析

在夏热冬冷地区，夏季冷负荷大于冬季热负荷，地埋管地源热泵系统是夏季向土壤放热而冬季向土壤取热，研究的重点集中在夏季地埋管换热研究和复合式地源热泵系统的优化与控制研究[1416]，对于只有冬季向土壤取热的地源热泵系统的运行情况研究较少。本文主要是针对夏热冬冷地区某实际工程，在夏季采用冷却塔供冷，而仅冬季采用地埋管取热的地源热泵系统供热的运行模式下，对系统运行参数进行了分析。通过该系统多年的冬季运行数据分析和土壤温度实验测试，并建立了地埋管换热器三维管群模型，利用FLUENT软件计算，讨论和分析大地对释冷量的自调节能力范围。

1 地源热泵工程概况

某医院用地源热泵系统位于夏热冬冷地区的重庆市，该建筑有11层，1～10层主要为病房及医生办公室，11层主要为手术室和医生办公室。夏季全楼最大冷负荷1 650 kW，其中手术室冷负荷208 kW；冬季全楼最大热负荷为759 kW，其中手术室热负荷138 kW。地埋管系统采用DN32聚乙烯管，孔深80 m，设计流量128 L/s，流速0.66 m/s，共240个换热孔，孔间距3 m。

该地源热泵系统2006年冬季开始运行至今。图1为医院地源热泵系统图，11层手术室采用水水热泵机组，热负荷138 kW，其余均采用水空气热泵机组，其中消防水池起减压作用。从负荷大小可以看出，手术室夏季冷负荷相对较小，对地埋管换热的影响较小，可以忽略。根据建筑使用情况，可以认为夏季采用冷却塔供冷，冬季采用地源热泵系统供热。图2为地埋管换热器各测点布置图，地埋管外壁面温度测点布置在进出水管-1、-9、-29 m，以及出水管-59 m处。根据该建筑地源热泵系统的实际使用情况，只有冬季使用地源热泵系统，建筑通过地埋管与土壤的热交换将冷量释放到大地，系统只向大地取热，这与一般夏热冬冷地区地源热泵系统的使用情况不同。为此，本文主要讨论该运行模式下土壤温度的变化，从而分析大地对冷量的自身调节能力。根据DEST软件建模计算该建筑逐时负荷，冬季累积热负荷902 532.92 kWh，累积单位孔深热负荷47 kWh/m，该建筑的的运行热负荷大部分集中在40%～80%的范围。

2 实验数据分析

2.1 多年运行数据分析

项目于2008年建立了较为完整的系统运行数据资料，包括系统的启停状态和末端用户供水温度。根据原始记录数据整理，从2008—2011年冬季供暖期间（12月、1月、2月），冷却水泵一直连续运行，而地埋管循环水泵则间断开启。冬季1月份热负荷最大，选取1月份典型日循环水泵启停情况以及末端用户机组供水温度，见图3。

相关热词搜索： 工况 下地 冬季 调节 大地