马珂妍，王松庆，刘曙光，贺士晶

(东北林业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

在全球性能源危机和环境问题日益严峻的背景下，地源热泵作为一种低能耗、无污染、可再生的新型能源，在国内外得到广泛的应用。但是在大多数情况下地源热泵从土壤的取放热量是不平衡的，土壤热量的收支失衡不利于系统持续稳定运行［1］。在我国的夏热冬冷地区以冷负荷为主，针对这种负荷特性Yi 等［2］提出了HGCHP 系统来限制热量传递，花莉、邓小茜等［3－4］对于热不平衡问题的影响因素进了研究，并对系统的长期运行进行了回归分析。宋胡伟等［5］通过研究不同地区的负荷特性认为低纬度地区应采用其他冷热源辅助土壤源热泵运行。以上成果均对我国严寒地区地源热泵系统运行研究提供了经验。在严寒地区，土壤热量的收支失衡更为严重，使得地源热泵的应用极大受限，为此，王潇等［6］提出了严寒地区太阳能－地埋管地源热泵系统的新型运行模式，并进行了初步的供暖实验研究。张姝［7］提出了空气源土壤蓄热式热泵(HPASSHS)系统，采用空气源蓄热方法实现自然能量的移季利用，为严寒地区应用地源热泵供热技术提供了新途径。以上多种联合运行方案的实施均应以各设计参数的最优化为基础。

本文针对严寒地区的特殊工况，因地制宜，对地源热泵的关键设计进行分析，如土壤热物性、回填材料热特性、埋管设置等，探讨系统参数的优化方略，使地源热泵系统能够在严寒地区发挥最大优势，达到节能和环保的目的，同时也为联合运行方案的制定提供可靠依据。

1 地源热泵系统运行特性分析

1．1 建筑负荷分析

地源热泵的换热性能与建筑负荷相互耦合，建筑负荷的全年变化特征分析是关键设计参数及特性分析的前提，因此在研究地源热泵运行特性前，先要确定建筑的全年动态负荷情况。

本文的研究选用齐齐哈尔(严寒地区A 区典型城市)某一典型办公建筑作为研究对象。参照规范［8－9］的相关规定设置建筑概况和空调系统，主要参数设置如表1 所示。

表1 建筑及空调系统主要参数设置情况

通过DeST 能耗分析软件计算建筑逐时负荷，设定计算周期为1 年。对动态负荷结果进行分析得到全年最大热负荷为611．29 kW，全年最大冷负荷为356．20 kW，冷热负荷最大值之比为1∶1．72。

1．2 TRNSYS 中参数设置

本文在TRNSYS 中所建立的地源热泵系统模型主要由地埋管换热器模型、热泵机组模型和负荷侧水环路模型组成。建筑逐时负荷经由末端装置转化为对应的水温和流量，输入热泵机组，热泵机组将基于蒸发器和冷凝器不同的输入温度而输出不同的冷/热量和耗电量。地埋管换热器通过系统输入的动态负荷及热泵机组的性能参数，输出埋管的进出口水温及土壤温度的变化情况。

这三个环路相互耦合在时间模块的控制下可以得到地源热泵系统运行状况的动态仿真结果。其中地埋管换热器是该地源热泵系统的关键组成部分，地埋管换热器与管区周围土壤间的换热极大地影响整个系统的性能。

TRNSYS 中土壤蓄热系统模型(Duct Ground Heat Storage －DST)是关于中心对称竖直的有限长柱热源模型，是国际上比较认可的地埋管换热器模型，该模型中地埋管换热器主要设置如表2 所示。

表2 地埋管换热器主要设置

1．3 运行特性分析

依据该建筑的负荷特性，本文首先对地源热泵系统运行的长期性能进行研究，运行周期设为10年，设定地源热泵系统运行的开始时间为1 月1 日0 时，依次选定初始运行后10 年中的典型时刻进行研究。输出结果设置为管区周围土壤温度、热泵系统运行能效以及地埋管换热器进出口水温。逐年典型时刻管区周围土壤温度变化特性如图1 所示，地源热泵系统制冷COP 和制热COP 变化特性如图2所示，地埋管换热器进出口水温变化特性如图3 和图4 所示。

