於仲义1 邹松2 陈焰华1 雷建平1 胡晓伟1
1 中信建筑设计研究总院有限公司
2 武汉市建筑节能办公室
【摘 要】在38个地源热泵工程地埋管换热过程现场测试的基础上，分析了地埋管换热能效系数分布规律，采用地埋管换热能效均值作为指标对实际地源热泵系统工程使用情况进行评价，研究了地源热泵系统在4种控制方式下的地埋管换热能效特性，提出了地源热泵系统节能运行优化控制方式，以提高地埋管换热能效，降低地源热泵系统耗能量。
【关键词】地源热泵 地埋管 现场测试 换热能效系数 运行控制
Abstract: On the basis of field test in 38 ground-source heat pump projects, analyses the distribution regularity of buried pipe heat tranfser energy efficiency coefficient. Uses the mean value of heat tranfser energy efficiency coefficient as the index to evaluate the actual application result of ground source heat pump system. Studies heat transfer energy efficiency characteristics of buried pipes under four control modes. Presents energy-saving operation optimization control methods for ground source heat pump system in order to improve heat tranfser efficiency of buried pipe and reduce energy consumption of ground source heat pump system.
Keywords: ground-source heat pump, buried pipe, field test, heat tranfser energy efficiency, operation control
0 引言
地源热泵系统是利用置入岩土体中的水平或垂直埋管实现热泵机组和周边岩土体之间的热量交换，来提升利用地下低品位浅层地能进行供冷、供热及供生活热水。对于U形地埋管，从U型管的下降支管沿程流到钻孔底部，再从上升支管沿程流回，从而实现管中流体与其周围岩土体的热量交换。在这过程中，U形地埋管进入到热泵机组的水温极大地影响着整个地源热泵系统的性能。从理论上来说地埋管出口水温可以最大限度地接近岩土体初始温度，但实际上不管是冬季还是夏季，地埋管的出口水温均远离了岩土体初温，这是因为地埋管换热能力不仅仅依赖于自身的几何结构和材料，更与热泵机组提供给地埋管的换热负荷以及周围的岩土体特性密切相关[1] 。
为了量化地埋管换热效果，文献[2]、[3]引入了换热能效系数概念和定义，表征了U型地埋管与周围岩土体连续换热后管中流体出口温度能够达到的最低（夏季工况）或最高（冬季工况）的能力，影响着热泵机组运行效率。本文将在湖北武汉地区地源热泵系统现场测试的基础上，结合地埋管换热能效系数计算依据，分析了地埋管换热能效水平及分布规律，利用地埋管换热能效系数平均值评价地埋管地源热泵技术工程应用，从而为地源热泵系统设计与运行提供依据和建议。
1 测试项目换热能效
1.1 换热能效系数
借鉴传统换热器效能的概念，单个U形地埋管换热器能效系数E，定义为地埋管换热器实际换热量Q与最大理论换热量Q’的比值，其表达式为[2] ：
式中，tin, tout, t0分别为U形地埋管换热器流体进口温度、出口温度、土壤初始温度，℃；G为地埋管内流体的质量流量，kg/s。
对于敷设多个地埋管的管群而言，采用综合换热能效系数Ez进行评析，其定义为地埋管群实际换热量Q的平均值与理论最大换热量Q’的比值，即
式中 Ez为管群综合换热能效系数；n为管群U形管数目；Tin为各地埋管中流体进口温度，℃；Tout,i为各地埋管中流体出口温度，℃；T0为岩土体初始温度，℃ρf为流体密度，kg/m3；cf为流体定压比热，W/kg.℃；Vf为流体体积流量，m3/s。
地埋管能效系数是一个无量纲的瞬时量，其变化与地埋管进口水温和岩土体初始温度无关，取热或排热工况可以统一起来，取值范围为0~1 [2, 3] 。
1.2 测试项目地埋管换热能效分布
选取地源热泵测试项目为38个，涉及到24个公共建筑和14个居住建筑项目，项目和能效分布如图1~图3所示。
