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.docx

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王子珑 梅新忠 王楠 张红波 张千 孟德平温梯度为0. 02 /mo通遇前期热响应实验计算得到该区域土壤平均热导率为56 W/ （m K） o1. 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型销电阻 传感器，精度为0.5级，误差小于±0.2。（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、10m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日一2018年3月15 0, 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，四季清楚，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，气温随季节周期性变化十清楚 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2m,地温在14.214.8七范围变化，振幅仅±0.3。（2,几乎可以忽 略。此外，距离地埋管管群4m和10m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14.52，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4m。前人研究说明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表达。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日一2017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 恢复到14. 5 。在 夏-冬过渡期，ZK1钻孔地温从17.9 逐渐恢复到14.79，ZK2钻孔地温从 14. 8寸恢复到14. 7计算说明，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 /do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0.04 241,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,因而地温恢复速率也相对略 高一些。此外，办公建筑由于其用能时间的特殊性，往往倾向于间歇运行，这 也在一定程度上促使了地温的恢复，有利于系统的稳定运行。2. 2典型工况下系统运行能效图4给出了典型日地源热泵系统运行参数变化曲线，其中冬季选取2018年1月 24日，夏季选取2016年6月26日。可以看出，冬季典型日的室外气温在一1. 2-13.2寸之间波动，平均气温为-6. 8 2。在白天运行期间，地源侧的平均 进出口水温分别为13. 0和14. 5 （温差为1.5）,用户侧的供回水温分 别为38. 9和38. 0 （温差为0. 9）,系统累计供热量为1 324 kWh,总耗 电为726kWh,其中机组耗电为294kWh,水泵耗电为432kWh。经计算，热泵机 组平均C0P为4. 5,系统COP为1.8,机组平均供热功率为132.4 kW,占额定制 热量（314 kW）的42%,处于低负荷运行状态。夏季典型日的室外气温在25.931. 1 之间波动，平均气温为31.1。在白 天运行期间，地源侧的平均进、出水温分别为24. 4（和22. 8（温差为 1.5）,用户侧的供、回水温分别为16. 6（和17. 2 （温差为0.6T）, 系统累计供冷量为1 851 kWh,总耗电为744 kWh,其中机组耗电为356 kWh,水 泵耗电为388 kWh。经计算，热泵机组平均COP为5. 2,系统COP为2. 5,机组 平均供热功率为185. IkW,占额定制热量（280 kW）的66%,处于较低负荷运行 状态。2. 3系统长期运行能效分析图5给出了用户侧和地源侧的供回水温度变化曲线。可以看出，随着季节变 换，用户侧和地源侧的水温呈年度周期变化规律。在运行期间，两侧水温整体 上保持平稳，其中采暖季用户侧水温略有升高，地源侧水温略有降低，而制冷 季用户侧水温略有降低，地源侧水温略有升高。进一步统计说明，在采暖季 中，用户侧的平均供回水温差为0.58 ,而地源侧的平均进出水温差为 0.31交；在制冷季中，用户侧的平均供回水温差为0.73寸，而地源侧的平均进 出水温差为1.06o这反映出该系统运行处于典型的“大流量、小温差”模 式。根据前人研究结果，此运行模式虽然一定程度上有利于保证较高的机组能 效，但往往会造成较高的水泵输送能耗，使得整个系统的能效大幅降低。通常 而言，地源侧和用户侧的进出水温差常在35七或242范围内变化，而本 例中温差仅为1,主要与最初设计时水泵选型不合理有直接关系。图6进一步给出了水泵耗电占系统电耗比例的变化情况。可以看出，水泵耗电 占整个系统耗电比例较大，变化范围为46. 3%62. 2%,平均值为53. 4%。一 般而言，在地埋管地源热泵系统中，水泵耗电所占系统耗电比例不应超过30%。例如，文献3中具有较高的实测系统能效比（3. 0）,其中二台机组总 制热量和制热功率分别为3 080kW和708 kW,制冷量和制冷功率分别为3 112M和6321,用户侧和地源侧水泵（4用1备）总功率分别为120 kW和 88 kW,水泵功率占总电功率的23% （制热工况）和25% （制冷工况）。文献6 中，水泵耗电占总耗电量的33% （制热工况）和36% （制冷工况），系统能效比 分别为2.36和2.33。与30%参考数值相比，本例偏高约78%,从而为系统运行 能效偏低埋下了巨大隐患。因此，在地埋管地源热泵系统设计过程中，主要设 备型号及参数选择应尽可能做到科学合理，这是保证系统高效运行的关键因 素。水泵优化运行是地源热泵系统节能的重要手段之一。在本例中，可以采用 更换水泵型号、变频控制等措施，来降低管路流体输运能耗，从而到达提高系 统能效，节省运行费的目的。表1汇总了地埋管地源热泵系统各个运行季的能效情况，其中包括5个采暖季 和4个制冷季，共896d,日均运行时间10h。计算说明，该系统采暖季和制冷 季的平均COP分别为2. 08和2. 43,制冷季平均COP略高于采暖季，与前述典 型日运行能效基本接近。此外，与前两年相比，后3年的系统能效略有改善， 其主要原因是建筑使用率略有增加，在一定程度上提高了运行冷热负荷比例。 此外，由于系统长期处于偏低负荷运行状态，实际运行时往往只开启一台机 组，而另一台机组基本处于闲置或备用状态，不符合科学用能的基本原那么。综上所述，上述地埋管热泵系统的长期地温场是基本平衡的，系统运行也相对 比拟稳定，但这并不意味着系统长期运行是高效的。换言之，地温场平衡只是 系统高效运行的必要而不充分条件。就本例而言，系统长期低负荷运行，加上 不合理的“大流量、小温差”运行模式，最终导致了整个地埋管热泵系统处于 相对较低的能效比水平，存在很大的调控改进空间。实际上，根据文献8-9统 计，华北地区相当多的地埋管热泵系统COP在22. 8范围变化，超过3.0的实 际工程案例甚少，这是亟待解决的一个共性问题，值得引起工程人员高度重 视。3结论1）本文地埋管地源热泵系统长期运行过程中，地温呈周期性季节变化趋势，与 气温变化基本同步，不存在冷热堆积现象，地埋管管群换热对周围地温的影响 范围不超过4m。冬-夏过渡期和夏-冬过渡期的地温恢复速率分别为0.034 t/d 和 0. 052 /do2)热泵机组具有较高的COP (4.5-5),而采暖季和制冷季的系统COP分别为2. 