图1 运行10 年管区周围土壤温度变化特性示意图

图2 运行10 年地源热泵系统能效变化特性示意图

图3 运行10 年空调季地埋管进出口水温的变化特性示意图

图4 运行10 年采暖季地埋管进出口水温的变化特性示意图

由图1 可知，在地源热泵系统运行10 年后，管区周围土壤温度由最初的8．60℃降至2．97℃，降低了5．63℃，土壤温度的大幅度降低，将会大大降低热泵运行的稳定性和系统能效，甚至会对管区周围土壤带来不可恢复的影响。由图2 可知，在土壤温度降低的同时，地源热泵系统制冷COP 呈上升趋势，由第一年的5．54 上升至第十年的6．07，10 年间上升了15%，而地源热泵系统制热COP 呈现下降趋势，由第一年的3．52 下降到第十年的3．22，10 年间降低了10%，在以供热为主的严寒地区，制热COP的下降带来的影响更为严峻，需要热泵系统能够提供较高的制热COP。由图3 和图4 可知，埋管的进出口水温始终与土壤温度的变化特性保持一致，在空调季时，埋管高温进、低温出，地埋管换热器向土壤释热，温度始终高于土壤温度，在采暖季时，埋管低温进、高温出，地埋管换热器从土壤取热，温度始终低于土壤温度，且随着土壤温度的降低，埋管进口水温逐降低至－6℃以下，存在地埋管冻结的风险，严重影响地源热泵系统的正常运行。

因此地源热泵系统在严寒地区长期单独运行会使地温大幅度降低，机组长期运行存在风险，需要采取辅助热源等措施以保证地源热泵系统的可靠运行。

2 热泵系统关键设计参数对运行特性的影响分析

土壤是一个复杂的饱和或部分饱和的含湿多孔介质体系，土壤与地埋管换热器之间的传热是易受到多种因素影响的非稳态多层介质传热过程，各影响因素相互耦合使传热过程更为复杂［10－11］。从外部环境看，影响换热的主要因素在于土壤的导热性能和回填材料的导热性能;从内部结构看，由于热泵运行中，土壤温度场发生改变，将产生温变热阻，而改变地埋管换热器的布置形式可以有效降低温变热阻。

经以上分析，本文主要从土壤导热性能、回填材料导热性能、地埋管管间距、埋深与钻井数几个方面对土壤源热泵系统的关键设计参数进行分析，这也是强化地埋管换热的核心部分。

2．1 土壤导热性能对地源热泵系统运行特性的影响

地埋管换热器在布置时可能经过不同的岩土层，土壤的导热性能也会有所不同。本文依据严寒地区工程实际提供的导热系数范围，对不同的土壤导热系数工况进行模拟，结果如图5 所示。

由图5 可知，在严寒地区土壤的导热系数越大，土壤温度的降度也越大。导热系数为1．0 W/m·℃时，地源热泵系统运行10 年后，土壤温度下降5.31℃，导热系数为3． 0 时，土壤降度为6． 14℃。由于土壤的导热系数越大，土壤的换热性能越好，每米地埋管换热器从土壤中取走的热量也越多，地温衰减越显著。因此，土壤导热系数越大，对于严寒地区地源热泵系统单独运行情况而言，其可靠性较差。

图5 土壤不同导热系数下系统运行10 年后温度降度示意图

2．2 回填材料导热性能对地源热泵系统运行特性的影响

回填是地埋管换热器施工过程的重要环节。回填材料介于地埋管外壁与钻孔内壁之间，既可起到强化换热的作用，同时也可以起到防止各蓄水层交叉污染的作用。在回填材料的各项参数中，其导热系数是决定土壤换热器换热效果和地源热泵系统效率的重要因素，本文结合实际工程应用的回填材料导热系数进行对照模拟，对回填材料导热系数的影响进行定量分析。其结果如图6 所示。

图6 不同回填材料导热系数下系统运行10 年后温度降度示意图

由图6 可知，在严寒地区回填材料的导热系数越大，土壤温度的降度也越大。回填材料导热系数为1．2 W/m·℃时，土壤降度为5．37℃，回填材料导热系数为2．2 时，土壤降度为5．72℃。因此对于严寒地区地源热泵系统单独运行情况而言，在满足施工要求和设计要求的同时，尽可能选用导热系数较小的回填材料，以提高地源热泵系统运行的可靠性。

2．3 地埋管管间距对地源热泵系统运行特性的影响

地源热泵运行时，管区周围土壤温度将发生改变，严寒地区土壤温度不断降低，相邻换热器间相互影响，换热热阻增加，换热量减弱，温变热阻增加。增大管间距可以有效降低温变热阻［12］。依据工程实践以及规范要求，两个钻井间的距离一般为4 ～6 m。本文采用4 m、5 m 和6 m 三种间距工况进行仿真模拟，结果如图7 所示。

由图7 可知，地源热泵系统运行10 年后，管间距4 m 时，管区周围土壤温度降低幅度最大，为6.33℃，管间距5 m 时，管区周围土壤温度降低了5.84℃，相比4 m 时减小了0．49℃。而管间距6 m时，管区土壤温度降低幅度最小，为5．02℃，相比5 m时，温降减少了0．82℃。由此可见，较大的管间距更有利于严寒地区地源热泵系统的运行。

