动态负荷分布对土壤源热泵系统运行参数的影响

土壤源热泵系统是以土壤作为蓄热体向热泵提供冷热源的一种供暖/制冷方式，已经在国外研究和应用了30年以上，在国内也有10年左右的历史。据2000年的报告^[1]，美国使用垂直埋管系统占地源热泵系统的46 ％，水平埋管系统占38 ％，开式水井系统占15%，其余1%为其他。尽管土壤源热泵系统在国外技术相对成熟，但是国外的研究成果由于地质条件，技术条件、使用习惯等因素的差异，很少能完全直接为国内所用。

北工大地热供暖示范工程课题组对深层地热水的研究和进行示范工程的同时，又于2000年底开始，在实验室设计了垂直埋管和水平埋管的实验系统。并于2001--2002年施工和开始实验。对土壤源热泵系统进行持续分析研究，和进行多项配套工程的中试研究。

限于土壤热传导的惯性，在实验基础上模拟就十分重要。本文利用DEST软件^[2]及GLHEPRO软件^[3]，对本课题组的研究对象—不同的土壤源热泵系统进行模拟,对照，分析。

建立于暖通专业基础理论之上的逐时负荷计算，对于土壤源热泵系统尤其重要；DEST软件进入了实用化阶段后，本课题组使用DEST软件，大大提高了系统的分析进度和精度。

1 本校实验系统的动态负荷分布：

1.1 实验系统:

分三个系统,本文所分析的为其中一个系统,为北京工业大学制冷实验室的阳光大棚供暖制冷。系统热泵水源侧连接4个垂直单U形地埋管，孔深75米左右，孔距6米，每两个钻孔中间3米处有一个等深的检测孔，钻孔中安置上中下三个土壤温度传感器。由于地质情况，每个钻孔深度不完全相等，传感器位置相应有所变化。采用四种不同的回填材料进行填充，以比较回填材料对于温度场的影响。

1.2 系统动态负荷及其分布：

阳光大棚的逐时负荷如图1，逐月分布如表1所示^[2]，

表1 方案一 热负荷小于冷负荷时的的逐月分布

图1 阳光大棚的逐时负荷

从表1可以看出该建筑物的峰值冷负荷与峰值热负荷之比是2:1，月累计冷负荷中最大值4332.2KWh，月累计热负荷中最大值是3881.02KWh，小于冷负荷，相差450KWh。由DEST软件计算出全年的逐时负荷变化图，如图1所示，图中大于零的部分表示热负荷，小于零的部分表示冷负荷。由图中可以看出，热负荷集中分布在11月到3月的时间内，冷负荷集中分布在6月到9月时间段内，其中4～6月份以及9～11月份冷热负荷很小，处于过渡季节。 热负荷的大部分集中在12～2月份内，冷负荷的大部分集中分布在6～8月份内。从图中明显可以看出，冷负荷总体来说要大于热负荷，即如果在土壤源热泵系统中，向土壤中的放热要大于从土壤中的吸热。这说明在地埋管长度的设计中，主要矛盾是解决夏季放热问题。

2 改变负荷分布状况对于土壤源热泵系统设计参数的影响

2.1 改变负荷分布后地埋管的设计管长变化

为了比较不同的负荷对土壤源热泵系统的影响，改变负荷的分布情况，使之热负荷大于冷负荷以分析对系统的影响，如表2 方案二所示;方案一中其峰值冷/热负荷之比为2:1，且总体制热负荷小于制冷负荷；方案二中其峰值冷/热负荷之比为1:2，且总体制热负荷大于制冷负荷。下面就该系统在其它条件不变的情况下，分析负荷的变化对系统的影响。

表2 方案二 热负荷大于冷负荷的逐月分布

依据方案一 的负荷分布设计，土壤源热泵系统的孔洞的尺寸深度70米，改为方案二的负荷，其它条件不变的情况下，重新设计土壤源热泵系统，则计算所得的设计孔洞的尺寸深度是54米，比原来小了23％。加强了冬季的吸热，减少了夏季散热所需的管长（见表3）。

2.2 水源测流体的平均温度的变化

图2和图3分别是方案一和方案二的流体平均温度在50年内的变化情况^[3]。

图2 方案一 的水源侧流体平均温度　 图3 方案二 的水源侧流体平均温度

该计算使用了美国GLHEPRO程序，该程序系以线热源理论为基础编制。流体的平均温度在一定的范围内变化，而且在前十年内，流体的平均温度有上升的趋势，其后，变化幅度不是很大，基本维持恒定。这是因为整个系统的吸放热平衡需要一定的时间。方案 一 中流体的平均温度在11℃～29℃之间变化，方案二中流体的平均温度在10℃～27℃之间变化，见表3；方案一。下限值反映的是冬季采暖工况下的温度。在其它情况不变的情况下，热负荷越大，从土壤中吸的热越多，导致流体的平均温度越低。