08和2. 43,这主要与系统设计、长期低负荷运行(40%60%)以及“大流 量、小温差”运行模式有直接关系，其中地源侧和用户侧的进出水温差仅为 1左右，水泵耗电占整个系统耗电比例较大，变化范围为46. 3%62. 2%,平 均值为53.4%,远远超出了正常值范围。3)对于地埋管地源热泵系统而言，地温场平衡是保证系统长期稳定运行的重要 前提之一，但只是系统高效运行的必要而不充分脩件。系统节能性在很大程度 上取决于合理的系统设计与科学的运行管理。Reference：1郑克楼，陈梓慧.地热供暖世界现状及中国清洁供暖的地热选择J.河北 工业大学学报，2018, 47 (2) ： 102-107.2江章宁，胡平放，雷飞，等.地埋管地源热泵系统冬季运行测试研究 J.暖通空调,2009, 39 (3) ： 115-118.3高清民，李永安，邢德安，等.某办公建筑地源热泵系统冬季运行工况测 试与分析J.制冷与空调,2014, 14 (12) ： 124-126.4王华军，赵军，沈亮.地源热泵系统长期运行特性的实验研究J.华北电 力大学学报(自然科学版)，2007, 34 (2) ： 52-54.5赵冰，湛文贤，赵灵，等.某地埋管地源热泵系统夏季运行性能分析 J.河北工业大学学报,2012, 41 (4) ： 49-54.6苏永强.某办公楼地源热泵系统运行能效测试与经济性分析仃.河北工业 大学学报，2017, 46 (4) ： 69-74.7王华军，杨立新，顾吉浩，等.地源热泵系统运行中土壤温度场变化特性 的实例分析J.暖通空调，2011, 41 (7) ： 119-122.8苏春生，齐承英.可再生能源建筑应用技术与实践：以唐山市为例M.北 京：中国建筑工业出版社，2011.9 丁勇，周世玉，李百战，等.水(地)源热泵空调系统测试及能效影响因 素分析J.暖通空调，2014, 44 (4) ： 100-103.责任编辑田丰一全文完一50-203J6 xjo0时间图1室外气温变化曲线Fig. 1 Variations of ambient air leniperaliireSummary以河北廊坊市某典型辨公建筑为例，对地埋管地源热泵系统长期运行 过程中的地温变化和系统性能进行了监测与分析。结果说明，地温呈周期性季 节变化趋势，与气温变化基本同步，不存在冷热堆积现象，地埋管管群换热对 周围地温的影响范围小于4m。热泵机组具有较高的运行性能系数，但采暖季和 制冷季的系统性能系数分别为2. 08和2. 43,这主要与系统设计、长期低负荷 运行以及“大流量、小温差”运行模式有直接关系，存在较大的改进空间。关键词地源热泵;长期性能；地温场;性能系数TU83 文献标志码AMonitoring and analysis of ground temperature variations and system perfor mance of a buried-pipe ground source heat pump during the longterm operationWANG Zilong, MEI Xinzhong, WANG Nan, ZHANG Hongbo,ZHANG Qian, MENG Deping(Hebei Institute of Geophysical Survey, Langfang, Hebei 098000, China )Abstract The variations of ground temperatures and actual performance duri ng the long-term operation of a buried-pipe ground source heat pump (GSHP) system are monitored and analyzed by taking a typical office building in Langfang, Hebei province as an example .Result show that ground temperatures shows a periodic seasonal trend, an d basically synchronizes with the change of the climate. There does not app ear the phenomenon of heat or cold accumulation. The effects of heat transf er of ground heat exchangers on the surrounding ground temperatures are wit hin the range of 4m. The present heat pump units have a high coefficient of p erformance(COP) , while the COP of the total system during the heating and cooling o peration is 2. 08 and 2. 43, respectively. This is mainly caused by the unre asonable initial design, the longterm operation with low loads and the operating mode with high flow rates an d small temperature differences. There is still greater possibilities for performance improvement of the present GSHP system.Key words ground source heat pump； longterm performance； ground temperature field； the coefficient of performance0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 已经到达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. 15o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. 33. 7和1. 8-2.6, 3个制冷季的机组和系统COP分别为2. 73. 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异较大，尤其是长期运行性能监测分析方面的文献报导 相对偏少，这与其当前的开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工程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185kW,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280kW和314kW。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100m3/h和15kWo空调系统的开启时间为10 h/d（节假日除外）。工程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292345m,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100m,孔径为200mll1,间距4m。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