但由于增加管间距，相应地会增大土地的利用面积，使整个工程的初投资增大，且管间距等值增加的过程中，土壤的温降增加幅度越来越大，所以在严寒地区应综合考虑换热器的传热性能及地源热泵工程的初投资，合理确定地埋管换热器的管间距。

图7 不同管间距下系统运行10 年土壤温度变化特性示意图

2．4 地埋管埋深与钻孔数量对地源热泵系统运行特性的影响

影响地埋管换热器传热强度的另一关键设计参数为地埋管埋深。但如果单一改变埋深而不改变钻孔数量，将会使地埋管的换热能力发生改变。因此本文研究中控制地埋管换热器的换热能力不变，即不改变埋管换热器的总长度，通过改变埋深和钻孔数量，对典型区域的土壤温度场进行模拟。埋深及钻孔数量的工况设置如表3 所示，结果如图8 所示。

表3 地埋管换热器埋深及钻孔数量的工况设置

图8 不同埋深和钻井数量下系统运行10 年土壤温度降度示意图

由图8 可知，在严寒地区地埋管换热器管区土壤温降随埋管深度的增加而下降。当埋管设置为150 m×108 时，土壤10 年间温降最小，为5．36℃，当埋管设置为50 m ×324 时，土壤10 年间温降最大，为5．84℃，相比150 m ×108 的埋管设置，降幅增大了9．0%。因此在换热能力不变的前提下(即地埋管换热器总长度不变)，尽量增大埋深，有利于严寒地区土壤源热泵系统的稳定运行。

3 结论

(1)通过对地源热泵系统运行特性的研究，得到地源热泵系统长期运行下的土壤温度变化特性、机组COP 变化特性以及地埋管进出口水温变化特性。研究表明地源热泵系统在严寒地区单独长期运行情况下，会使地温大幅度降低，地源热泵系统的运行效果也将受到严重影响，需要对设计参数进行优化，以保证地源热泵系统运行的可靠性。

(2)本文在地源热泵系统运行特性分析的基础上，考虑多种因素相互作用，对影响地源热泵系统运行的关键设计参数进行逐项分析并给出优化方法，使地源热泵能够发挥最大功效。对于严寒地区无辅助热源情况下，应尽量降低土壤导热系数，降低回填材料导热系数，增加地埋管换热器间距，增加地埋管换热器埋深。

(3)经研究分析可知，通过对地源热泵系统关键设计参数的优化，能够使热泵系统发挥最大功效，但是在严寒地区，仍然不能维持地源热泵的长期有效运行，应在地源热泵系统关键设计参数优化的基础上外加辅助热源进行联合运行，使地源热泵系统能够长期有效运行。

［1］花莉，范蕊，潘毅群，等． 复合式地源热泵系统的回顾与发展［J］．制冷与空调，2011(5):518．

［2］Yi M，Hongxing Y，Zhaohong F． Study on hybrid ground－coupled heat pump systems［J］．Energy and Buildings，2008，40(11):20 －20，36．

［3］花莉，潘毅群，范蕊，等．基于TRNSYS 的土壤源热泵热平衡问题的影响因素分析［J］．建筑节能，2012(3):9－23．

［4］邓小茜，潘毅群，范蕊，等．土壤源热泵系统长期性能影响因素回归分析［J］．建筑热能通风空调，2013(4):1－6．

［5］宋胡伟，刘金祥，陈晓春，等． 不同地区土壤温度及建筑负荷特性对地源热泵系统的影响［J］． 建筑科学，2010(8):68 －73．

［6］王潇，郑茂余，张文雍．严寒地区太阳能－地埋管地源热泵地板辐射供暖性能的实验研究［J］． 暖通空调，2009(7):31 －128．

［7］张姝．严寒地区空气源土壤蓄热式热泵系统及运行特性研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2013．

［8］中华人民共和国建设部． 公共建筑节能设计标准:GB 50189 －2005(2005)［S］．北京:中国建筑工业出版社．

［9］中华人民共和国住房和城乡建设部．民用建筑供暖通风与空气调节设计规范，GB:50736 －2012(2012)［S］． 北京:中国建筑工业出版社．

［10］王熠．地源热泵土壤热物性不确定因素特征分析［D］．武汉:华中科技大学，2012．

［11］王辉．严寒地区土壤源热泵系统供暖长期运行性能特性研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2013．

［12］J．D． Spitler，J．R． Cullin，E． Lee，et al． Preliminary intermodel comparison of ground heat exchanger simulation models［C］//Proceedings of 11th International Conference on Thermal Energy Storage;Effstock 2009，Stockholm，Sweden，June 14 －17．