地埋管地源热泵长期运行地温变化及系统性能监测与分析Word文档格式.docx

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引言

近年来，地埋管地源热泵系统作为浅层地热能的典型应用形式之一，在我国得到较为广泛的推广应用。

根据统计，截至2016年，我国地源热泵应用建筑面积已经达到4亿m2，居世界第一位，取得较好的节能减排效益[1]。

与此同时，国内研究人员在地埋管热泵系统性能监测与评价方面先后开展了许多工作。

例如，江章宁等[2]测试了武汉市某住宅建筑地埋管热泵系统的冬季供暖性能，其中典型日的机组和系统COP分别为4.64和3.67，整个测试期间系统COP为3.15。

高清民等[3]测试了山东东营某33;

640;

m2办公建筑地埋管热泵系统的冬季性能，其中机组和热泵系统的COP分别为4.1和3.0。

王华军等[4]对天津市某地埋管热泵系统进行了测试，其中3个供暖季的机组和系统COP分别为3.3～3.7和1.8～2.6，3个制冷季的机组和系统COP分别为2.7～3.1和1.3～1.7，表现出明显的冷热不平衡现象。

赵冰等[5]测试唐山市某办公建筑地埋管热泵系统的夏季运行性能，其中系统COP为2.6，存在不合理的水泵运行、末端设置等问题。

苏永强[6]对衡水市某地埋管热泵系统进行了全年性能测试分析，其中制冷期和供暖期的系统COP分别为2.33和2.36。

客观而言，目前地埋管热泵的运行能效差别较大，尤其是长期运行性能监测分析方面的文献报导相对偏少，这与其当前的发展规模与势头是十分不协调的。

基于上述背景，本文拟以津京冀地区某典型办公建筑为例，开展地埋管热泵系统长期性能测试与分析，旨在总结相关成功经验和失败教训，为今后类似系统优化设计与节能运行提供一定的参考依据。

1;

系统概况

1.1;

项目概况

研究对象为位于河北省廊坊市的一栋综合办公建筑，共计5层，总建筑面积为4;

800;

m2，建造年份为2009年，外墙为250;

mm厚加气混凝土砌块加80;

mm厚岩棉，外窗为双层普通玻璃加塑钢材质。

建筑采用地埋管地源热泵系统进行制冷与供暖，设计冷、热负荷分别为460;

kW和280;

kW。

系统选用了两台螺杆式地源热泵机组，其中小机组（GSHP185-TR型）的额定制冷量和制热量分别为183;

kW和185;

kW，输入功率分别为44;

kW和36;

kW，大机组（GSHP280-TR型）的额定制冷量和制热量分别为280;

kW和314;

地源侧和用户侧各设置二台循环水泵，额定流量和功率均分别为100;

m3/h和15;

空调系统的开启时间为10;

h/d（节假日除外）。

项目地点位于永定河冲积扇前缘，属于冲洪积平原水文地质区，第四系总厚度为292～345;

m，自下而上地层分别为下更新统、中更新统、上更新统和全新统，具有良好的地埋管成孔条件。

其中，下更新统为冲积、湖积沉积地层，岩性以黏土、粉质黏土夹砂层为主;

中更新统为冲积地层、河湖相沉积，岩性以粉质黏土、黏土及砂层为主，含钙质结核;

上更新统为冲积、冲洪积地层，岩性以粉土和粉质黏土不等厚互层为主，夹中砂、细砂层;

全新统为冲积、湖沼相沉积地层，岩性以粉质黏土、粉土夹砂为主。

室外竖直地埋管换热孔的实际数量为80眼，深度为100;

m，孔径为200;

mm，间距4;

地埋管采用双U形高密度聚乙烯管，规格为DN32。

根据区域地质资料，当地恒温层地温为14.5;

℃，浅层地温梯度为0.02;

℃/m。

通過前期热响应实验计算得到该区域土壤平均热导率为1.56;

W/（m·

K）。

1.2;

监测系统

该系统安装一套远程监测系统，以实时掌握评价地源热泵系统的长期运行性能。

监测系统主要包括：

地下温度场、室内外温度、地源侧和用户侧的供回水温度以及地源热泵机组能耗等测量。

其中，温度传感器均采用PT1000型铂电阻传感器，精度为0.5级，误差小于±

0.2;

