地源热泵运行特性的影响因素研究

与传统的空调冷热源相比，地源热泵在运行能耗和环境特性等方面具有更大的优越性。虽然受地下埋管内流体与土壤之间热交换速率的影响，需要布置较大的换热器面积和较高的投资成本，但地下土壤依然是一种较为理想的热泵低温热源和高温热汇。地源热泵冬季和夏季运行特性实验表明，即使作为尚须进一步优化的实验系统本身也可取得较理想的结果，地源热泵作为一种空调冷热源方式，无论在环境方面还是在运行能耗方面，都具有很大的发展潜力。然而，就目前的现状而言，地源热泵还没有获得和空气源热泵一样的广泛应用，其原因，一方面可归结为地源热泵较高的投资成本和需要一定的场地要求，但可能更重要的原因是，迄今为止，还缺乏一种可靠的地源热泵设计方法和模拟模型。

国内最近几年在地源热泵研究方面，主要是对特定的地源热泵试验系统的结果整理与分析，所得到的结论一般只适合于特定条件下的地源热泵系统。地源热泵的理论与实验研究结果表明，地源热泵系统的运行特性依赖于热泵机组性能和埋管换热器性能之间的相互耦合关系。热泵机组容量大小、埋管长度、埋管井分布、和土壤特性等因素都影响和制约着地源热泵的运行特性。

地源热泵系统在冬季和夏季运行时，热泵启动初期，埋管井壁温度、埋管换热器出水温度、热泵循环性能系数呈现出较快的变化趋势，运行约200小时后，热泵工况趋于稳定，这一结果与实验结果相吻合;

地源热泵经过一个冬季或者夏季运行后，在热泵停运的过渡季节，埋管井壁土壤温度可恢复到原始温度的水平。由于这一特性，在地源热泵的长期使用过程中，其循环特性并不会产生和初期使用时的显著差别;

由于埋管井土壤温度变化特性的影响，导致地源热泵冬季运行时，埋管换热器出水温度较低，而夏季埋管换热器出水温度则较高的现象。地源热泵的模拟结果同样证明了这一结论。如冬季运行时，最后一时刻的埋管换热器出水温度为2.10℃、进水温度已达到0℃、制热系数为3.09;夏季运行时，最后一时刻的埋管换热器出水温度为42.70℃、进水温度为46.80℃、制冷系数为2.60。

之所以出现上述特性，是因为埋管内循环流体与土壤之间的热量交换主要是通过导热方式进行的。在土壤特性一定的情况下，为与热泵机组的吸热量或排热量相匹配，必然要求埋管内循环流体与土壤之间应具有一定的传热温差，因而导致热泵机组冬季在较低的蒸发温度下运行，夏季则在较高的冷凝温度下运行。

地下埋管系统设有两眼埋管井，钻孔直径为150mm，钻孔深度120m，埋管换热器以水为循环介质，采用高密度聚乙烯塑料管(HDPE)U型埋管换热器，直径为25mm。热泵机组采用全封闭涡旋式压缩机，制冷剂为R22，压缩机的理论输气量为21.0m3/h，ARI额定工况下的制冷量21.8kW，输入功率为6.54kW，电机转速为2900转/分。蒸发器、冷凝器均采用板式换热器，换热面积均为3.5m2。模拟分析时，设定当地的供暖期为每年的11月15日至第二年的3月15日，空调期为每年的6月1日~9月30日。

不同土壤的运行模拟结果表明，土壤特性对地源热泵的运行性能有较大的影响，土壤导热系数降低以后，冬季吸热量、供热量、制热系数和埋管换热器进出水温度都有较大程度的降低;夏季排热量、制冷量降低，埋管换热器进出水温度和热泵输入功率有较大程度的升高，循环性能系数降低。

从全年的运行的角度看，土壤导热系数降低，在供热量和制冷量都降低的情况下，压缩机运行的总能耗增大。因此，总体来看，土壤导热系数大，有利于地源热泵的安全运行和节能效果的提高。地源热泵应用于不同地区时，应根据当地土壤特性，确定出适宜的热泵机组容量和埋管换热器长度的匹配关系。

在满足相同供热量和制冷量条件下，采用相同的热泵机组型式和埋管换热器长度，对不同土壤、不同回填材料的热泵运行能耗进行比较。

运行能耗比较的结果表明，土壤特性对地源热泵全年运行能耗有着重要的影响，条件1与标准条件相比，导热系数降低了45.8%，全年运行能耗增加了25.8%。因此，对于不同地区，针对不同的土壤物性参数，在地源热泵运行模拟的基础上，确定合理的热泵机组容量与埋管换热器长度之间的关系，是实现地源热泵系统运行节能的前提。

在冬季和夏季冷热负荷相差较大的地区，或者在较干燥土壤的地区，采用复合地源热泵系统形式，可有效提高地源热泵系统的能效。为了对这一问题做出说明，考虑一复合地源热泵系统，热泵机组容量确定为峰值负荷的80%，20%的尖峰负荷由辅助设备承担。在这一前提下，地源热泵系统(不包括辅助冷却和加热设备)冬季和夏季的热泵启动工况模拟结果对比见图9和图10，复合地源热泵的冬季制热系数和夏季循环性能系数分别为3.27和3.16。

对比模拟结果，可以发现，当增加辅助冷却和加热设备、降低热泵机组装机容量后，冬季，埋管进出水温度和制热系数有较大提高;夏季，埋管进出水温度则有较大程度的降低，循环性能系数有较大程度的提高。与增加埋管长度的方式相比，容量降低20%的地源热泵系统，其单位管长的换热量、循环性能系数都要高于埋管长度增加25%的地源热泵系统。当增加埋管长度受到场地面积限制的情况下，为改善地源热泵的性能，采用复合地源热泵的方式，就成了唯一的选择。当然，对于复合地源热泵系统，要增加辅助设备的投资，在总的运行能耗分析中，还应同时考虑辅助设备的运行能耗。复合地源热泵系统各部分承担的负荷比例，应根据具体情况，通过运行模拟和能耗分析加以确定。

地源热泵系统的运行特性受地面热泵机组性能和埋管换热器性能的影响，热泵机组容量、土壤和回填材料特性、埋管长度和地源热泵的运行方式都影响和制约着地源热泵系统的运行特性。其中，土壤特性对地源热泵的运行特性有重要的影响;适当增加埋管长度，或者采用复合地源热泵的系统形式，将有效改善地源热泵系统的循环性能。埋管长度、辅助设备容量，应在地源热泵运行模拟分析的基础上，综合考虑场地面积、初投资和运行费用加以确定;需要特别指出的是，由于土壤作为热源和热汇的特点，地源热泵的运行节能效果，很大程度上取决于钻孔的合理间距和埋管换热器的长度。地源热泵技术在不同地区的推广和应用，必须建立在经过有效性和可靠性验证的地源热泵模拟基础之上。