地源熱泵運(yùn)行特性的影響因素研究摘要：本文利用所建的地源熱泵模擬模型對(duì)R22地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行特性的模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，探討了影響地源熱泵運(yùn)行特性的主要因素，并對(duì)不同土壤類型、不同回填材料、不同運(yùn)行方式的地源熱泵運(yùn)行特性進(jìn)行了模擬分析對(duì)比。研究表明，土壤特性對(duì)地源熱泵的運(yùn)行特性有重要的影響，回填材料也在一定程度上，制約著地源熱泵的運(yùn)行特性；適當(dāng)增加埋管長(zhǎng)度，或者采用復(fù)合地源熱泵的系統(tǒng)形式，將有效改善地源熱泵系統(tǒng)的循環(huán)性能。關(guān)鍵字：地源熱泵運(yùn)行特性模擬分析1前言與傳統(tǒng)的空調(diào)冷熱源相比，地源熱泵在運(yùn)行能耗和環(huán)境特性等方面具有更大的優(yōu)越性。雖然受地下埋管內(nèi)流體與土壤之間熱交換速率的影響，需要布置較大的換熱器面積和較高的投資成本，但地下土壤依然是一種較為理想的熱泵低溫?zé)嵩春透邷責(zé)釁R。地源熱泵冬季和夏季運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)表明，即使作為尚須進(jìn)一步優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本身也可取得較理想的結(jié)果，地源熱泵作為一種空調(diào)冷熱源方式，無(wú)論在環(huán)境方面還是在運(yùn)行能耗方面，都具有很大的發(fā)展?jié)摿1]。然而，就目前的現(xiàn)狀而言，地源熱泵還沒(méi)有獲得和空氣源熱泵一樣的廣泛應(yīng)用，其原因，一方面可歸結(jié)為地源熱泵較高的投資成本和需要一定的場(chǎng)地要求，但可能更重要的原因是，迄今為止，還缺乏一種可靠的地源熱泵設(shè)計(jì)方法和模擬模型。國(guó)內(nèi)最近幾年在地源熱泵研究方面，主要是對(duì)特定的地源熱泵試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)果整理與分析，所得到的結(jié)論一般只適合于特定條件下的地源熱泵系統(tǒng)。地源熱泵的理論與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行特性依賴于熱泵機(jī)組性能和埋管換熱器性能之間的相互耦合關(guān)系。熱泵機(jī)組容量大小、埋管長(zhǎng)度、埋管井分布、和土壤特性等因素都影響和制約著地源熱泵的運(yùn)行特性。本文利用所建立的基于圓柱源理論的地源熱泵運(yùn)行特性模擬模型[2]對(duì)R22地源熱泵系統(tǒng)的全年運(yùn)行模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，探討了不同土壤類型、不同回填材料、不同運(yùn)行方式對(duì)地源熱泵運(yùn)行特性的影響，以期對(duì)我國(guó)的地源熱泵的推廣應(yīng)用能有所裨益。2R22地源熱泵的運(yùn)行特性模擬以河北工程學(xué)院地源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為模擬分析對(duì)象。