季节条件对于地源热泵系统运行的影响
引言
由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度。地源热泵就是利用地温恒定这一特点，在冬季把地能中的热量“取”出来提高温度后， 供给室内的热用户；在夏季，把室内的热量取出来，释放到地层中。地源热泵系统的基本结构可分为地上和地下两个部分。地上部分主要是热泵机组、补水箱和水泵。地下部分主要是与大地耦合的埋地换热器，通过这个换热器从大地中取热和放热[1]。这就决定了埋地换热器的换热能力与当地的土壤、气候的类型有很大关系。LundJW详细研究了地源热 泵技术[2],结果表明，地源热泵的初期成本较空气源热泵的成本高约30%~50%。一旦埋管安装完毕，年运行成本大大低于其它形式的热泵系统(如空气源热泵系统)。在地源热泵应用系统中，由于从地下提取热能是利用埋地换热器(GHE)完成的，GHE和邻近土壤之间的传热主要是通过热传导，并在一定程度上依靠水分迁移[3]。因此,传热过程严重依赖于土壤类型、温度和土壤含水率。研究表明，在制冷模式下垂直闭环系统能更好地运行[4]。垂直埋地换热器通常是在垂直的钻孔中插入一个或两个高密度聚乙烯U型管充当接地环路。 OlympiaZogou研究还 表明[5]，尽管地源热泵具有很多优点，但是地源也不是可以无限制的利用，气候条件的变化对与系统运行有很大的影响。本文研究了制冷和供热两种模式下，气候变化对于地源热泵系统运行的影响。
一、实验装置
本实验装置的原理如图1所示。该实验系统主要由两个独立的回路组成:(1)水回路;(2)制冷剂回路。水回路中的水箱可以保证足够的水供应。制冷剂回路是由封闭的铜管组成，热泵中制冷剂为R22。热电偶的输出温度传送到给一个数据记录器，并记录在计算机内。为了得到埋地换热器的进出口水温以及冷凝器、蒸发器进出口制冷剂的温度，在管道内部每一个需要测试的位置都安装了热电偶。转子流量计用来测量每一个埋地换热器的流量，制热循环到制冷循环的转化通过热泵机组的一个四通阀实现。图中集中井的设置既可以平衡3个埋地换热器的压力，同时可以减少铺设管路。实验装置可以实现在夏季制冷，冬季供热。
埋地换热器采用并联方式工作。埋地换热器周围热电偶布置情况如图2所示。埋地换热器总深度为30m，换热器之间的间距是5m。埋地换热器周围垂直分布6组热电偶以采集土壤温度。热电偶之间的距离从下到上依次为10、8、6、3和3m，如图2 所示。埋地换热器采用了3种形式,如图3所示。
二、结果分析
为了确定系统的整体性能，本地源热泵系统在稳态条件下进行实验。对于运行中由实验得到的每个埋管周围的温度(土壤温度)的变化情况，事实上反映了以下两部分的温度：首先也是主要方面反映了钻孔中的线源(U型管换热器)自身的运作造成温度的升高/降低，另外是反映了由土壤的湿度(季节变化引起)变化而引起的土壤温度变化情况。 在图4(a)和(b)为在地下20m的深度条件下， 地源热泵运行在夏季(单纯取冷)时，不同埋地换热器周围平均每天的地下温度以及不同埋地换热器换热量分布情况。温度初始点是在热泵启动运行40h后开始采集。从图4(a)看出，在夏季实验开始时的地下温度约为28℃,随着实验的进行，地下温度很快上升。在运行20天到40天期间，温度上升很快，在运行40天后直到结束实验的第90天的时间段， 随着热平衡的建立,温度变换趋于平稳。对于不同的埋地换热器，地下温度最终基本停留在一个稳定的值，平均温度超过了37℃。另外从图(b)看出,在最初运行的40天里，双U的换热能力大于单U的换热能力，40天后传热开始恶化，双U和单U的换热能力相当,套管的换热能力最差。在这里需要说明的是,实验过程中，当夏季地下温度上升到37℃，也就是运行40天后，热泵机组开始出现停机现象，说明地下温度已达到了传热极限，不适合热泵机组继续运行。
受不同季节空气温度、湿度的影响，地下温度也会发生变化。图5(a)和(b)分别显示出在冬季(单纯取热)，不同埋地换热器周围平均每天的地下温度(20m下)以及不同埋地换热器换热量分布情况。 此时的实验为夏季土壤温度恶化后，系统停止运行两个月后，受季节变化的影响， 土壤温度有所变化，最初运行时土壤温度为22℃，在运行20天后，土壤温度降低到17℃左右。从图(b)看出，单U管和双U管从地下提取热量时,换热能力从初始运行的60W/m降到不足45W/m。套管的传热能力从45W/m降到不足25W/m。在运行30天后，热泵机组又出 现停运情况。
经过4个月春季的系统停运后,到了第二年的夏天，重新进行该实验，发现地下温度已经恢复到热泵可以重新运作的水平。图6(a)为第二年取冷条件下，3种不同型式的埋地换热器周围地下温度(20 m下)分布示意图，地下层的初始温度为25℃。可以看到，相同的运行时间，土壤温度与图5(a)的温度分布相比,随着运行时间的延长，土壤温度升高幅度较小。图6(b)为第二年取冷条件下，3种不同型 式埋地换热器换热能力示意图,相同的运行时间，3个埋地换热器的换热能力与图5(b)的传热能力相比要高20%左右。该实验结果表明，埋地换热器和土壤的换热特性在经过前一年的夏季和冬季分别运行后，换热能力得到了提高。结果表明，从地下取冷和从地下取热的过程应该相对平衡，才能使系统正常运行。
三、结论
对地源热泵系统进行了一系列实验，研究了不 同季节条件对地源热泵系统的影响。结果表明，气候条件显著影响着地源热泵系统的工作性能。如果单纯从地下取热，两个月后，埋地换热器附近的地下温度将减少到不足20℃。如果单纯从地下取冷，3 个月后，地下温度将超过37℃，地源传热恶化，不再适合进行空气调节。为了保护好地源,使其成为可持续利用的土壤源，从地下取冷和从地下取热应该相对平衡。