℃;

机组和水泵电耗传感器采用DD862-4功率传感器，精度为1.0级，误差小于±

5;

%。

为了监测地温场变化规律，分别在埋管区域内部以及距离埋管区域2、4、10;

m地方设置了4眼监测孔（分别记作ZK1、ZK2、ZK3和ZK4），且沿深度方向每10;

m布设一个传感器，总计数量为40个。

数据分析的周期范围选取2013年10月1日—2018年3月15日，共计1;

627;

d，其中包括了5个采暖季、4个制冷季及过渡季。

2;

结果与讨论

2.1;

气温及地温长期变化结果

图1给出了整个监测期间室外气温的变化曲线。

廊坊市属暖温带大陆性季风气候，四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，气温随季节周期性变化十分明显。

监测期内，当地年平均气温为14.1;

℃，与廊坊市区多年气温平均值（12.7;

℃）相比，偏高约1.4;

℃。

其中，最低气温为-12.9;

℃（2015年1月），最高气温为38.7;

℃（2015年7月）。

图2给出了整个监测期间的地温变化曲线。

可以看出，在地源热泵系统运行过程中，地温随“制冷季-过渡季-供暖季-过渡季”的工况转变而呈周期性季节变化，与气温变化基本同步，具体表现为制冷季温度升高，供暖季温度降低，过渡季温度逐渐恢复的变化特征。

以ZK1钻孔为例，地温变化范围为11.2～19.1;

℃，振幅为±

3.95;

℃，波动较大，其主要原因在于该钻孔位于管群内部，受地埋管与土壤之间的排热/取热热流影响较大。

相比之下，ZK2钻孔距离地埋管管群2;

m，地温在14.2～14.8;

℃范围变化，振幅仅±

0.3;

℃，几乎可以忽略。

此外，距离地埋管管群4;

m和10;

m的ZK3和ZK4钻孔地温基本上不受地埋管管群换热的影响，平均地温稳定在14.5;

℃，与区域地质调查测试结果是一致的。

因此，就本文地埋管地源热泵系统而言，地埋管管群对周围地温的影响范围不超过4;

前人研究表明[4-5]，地埋管地源热泵系统的地温场失衡会不同程度影响长期运行性能，且该影响会逐年加剧，通常在短期内不容易体现。

从此角度评价，本研究地源热泵系统在经历了4个完整运行周期之后，地温整体上是基本平衡的，不存在冷堆积或热堆积效应。

图3给出了运行过渡期地温的典型变化曲线，其中2017年3月16日—2017年6月1日为冬-夏过渡期（76;

d），2017年9月15日—2017年11月15日为夏-冬过渡期（61;

d）。

可以看出，在过渡期内，地温均得到了充分恢复，这在很大程度上保证了地源热泵系统的长期稳定运行。

例如，在冬-夏过渡期，ZK1钻孔地温从11.7;

℃恢复到14.5;

℃，ZK2钻孔地温从14.2;

在夏-冬过渡期，ZK1钻孔地温从17.9;

℃逐渐恢复到14.7;

℃，ZK2钻孔地温从14.8;

℃恢复到14.7;

计算表明，对上述钻孔而言，冬-夏过渡期和夏-冬过渡期的地温恢复速率分别为0.034;

℃/d和0.052;

℃/d。

根据王华军等[7]对唐山曹妃甸地埋管地源热泵系统的监测结果，冬-夏过渡期（40;

d）和夏-冬过渡期（30;

d）的地温恢复速率分别为0.03;

℃/d和0.04;

℃/d，与本文结果较为接近。

文献[7]分析认为，在岩土热导率一定条件下，地温恢复速率主要取决于空调或供暖季结束时的地温场状态，其偏离初始地温场越远，恢复越快。

但实际上，地温恢复速率还取决于过渡期的时间长短，恢复期越长，约有利于地温恢复。

就本文结果而言，过渡期时间远长于文献[7]，因而地溫恢复速率也相对略高一些。

此外，办公建筑由于其用能时间的特