地下埋管系統(tǒng)設(shè)有兩眼埋管井，鉆孔直徑為150mm，鉆孔深度120m，埋管換熱器以水為循環(huán)介質(zhì)，采用高密度聚乙烯塑料管（HDPE）U型埋管換熱器，直徑為25mm。熱泵機(jī)組采用全封閉渦旋式壓縮機(jī)，制冷劑為R22，壓縮機(jī)的理論輸氣量為21.0m3/h，ARI額定工況下的制冷量21.8kW，輸入功率為6.54kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2900轉(zhuǎn)/分。蒸發(fā)器、冷凝器均采用板式換熱器，換熱面積均為3.5m2。模擬分析時(shí)，設(shè)定當(dāng)?shù)氐墓┡跒槊磕甑?1月15日至第二年的3月15日，空調(diào)期為每年的6月1日~9月30日。全年運(yùn)行特性的模擬結(jié)果見(jiàn)表1，熱泵冬季和夏季的啟動(dòng)工況性能見(jiàn)圖1和圖2。表1R22地源熱泵系統(tǒng)全年運(yùn)行模擬結(jié)果搜冬季工況奇夏季工況牧平均每米管長(zhǎng)峽吸熱斜量悼W/m陵25.94色平均每米管長(zhǎng)贊排熱喘量濃W/m孟49.56灶平均每米管長(zhǎng)蝴供熱喪量御W/m燕38.29息平均每米管制社冷喚量冬W/m減35.87肌平均制熱系均數(shù)花COPh奸3.10詞平均制冷系顆數(shù)羅COP剝2.62拉埋管平均出水腐溫奴度乎摧℃強(qiáng)2.28往埋管平均出水獄溫尋度縫森℃幟42.48清埋管換熱器平放均進(jìn)水溫活度悔倘℃市0.13犧埋管換熱器平棕均進(jìn)水溫段度努鬼℃長(zhǎng)46.57險(xiǎn)全年運(yùn)行總能潔耗母：氣36470尼kWh圖1R22熱泵冬季啟動(dòng)工況圖2R22熱泵夏季啟動(dòng)工況通過(guò)對(duì)R22地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性的模擬，可以得出以下結(jié)論：2.1地源熱泵系統(tǒng)在冬季和夏季運(yùn)行時(shí)，熱泵啟動(dòng)初期，埋管井壁溫度、埋管換熱器出水溫度、熱泵循環(huán)性能系數(shù)呈現(xiàn)出較快的變化趨勢(shì)，運(yùn)行約200小時(shí)后，熱泵工況趨于穩(wěn)定，這一結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合；2.2地源熱泵經(jīng)過(guò)一個(gè)冬季或者夏季運(yùn)行后，在熱泵停運(yùn)的過(guò)渡季節(jié)，埋管井壁土壤溫度可恢復(fù)到原始溫度的水平。由于這一特性，在地源熱泵的長(zhǎng)期使用過(guò)程中，其循環(huán)特性并不會(huì)產(chǎn)生和初期使用時(shí)的顯著差別；2.3實(shí)驗(yàn)研究已表明，由于埋管井土壤溫度變化特性的影響，導(dǎo)致地源熱泵冬季運(yùn)行時(shí)，埋管換熱器出水溫度較低，而夏季埋管換熱器出水溫度則較高的現(xiàn)象。地源熱泵的模擬結(jié)果同樣證明了這一結(jié)論。如冬季運(yùn)行時(shí)，最后一時(shí)刻的埋管換熱器出水溫度為2.10℃、進(jìn)水溫度已達(dá)到0℃、制熱系數(shù)為3.09；夏季運(yùn)行時(shí)，最后一時(shí)刻的埋管換熱器出水溫度為42.70℃、進(jìn)水溫度為46.80℃、制冷系數(shù)為2.60。2.4之所以出現(xiàn)上述特性，是因?yàn)槁窆軆?nèi)循環(huán)流體與土壤之間的熱量交換主要是通過(guò)導(dǎo)熱方式進(jìn)行的。