方案一 中的制热负荷要小于方案二中的制热负荷，所以方案一流体的平均温度要大于方案二中流体的平均温度。流体的平均温度上限值反映的是夏季制冷工况下流体的温度。

3 改变系统的运行方式对土壤源热泵系统参数的影响

从图1所示实验室的负荷分布图中，可以看出，负荷呈波浪状分布。但是如果在运行时，一直保持峰值负荷运行状态，在原设计的系统中就会影响系统的运行参数。

3.1 采暖季一直维持峰值负荷运行状态时，对系统运行参数的影响

如果采暖季一直维持峰值热负荷运行状态，负荷分布如图4，图8，所示。此处采暖季采用的时间是从11月至3月，而冷负荷维持原状（此时的地下换热器的尺寸是每个孔洞73米，与原设计相差不是很大）。此时负荷呈阶梯状分布。在此情况下，模拟系统的参数运行情况，得出流体的平均温度变化情况。如图5所示。

从图5可以看出，流体的平均温度在7～27℃之间变化，而在图2中，即如果以设计负荷运行时，流体的平均温度在11℃～29℃之间变化。流体平均温度的上限值降低了2℃，而下限值降低了4℃。改变运行方式后，流体的平均温度上下限值都有所降低。这是因为流体的平均温度下限值反映的是系统采暖季运行的参数。改变运行方式后，系统的负荷明显大于原设计，从而系统从土壤中吸收的热量越大，导致土壤的温度就越低，所以流体的平均温度就越低。但降低的幅度要小于下限值。

图4 采暖季维持峰值负荷的负荷分布图 　图5 采暖季维持峰值负荷水源侧流体平均温度

从上面的分析可以看出，系统采暖季一直维持峰值负荷运行使得流体的平均温度降低，由于原设计的负荷分布是制冷负荷要大于制热负荷，所以在增大制热负荷的情况下，虽使流体的平均温度降低，但还在热泵可以接受的范围之内。如果负荷变化很大时，就会超出热泵水源侧的进口温度范围，下面举例说明。

3.2 制冷季一直维持峰值负荷运行状态时，对系统运行参数的影响

如果制冷季一直维持峰值负荷运行状态，负荷分布如图6，图9 所示。此处制冷季采用的时间是从6月至9月，而热负荷维持原状（此时的地下换热器的尺寸是每个孔洞158米，与原设计相差很大）。此时负荷呈阶梯状分布。在此情况下，模拟系统的参数运行情况，得出流体的平均温度变化情况，如图7所示。

从图7可以看出，流体的平均温度最后稳定在20～56℃之间变化，而在原设计负荷运行时，流体的平均温度在11℃～29℃之间变化。流体平均温度的上限值已经超出了热泵水源侧的进口温度范围，即系统设计失败。因为本身系统的冷负荷大于热负荷，如果再增大

图6 制冷季维持峰值负荷的负荷分布图　 图7 图6的水源侧流体平均温（45-55℃）

冷负荷，导致系统向土壤中的放热急剧增多，从而土壤的温度急剧上升，使得系统采暖季从土壤中吸收的热量不足以抵消系统向土壤中的放热量，从而导致系统设计失败。

图8 采暖季维持峰值负荷的负荷分布图 图9 制冷季维持峰值负荷的负荷分布图

3.3 仅供采暖，夏季不予制冷的运行工况:

图10 仅供采暖负荷的负荷分布 　图11 仅供采暖时水源侧的最小温度（2- -1℃）

3.4 仅供制冷，冬季不予采暖的运行工况:
图12 仅供制冷负荷的负荷分布图　 图13仅供制冷时水源侧最高进水温（29-33℃）3

4 结论：

4.1 在设计土壤源热泵系统时，逐时的负荷的正确计算，影响到土壤中吸和放的热量的平衡。如果冬夏逐月总制热量和总制冷量不平衡，冬夏峰值负荷不平衡，或如果用户要求只需供热，不需供冷；或要求只需供冷，不需供热；则在使用时，要有足够的补救措施。

4 2 正确运行土壤源热泵系统，可以保证系统的性能和运行效率。其中水源侧最大和最小温度会影响到系统的制冷/制热能力。

4.3 在所有的建筑物暖通系统模拟中，建筑物动态负荷的模拟是暖通专业的基础理论。

5 参考文献：

（1）John W Lund and Tonya L. Boyd: “Geothermal Direct- Use in the United States Update: 1995-1999. Proceedings World Geothermal Congress 2000,, May 28-June 10 , 2000;

（2）清华大学 江 忆，燕 达，等 ，DEST 软件；2003年;

（3）美国地源热泵协会，GLHEPRO 软件；3.03版

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