从图1中可以看出，地埋管换热能效系数基本上在0.15以上，仅有2个项目在0.15以下，占5.3%；在0.15~0.35之间的项目数量最多，占92.1%；能效系数在0.3~0.35之间的项目数量最多，有16个项目，占42.1%；所有测试项目能效系数平均值为0.26，在平均能效之上的项目数量有20个，占比为52.6%。总体看来，近一半项目的地埋管换热能效有提升的潜力。
2 工程应用评价
2.1 地源热泵工程
某公共建筑面积为2.7万m2，主要为办公和后勤服务用房，采用冷却塔+地埋管地源热泵系统供冷供热和提供生活热水。空调冷热负荷和生活热水负荷如图2和图3所示。
空调冷热源采用二台制冷量为940kW部分热回收地源热泵机组，过渡季节及冬季选用一台200kW全热回收地源热泵机组提供50/55℃提供卫生热水。地埋管采用垂直双U形钻孔埋管方式，依据室外室外绿化地带的埋管地面的形状和尺寸在室外分6个区域进行埋管，总钻井数量为289，其中A区敷设33个埋管，B区敷设30个埋管，C区敷设106个埋管，D区敷设49个埋管，E区敷设26个埋管，F区敷设45个埋管，如图4所示。
2.2 换热能效评价
为了分析本工程地埋管换热能效，选取了7天（168h）的运行时间进行测试，并与文献[2]数值模型理论值进行对比，每天运行时间段为8:00~18:00，其能效分布情况如图5所示。
从图5中可以看出，地埋管换热能效系数理论值和测试值变化趋势一致，地埋管换热能效系数随时间变化的整体趋势是逐渐变小，但由于地源热泵系统处于间歇运行工况，埋管周围岩土体在停歇阶段借助热扩散逐步向自然热平衡态恢复，因而换热能效系数处于不断波动过程中。根据地埋管换热能效系数分布，本工程测试时间内10.3%能效系数小于统计能效值0.26，近90%的时间段能效系数大于平均值0.26。
考虑到换热能效系数理论值和测试值基本吻合，采用文献[2]和[4]中数值模拟方法在现场的水文地质条件下对本工程进行地埋管换热能效系数动态变化模拟分析，时间为1年，其中制冷季节时间为6月1日至9月30日，制热季节时间为12月15日至3月15日，每天运行时间段为8:00~18:00，全年换热能效系数分布如图6所示。
从图6中可以看出，在地源热泵系统全年运行过程中，换热能效系数基本上处于0.15以上，61.6%的时间内换热能效系数大于平均值0.26，但38.4%的换热能效系数不大于统计能效值0.26，地埋管换热能效还具有较大的节能潜力，应采取有效的运行优化控制方式提高地埋管换热效果。
2.3 不同控制方式下节能性
针对地源热泵系统运行过程中地埋管换热能效过低的不足，采用表1中4种典型控制方式进行运行优化控制，增强地源热泵系统运行效果，其地埋管换热能效、取排热量和设备用能情况如表1和图7所示。
从表1和图7中可以看出，采用冷却塔+地埋管共同散热的控制方式下，有利于提高夏季工况的换热能效，这主要是Case3排入到岩土体中的热量是取热量的3.38倍，而其他的工况均在3.76以上，可见冷却塔起到了较好的自我调节作用，有效地缓解了岩土体热平衡。采用分区控制运行地源热泵系统能耗最低，如果以地埋管出口和空气湿球温度差值作为控制指标，冬季和夏季换热能效更高。在用能方面，Case1的年平均耗电量为62.88万kWh/a，在4种控制方式中最低，Case3和Case4相差不大，为63.19万kWh/a和65.22万kWh/a。但由于采用冷却塔排出了部分热量，对应冬季的换热能效反而降低，因而需要协调优化冷却塔和地埋管运行时间。对于实际的复合式地源热泵系统，应综合考虑建筑空调负荷、热水负荷等各种影响因素，以确定其合理的运行控制方式，提高地埋管换热能效，降低地源热泵系统耗能量。
3 结语
针对地源热泵系统地埋管换热能效问题，本文对地源热泵工程地埋管换热过程测试的基础上，结合地埋管换热能效系数定义，分析了38个项目地埋管换热能效系数分布规律，并对工程实际应用进行评价，提出地源热泵系统节能运行优化控制方式。结果表明，采用冷却塔和主机热回收技术可有效缓解或消除地下负荷不平衡问题，但不同的运行控制策略都会面临地下热平衡、热回收量与冷却塔运行时间之间的协调优化问题。在保证相同地下冷热负荷不平衡比以及冷却塔运行节能的前提下，建议采用基于流体温度与空气湿球温度差的分区运行控制方式。
参考文献
[1] 於仲义，胡平放，徐玉党，等. 基于换热效能度的垂直地埋管埋设深度设计[J]. 暖通空调，2009，39（3）：98-101
[2] 於仲义，陈焰华，胡平放. 无渗流条件下U型地埋管换热能效特性研究[J]. 暖通空调，2010，41（11）：93-98
[3] 於仲义，陈焰华，雷建平. 阵列式U形地埋管群换热能效特性研究[J]. 暖通空调，2015，45（2）：124-128
[4] 胡先芳. 武汉地区地源热泵系统优化配置与运行策略的研究[硕士论文]. 武汉科技大学，2014
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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