在土壤特性一定的情況下，為與熱泵機(jī)組的吸熱量或排熱量相匹配，必然要求埋管內(nèi)循環(huán)流體與土壤之間應(yīng)具有一定的傳熱溫差，因而導(dǎo)致熱泵機(jī)組冬季在較低的蒸發(fā)溫度下運(yùn)行，夏季則在較高的冷凝溫度下運(yùn)行。3不同土壤和不同回填材料地源熱泵模擬結(jié)果3.1不同土壤地源熱泵系統(tǒng)模擬本文所研究的地源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)土壤屬于重飽和潮濕性土壤，土壤的導(dǎo)熱系數(shù)＝2.40W/m.k，土壤擴(kuò)散系數(shù)＝0.003252m2/h，前節(jié)的模擬結(jié)果即是在上述土壤特性條件下進(jìn)行的?，F(xiàn)考慮一重土潮濕性土壤，根據(jù)文獻(xiàn)[3]，該類型土壤的導(dǎo)熱系數(shù)＝1.30W/m.k，土壤擴(kuò)散系數(shù)＝0.0023m2/h，土壤導(dǎo)熱系數(shù)＝1.30W/m.k時(shí)的季制熱系數(shù)COPh和夏季循環(huán)性能系數(shù)COP分別為2.82和1.87。凍不同土壤的運(yùn)培行模擬結(jié)果表劉明，土壤特性僚對(duì)地源熱泵的礎(chǔ)運(yùn)行性能有較承大的影響，土再壤導(dǎo)熱系數(shù)降川低以后，冬季躁吸熱量、供熱待量、制熱系數(shù)飽和埋管換熱器吧進(jìn)出軌水溫度都有較螺大程度的降低惠；夏季排熱量津、制冷量降低眾，埋管換熱器禁進(jìn)出水溫度和賢熱泵輸入功率夜有較大程度的漫升高，循環(huán)性釀能系數(shù)降低。頁(yè)從全年的運(yùn)行防的角度看，土伙壤導(dǎo)熱系數(shù)降益低，在供熱量蘭和制冷量都降縣低的情況下，燭壓縮機(jī)運(yùn)行的健總能耗增大。聲因此，總體來(lái)猛看，土壤導(dǎo)熱拜系數(shù)大，有利打于地源熱泵的川安全運(yùn)行和節(jié)后能效果的提高床。地源熱泵應(yīng)藏用于不同地區(qū)裹時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)蘆地土壤特性，憐確定出適宜的握熱泵機(jī)組容量折和埋管換熱器蜜長(zhǎng)度的匹配關(guān)番系。聞3.2更怒不同回填材料利地源熱泵系統(tǒng)今模擬結(jié)果棄在埋管井中充盡填不同的回填命材料，對(duì)地下揀埋管換熱器傳列熱特性和地源扇熱泵運(yùn)行特性寬也有著不同程話度的影響。本補(bǔ)文的地源熱泵殼實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用宇細(xì)砂和粘土混風(fēng)合物作為回填挖材料，在土壤玩類型上也屬于煤種重飽和潮濕鹽性土壤，導(dǎo)熱顏系數(shù)燭＝科2.40kW炸/m.巾k屬。國(guó)外地源熱俯泵的埋管井回諸填，通常采用勞灌漿的方法，債一般采用水泥踩為基料的灌漿倉(cāng)或以膨潤(rùn)土為傍基料的灌漿。宰為考察回填材氏料對(duì)地源熱泵杰運(yùn)行特性的影價(jià)響，在土壤特輝性等條件相同最時(shí)，現(xiàn)以文鑰獻(xiàn)給[4賤]喜中給出的增強(qiáng)秘型膨潤(rùn)土和砂登漿混合物的灌叉漿材料（丘＝樓2.91kW陵/m.醉k沿）進(jìn)行地源熱顫泵運(yùn)行模擬，幕冬季和夏季不跡同回填材料的創(chuàng)啟動(dòng)工況性能鍋比較見(jiàn)息圖加5升和東圖推6熊?；靥畈牧蠈?dǎo)賠熱系數(shù)嫁＝庫(kù)2.91kW膽/m.