摘要：本文利用所建的地源热泵模拟模型对R22地源热泵系统的运行特性的模拟结果进行了分析，探讨了影响地源热泵运行特性的主要因素，并对不同土壤类型、不同回填材料、不同运行方式的地源热泵运行特性进行了模拟分析对比。研究表明，土壤特性对地源热泵的运行特性有重要的影响，回填材料也在一定程度上，制约着地源热泵的运行特性；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。
关键词：地源热泵 运行特性 模拟分析 1 前言
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[1]。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*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。
本文利用所建立的基于圆柱源理论的地源热泵运行特性模拟模型[2]对R22地源热泵系统的全年运行模拟结果进行了分析，探讨了不同土壤类型、不同回填材料、不同运行方式对地源热泵运行特性的影响，以期对我国的地源热泵的推广应用能有所裨益。
2 R22地源热泵的运行特性模拟
以河北工程学院地源热泵实验系统为模拟分析对象。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。
全年运行特性的模拟结果见表1，热泵冬季和夏季的启动工况性能见图1和图2。
表1 R22地源热泵系统全年运行模拟结果 冬季工况
夏季工况
平均每米管长吸热量 W/m
25.94
平均每米管长排热量 W/m
49.56
平均每米管长供热量 W/m
38.29
平均每米管制冷量 W/m
35.87
平均制热系数COPh
3.10
平均制冷系数COP
2.62
埋管平均出水温度 ℃
2.28
埋管平均出水温度 ℃
42.48
埋管换热器平均进水温度 ℃
0.13
埋管换热器平均进水温度 ℃
46.57
全年运行总能耗：36470 kWh
图1 R22热泵冬季启动工况 图2 R22热泵夏季启动工况
通过对R22地源热泵系统运行特性的模拟，可以得出以下结论：
2.1 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；
2.2 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；
2.3 实验研究已表明，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，*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，*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。
2.4 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。
3 不同土壤和不同回填材料地源热泵模拟结果
3.1 不同土壤地源热泵系统模拟
本文所研究的地源热泵实验系统，现场土壤属于重饱和潮湿性土壤，土壤的导热系数＝2.40W/m.k，土壤扩散系数＝0.003252m2/h，前节的模拟结果即是在上述土壤特性条件下进行的。现考虑一重土潮湿性土壤，根据文献[3]，该类型土壤的导热系数＝1.30W/m.k，土壤扩散系数＝0.0023m2/h，冬季和夏季的启动工况模拟结果对比见图3和图4，土壤导热系数＝1.30W/m.k时的季制热系数COPh和夏季循环性能系数COP分别为2.82和1.87。
图3冬季启动工况性能对比 图4 夏季启动工况性能对比
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。
3.2 不同回填材料地源热泵系统模拟结果
在埋管井中充填不同的回填材料，对地下埋管换热器传热特性和地源热泵运行特性也有着不同程度的影响。本文的地源热泵实验系统采用细砂和粘土混合物作为回填材料，在土壤类型上也属于种重饱和潮湿性土壤，导热系数＝2.40kW/m.k。国外地源热泵的埋管井回填，通常采用灌浆的方法，一般采用水泥为基料的灌浆或以膨润土为基料的灌浆。为考察回填材料对地源热泵运行特性的影响，在土壤特性等条件相同时，现以文献[4]中给出的增强型膨润土和砂浆混合物的灌浆材料（＝2.91kW/m.k）进行地源热泵运行模拟，冬季和夏季不同回填材料的启动工况性能比较见图5和图6。回填材料导热系数＝2.91kW/m.k冬季制热系数COPh和夏季循环性能系数COP分别为3.12和2.69。
图5 冬季启动工况性能对比 图6夏季启动工况性能对比
不同回填材料的模拟研究结果表明，采用导热系数高的回填材料，冬季热泵运行时，埋管换热器进水温度和出水温度都有所升高，吸热量和供热量增加，热泵制热系数增大；夏季埋管换热器进水温度和出水温度降低，埋管换热器排热量、热泵制冷量增加，热泵压缩机输入功率降低，热泵循环性能系数提高。
(源自：)