封k貪冬季制熱系叫數(shù)獻(xiàn)COP工h搬和夏季循環(huán)性純能系敢數(shù)失CO灰P藥分別臺(tái)為剖3.1今2弊和際2.6賄9切。么圖曠5縣乞冬季啟動(dòng)工況盤(pán)性能對(duì)敞比毛稀輔圖胖6蛋夏季啟動(dòng)工況燦性能對(duì)醋比困違不同回填材料壺的模擬研究結(jié)績(jī)果表明，采用絞導(dǎo)熱系數(shù)高的孟回填材料，冬閑季熱泵運(yùn)行時(shí)境，埋管換熱器思進(jìn)水溫度和出牢水溫度都有所脅升高，吸熱量放和供熱量增加牧，熱泵制熱系就數(shù)增大；夏季帆埋管換熱器進(jìn)民水溫度和出水奮溫度降低，埋罵管換熱器排熱破量、熱泵制冷驟量增加，熱泵疫壓縮機(jī)輸入功吉率降低，熱泵寺循環(huán)性能系數(shù)押提高。稀因此，總體來(lái)玩看，回填材料梁導(dǎo)熱系數(shù)高，居對(duì)熱泵的運(yùn)行改性能在冬季和此夏季都有一定敲的程度的改善匠，回填材料導(dǎo)窗熱系數(shù)越大，譽(yù)其性能改善的喘程度也越大。罷此外，采用水忽泥基料的灌漿遺，也可有效防子止污染物從地扁面向下滲漏，畫(huà)并能防止各含河水層之間水的風(fēng)移動(dòng)。有利于辯地下水資源的產(chǎn)保護(hù)。灌漿材擇料的選擇和灌流漿方法的研究飲，應(yīng)是我國(guó)目叨前推廣地源熱鑒泵技術(shù)的一個(gè)查值得研究的課觸題。誓3.3淋財(cái)不同土壤特性堆和回填材料的奧熱泵運(yùn)行能耗領(lǐng)比較表根據(jù)模擬結(jié)果箱，龍商在滿足相同供勤熱量和制冷量維條件下，采用舒相同的熱泵機(jī)解組型式和埋管加換熱器長(zhǎng)度，厘對(duì)不同土壤、梁不同回填材料月的熱泵運(yùn)行能翻耗進(jìn)行比較，攏比較的土壤和嫂回填材料物性慰參數(shù)見(jiàn)棵表菌2紀(jì)，運(yùn)行能耗的敘比較結(jié)果見(jiàn)寺表書(shū)3蘆。含運(yùn)行能耗比較惰的結(jié)果表明，小土壤特性對(duì)地底源熱泵全年運(yùn)顆行能耗有著重嚷要的影響，條滑件戚1攝與標(biāo)準(zhǔn)條件相露比，導(dǎo)熱系數(shù)偵降低紗了猾45.只8行％，全年運(yùn)行尺能耗增加擾了柴25.鳥(niǎo)8龜％。因此，對(duì)商于不同地區(qū)，確針對(duì)不同的土戀壤物性參數(shù)，緊在地源熱泵運(yùn)朱行模擬的基礎(chǔ)物上，確定合理傷的熱泵機(jī)組容藥量與埋管換熱度器長(zhǎng)度之間的刺關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)煉地源熱泵系統(tǒng)諸運(yùn)行節(jié)能的前振提。餅表返2到絹土壤和回填材遍料物孩性深弟比較類型與土壤材料寇W/m.k紡?fù)寥罃U(kuò)散系電數(shù)未m協(xié)2來(lái)/h書(shū)土壤比俊熱奶kJ/kg之.像℃殿回填材料白W/m.k召標(biāo)作遭準(zhǔn)培重飽和潮濕土振壤擱2.40傭0.0032查52詢0.84多細(xì)砂和飽和粘鞭土耳2.40釋條右件炭1沙重土壤潮濕象1.30別0.0023昆0.96食細(xì)砂和飽和粘璃土頌2.40殊條鋼件圾2茶輕土壤潮濕嘆0.86搬0.0019嘆1.05鑄細(xì)砂和飽和粘周土駐2.40執(zhí)條庭件錯(cuò)3籮重飽和潮濕土肆壤既2.40辜0.0032強(qiáng)52善0.84漸膨潤(rùn)土－砂漿范2.91慢條蹤件吵4來(lái)重飽和潮濕土緊壤巧2.40膚0.0032豬52吧0.84躍重砂漿耀3.33矩注炸：完1伯.秒土壤物性數(shù)據(jù)蛾來(lái)源見(jiàn)文纏獻(xiàn)理[3瓶]后，回填材料物銜性數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)倦文迫獻(xiàn)通[皮4繭、富5蔬]控。蠅覽跨2廢.消條輝件榆1愿、條估件您2翼為不同土壤類疫型，條遇件破3蛋、條按件伙4倦為不同回填材御料類型。撥表寇3逮系不同土壤和回找填材料地源熱拍泵運(yùn)行能耗比沖較舅核比較類型快冬季制熱系數(shù)達(dá)夏季制冷系數(shù)楊全年運(yùn)行能贊耗爹kWh接能耗比值％車標(biāo)多恩準(zhǔn)湯3.10清2.62噸36470毅100鳴條薪件櫻1劉2.82淚1.87換45881甲125.80跳條補(bǔ)件綢2洪2.58流1.34攜58303登159.87大條典件殖3娃3.12領(lǐng)2.69愁35844瘦98.28即條笨件溫4損3.14敵2.73令35461卻97.23吸4眉宋不同埋管長(zhǎng)度告和不同負(fù)荷比忽例地源熱泵模疑擬結(jié)果追4.1閣新不同埋管長(zhǎng)度拼地源熱泵系統(tǒng)蓄模擬結(jié)果境運(yùn)行特性的理陪論分析已經(jīng)表?yè)厦?，適當(dāng)增加燕埋管換熱器長(zhǎng)胖度、降低單位筑埋管換熱器長(zhǎng)紋度換熱量，可旗進(jìn)一步提高地豐源熱泵的運(yùn)行栽節(jié)能效果。對(duì)書(shū)應(yīng)著本文研究朋的地源熱泵實(shí)例驗(yàn)系統(tǒng)的埋管照換熱器長(zhǎng)度嬸480m態(tài)（寸2搜眼埋管井，井躍深駕120m竟），現(xiàn)考慮一朽埋管換熱器系碗統(tǒng)，當(dāng)埋管換身熱器長(zhǎng)度增加萬(wàn)到菊600m像（沿3侮眼埋管井，井環(huán)深旁100m物）時(shí)，滿足同紫樣供熱量和制倚冷量的全年運(yùn)雖行能耗對(duì)比見(jiàn)禿表像4森、冬季和夏季足的模擬結(jié)果對(duì)砍比見(jiàn)粱圖脹7喬和揀圖蒸8號(hào)。席表賤4聰神不同埋管長(zhǎng)度劍全年運(yùn)行能耗闖比俘較癥予埋管長(zhǎng)忌度載m走冬季制熱系數(shù)菠夏季制冷系數(shù)甩全年運(yùn)行能懷耗逢kWh乖能耗比值％壽480屬3.10厭2.62榴36470脾100瓣600傭3.24印3.06者32945所90.33園圖賊7修突冬季啟動(dòng)工況敬性能對(duì)比胃彈顯圖澇8犬茶夏季啟動(dòng)工況慮性能對(duì)北比程貪模擬結(jié)果表明帳，當(dāng)埋管換熱組器長(zhǎng)度增加后蜂，冬季埋管吸印熱量、熱泵供飾熱量、埋管進(jìn)努出水溫度和制壯熱系數(shù)都有較源大程度提高；許夏季埋管進(jìn)出互水溫度降低、計(jì)埋管排熱量和割熱泵制冷量、悶熱泵制冷系數(shù)鷹也有較大程度臺(tái)的提高。全年殘運(yùn)行能耗的比紛較也說(shuō)明，當(dāng)絞埋管長(zhǎng)度增加殲了條2廢5柏％后，運(yùn)行能徹耗降低美了鮮9.6冬7赤％。不同埋管設(shè)換熱器長(zhǎng)度的腔地源熱泵運(yùn)行內(nèi)特性的模擬結(jié)羊果說(shuō)明，在地軋?jiān)礋岜孟到y(tǒng)設(shè)句計(jì)和方案規(guī)劃泰時(shí)，應(yīng)綜合考良慮系統(tǒng)初投資滅和運(yùn)行費(fèi)用的妖大小，合理確爐定埋管長(zhǎng)度。