因此，总体来看，回填材料导热系数高，对热泵的运行性能在冬季和夏季都有一定的程度的改善，回填材料导热系数越大，其性能改善的程度也越大。此外，采用水泥基料的灌浆，也可有效防止污染物从地面向下渗漏，并能防止各含水层之间水的移动。有利于地下水资源的保护。灌浆材料的选择和灌浆方法的研究，应是我国目前推广地源热泵技术的一个值得研究的课题。
3.3 不同土壤特性和回填材料的热泵运行能耗比较
根据模拟结果， 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，比较的土壤和回填材料物性参数见表2，运行能耗的比较结果见表3。
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。
表2 土壤和回填材料物性 比较类型
土壤材料
W/m.k
土壤扩散系数m2/h
土壤比热kJ/kg.℃
回填材料
W/m.k
标 准
重饱和潮湿土壤
2.40
0.003252
0.84
细砂和饱和粘土
2.40
条件1
重土壤潮湿
1.30
0.0023
0.96
细砂和饱和粘土
2.40
条件2
轻土壤潮湿
0.86
0.0019
1.05
细砂和饱和粘土
2.40
条件3
重饱和潮湿土壤
2.40
0.003252
0.84
膨润土－砂浆
2.91
条件4
重饱和潮湿土壤
2.40
0.003252
0.84
重砂浆
3.33
注：1.土壤物性数据来源见文献[3]，回填材料物性数据来源见文献[4、5]。
2.条件1、条件2为不同土壤类型，条件3、条件4为不同回填材料类型。
表3 不同土壤和回填材料地源热泵运行能耗比较 比较类型
冬季制热系数
夏季制冷系数
全年运行能耗kWh
能耗比值％
标 准
3.10
2.62
36470
100
条件1
2.82
1.87
45881
125.80
条件2
2.58
1.34
58303
159.87
条件3
3.12
2.69
35844
98.28
条件4
3.14
2.73
35461
97.23
4 不同埋管长度和不同负荷比例地源热泵模拟结果
4.1 不同埋管长度地源热泵系统模拟结果
运行特性的理论分析已经表明，适当增加埋管换热器长度、降低单位埋管换热器长度换热量，可进一步提高地源热泵的运行节能效果。对应着本文研究的地源热泵实验系统的埋管换热器长度480m（2眼埋管井，井深120m），现考虑一埋管换热器系统，当埋管换热器长度增加到600m（3眼埋管井，井深100m）时，满足同样供热量和制冷量的全年运行能耗对比见表4、冬季和夏季的模拟结果对比见图7和图8。
表4 不同埋管长度全年运行能耗比较 埋管长度 m
冬季制热系数
夏季制冷系数
全年运行能耗kWh
能耗比值％
480
3.10
2.62
36470
100
600
3.24
3.06
32945
90.33
图7 冬季启动工况性能对比 图8 夏季启动工况性能对比
模拟结果表明，当埋管换热器长度增加后，冬季埋管吸热量、热泵供热量、埋管进出水温度和制热系数都有较大程度提高；夏季埋管进出水温度降低、埋管排热量和热泵制冷量、热泵制冷系数也有较大程度的提高。全年运行能耗的比较也说明，当埋管长度增加了25％后，运行能耗降低了9.67％。不同埋管换热器长度的地源热泵运行特性的模拟结果说明，在地源热泵系统设计和方案规划时，应综合考虑系统初投资和运行费用的大小，合理确定埋管长度。
4.2 不同机组容量比例地源热泵系统模拟结果
图9 冬季启动工况性能对比 图10夏季启动工况性能对比
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**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。
5 结论
5.1 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；
5.2 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；
5.3 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。
参考文献
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(2) 王景刚，马一太，张子平. 地源热泵的运行特性模拟研究. 工程热物理学报，2003，24（3）：361－366
3) 谢汝镛. 地源热泵系统的设计. 见：殷平主编，现代空调(3).北京：中国建筑工业出版社，2001：33－73
(4) Zhang Q, Murphy W E. Measurement of thermal conductivity for three borehole fill materials used for GSHP. ASHRAE Transaction, 2000, 106(2):434-441
(5) Kavanaugh S P,.Allan M L. Testing of thermally enhanced cement ground heat exchanger grouts. ASHER Trans., 1999,105(1): 446-451
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