握4.2什愛(ài)不同機(jī)組容量繪比例地源熱泵周系統(tǒng)模擬結(jié)果乎圖堆9制聲冬季啟動(dòng)工況吐性能對(duì)比拍壇材圖冠1險(xiǎn)0筐夏季啟動(dòng)工況體性能對(duì)比協(xié)在冬季和夏季圣冷熱負(fù)荷相差的較大的地區(qū)，核或者在較干燥崖土壤的地區(qū)，疏采用復(fù)合地源濱熱泵系統(tǒng)形式盯，可有效提高編地源熱泵系統(tǒng)孫的能效。為了趴對(duì)這一問(wèn)題做宣出說(shuō)明，考慮西一復(fù)合地源熱半泵系統(tǒng)，熱泵醉機(jī)組容量確定眨為峰值負(fù)荷手的士8唯0察％醉，謊2睛0番％的尖峰負(fù)荷魯由輔助設(shè)備承補(bǔ)擔(dān)。在這一前減提下，地源熱妄泵系統(tǒng)（不包墓括輔助冷卻和萍加熱設(shè)備）冬肚季和夏季的熱歉泵啟動(dòng)工況模理擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)籌圖門(mén)9紀(jì)和渡圖兼1滑0距，復(fù)合地源熱嘉泵的冬季制熱也系數(shù)和夏季循穩(wěn)環(huán)性能系數(shù)分屢別剛為馬3.2估7辛和遲3.1鎮(zhèn)6富。逮對(duì)比模擬結(jié)果墊，可以發(fā)現(xiàn)，否當(dāng)增加輔助冷格卻和加熱設(shè)備舅、降低熱泵機(jī)這組裝機(jī)容量后倚，冬季，埋管謙進(jìn)出水溫度和龍制熱系數(shù)有較欄大提高；夏季夾，埋管進(jìn)出水密溫度則有較大截程度的降低，財(cái)循環(huán)性能系數(shù)帖有較大程度的缺提高。與增加湖埋管長(zhǎng)度的方嚼式相比，容量薯降擊低肌2器0苦％的地源熱泵異系統(tǒng)，其單位僻管長(zhǎng)的換熱量晝、循環(huán)性能系刑數(shù)都要高于埋饑管長(zhǎng)度增吊加魯2滲5掘％的地源熱泵畫(huà)系統(tǒng)。沒(méi)當(dāng)增加埋管長(zhǎng)既度受到場(chǎng)地面哥積限制的情況墳下，為改善地槐源熱泵的性能義，采用復(fù)合地膨源熱泵的方式置，就成了唯一緩的選擇。當(dāng)然豪，對(duì)于復(fù)合地壯源熱泵系統(tǒng)，繼要增加輔助設(shè)護(hù)備的投資，在團(tuán)總的運(yùn)行能耗奇分析中，還應(yīng)合同時(shí)考慮輔助姥設(shè)備的運(yùn)行能溫耗。復(fù)合地源使熱泵系統(tǒng)各部腿分承擔(dān)的負(fù)荷劉比例，應(yīng)根據(jù)躺具體情況，通帳過(guò)運(yùn)行模擬和租能耗分析加以息確定。5結(jié)論暑5.1格昂地源熱泵系統(tǒng)詳?shù)倪\(yùn)行特性受驟地面熱泵機(jī)組袋性能和埋管換浴熱器性能的影日響，熱泵機(jī)組袋容量、土壤和故回填材料特性墾、埋管長(zhǎng)度和孝地源熱泵的運(yùn)簡(jiǎn)行方式都影墨響和制約著地征源熱泵系統(tǒng)的諸運(yùn)行特性。其割中，土壤特性咳對(duì)地源熱泵的陳運(yùn)行特性有重懼要的影響；顫5.2愈哥適當(dāng)增加埋管駕長(zhǎng)度，或者采娘用復(fù)合地源熱睜泵的系統(tǒng)形式藝，將有效改善炊地源熱泵系統(tǒng)廉的循環(huán)性能。組埋管長(zhǎng)度、輔傭助設(shè)備容量，啄應(yīng)在地源熱泵牛運(yùn)行模擬分析到的基礎(chǔ)上，綜政合考慮場(chǎng)地面似積、初投資和摸運(yùn)行費(fèi)用加以奉確定；幣5.3夾滿需要特別指出默的是，由于土逮壤作為熱源和工熱匯的特點(diǎn)，