由(you)于(yu)較深的(de)地(di)層中在未受干(gan)擾的(de)情況下(xia)常(chang)年保(bao)持恒定的(de)溫度(du)，遠(yuan)高于(yu)冬(dong)季的(de)室外溫度(du)，又(you)低于(yu)夏季的(de)室外溫度(du)。地(di)源(yuan)熱(re)泵(beng)就是利用地(di)溫恒定這一特點，在冬(dong)季把地(di)能中的(de)熱(re)量;取出(chu)來提高溫度(du)后，供給室內的(de)熱(re)用戶(hu)；在夏季，把室內的(de)熱(re)量取出(chu)來，釋放到地(di)層中。

地源熱泵系統的基本結構可分為地上和地下兩個部分。地上部分主要是熱泵機組、補水箱和水泵。地下部分主要是與大地耦合的埋地換熱器，通過這個換熱器從大地中取熱和放熱。這就決定了埋地換熱器的換熱能力與當地的土壤、氣候的類型有很大關系。祝融環境地源熱泵專家詳細研究了地源熱 泵技術,結果表明，地源熱泵的初期成本較空氣源熱泵的(de)成本(ben)高(gao)約30%~50%。一旦埋管(guan)安裝完畢，年運行成本(ben)大大低于(yu)其它(ta)形式的(de)熱(re)泵系統(tong)(如(ru)空(kong)氣源熱(re)泵系統(tong))。

在地(di)(di)源(yuan)熱(re)泵應(ying)用(yong)系(xi)統中，由(you)于從地(di)(di)下(xia)(xia)提取熱(re)能(neng)是利用(yong)埋地(di)(di)換熱(re)器(GHE)完成的(de)(de)，GHE和(he)鄰近(jin)土(tu)壤之間的(de)(de)傳(chuan)(chuan)熱(re)主(zhu)要是通(tong)過(guo)熱(re)傳(chuan)(chuan)導，并(bing)在一(yi)定程度上(shang)依(yi)靠水分遷移。因此,傳(chuan)(chuan)熱(re)過(guo)程嚴重依(yi)賴于土(tu)壤類型、溫度和(he)土(tu)壤含(han)水率。研究表明，在制冷(leng)模(mo)式下(xia)(xia)垂直(zhi)閉環(huan)系(xi)統能(neng)更好(hao)地(di)(di)運行(xing)。垂直(zhi)埋地(di)(di)換熱(re)器通(tong)常(chang)是在垂直(zhi)的(de)(de)鉆孔中插入一(yi)個或兩個高(gao)密度聚乙烯(xi)U型管充當(dang)接地(di)(di)環(huan)路。 祝融環(huan)境(jing)地(di)(di)源(yuan)熱(re)泵專家研究還表明，盡管地(di)(di)源(yuan)熱(re)泵具有很多優點，但(dan)是地(di)(di)源(yuan)也不(bu)是可以無限制的(de)(de)利用(yong)，氣(qi)候(hou)條件(jian)的(de)(de)變(bian)化對與系(xi)統運行(xing)有很大的(de)(de)影(ying)響。本文研究了(le)制冷(leng)和(he)供熱(re)兩種(zhong)模(mo)式下(xia)(xia)，氣(qi)候(hou)變(bian)化對于地(di)(di)源(yuan)熱(re)泵系(xi)統運行(xing)的(de)(de)影(ying)響。

一、實驗(yan)裝置(zhi)

該(gai)實(shi)(shi)驗(yan)系統(tong)主要由兩個(ge)獨立的(de)(de)(de)回(hui)路(lu)組(zu)成:(1)水回(hui)路(lu);(2)制(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)劑(ji)回(hui)路(lu)。水回(hui)路(lu)中(zhong)的(de)(de)(de)水箱可以(yi)保(bao)證足夠的(de)(de)(de)水供(gong)應。制(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)劑(ji)回(hui)路(lu)是由封閉(bi)的(de)(de)(de)銅(tong)管(guan)組(zu)成，熱(re)(re)(re)泵中(zhong)制(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)劑(ji)為R22。熱(re)(re)(re)電偶(ou)的(de)(de)(de)輸出(chu)溫度傳送(song)到(dao)給一(yi)個(ge)數(shu)據記錄(lu)器(qi)，并(bing)記錄(lu)在計(ji)算機內。為了得(de)到(dao)埋(mai)(mai)地(di)(di)換(huan)熱(re)(re)(re)器(qi)的(de)(de)(de)進出(chu)口(kou)水溫以(yi)及冷(leng)(leng)凝(ning)器(qi)、蒸(zheng)發器(qi)進出(chu)口(kou)制(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)劑(ji)的(de)(de)(de)溫度，在管(guan)道內部每一(yi)個(ge)需要測試的(de)(de)(de)位置都安裝了熱(re)(re)(re)電偶(ou)。轉子流量計(ji)用來測量每一(yi)個(ge)埋(mai)(mai)地(di)(di)換(huan)熱(re)(re)(re)器(qi)的(de)(de)(de)流量，制(zhi)(zhi)熱(re)(re)(re)循環到(dao)制(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)循環的(de)(de)(de)轉化通(tong)過(guo)熱(re)(re)(re)泵機組(zu)的(de)(de)(de)一(yi)個(ge)四通(tong)閥(fa)實(shi)(shi)現。集(ji)中(zhong)井(jing)的(de)(de)(de)設置既可以(yi)平衡3個(ge)埋(mai)(mai)地(di)(di)換(huan)熱(re)(re)(re)器(qi)的(de)(de)(de)壓力，同時可以(yi)減(jian)少鋪設管(guan)路(lu)。實(shi)(shi)驗(yan)裝置可以(yi)實(shi)(shi)現在夏季制(zhi)(zhi)冷(leng)(leng)，冬季供(gong)熱(re)(re)(re)。

埋(mai)地換(huan)(huan)熱(re)(re)器采(cai)用(yong)并聯方式(shi)工作。埋(mai)地換(huan)(huan)熱(re)(re)器總深度為(wei)30m，換(huan)(huan)熱(re)(re)器之(zhi)間(jian)(jian)的間(jian)(jian)距(ju)是(shi)5m。埋(mai)地換(huan)(huan)熱(re)(re)器周(zhou)圍垂直分布6組(zu)熱(re)(re)電(dian)偶以(yi)采(cai)集(ji)土壤溫度。熱(re)(re)電(dian)偶之(zhi)間(jian)(jian)的距(ju)離(li)從下到上依次為(wei)10、8、6、3和3m。

二、結果分析

為了(le)確定系(xi)統的(de)(de)(de)(de)(de)整體(ti)性(xing)能(neng)，本地(di)(di)(di)(di)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵(beng)(beng)系(xi)統在(zai)(zai)穩(wen)態條(tiao)件下(xia)(xia)(xia)進行(xing)(xing)(xing)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)。對(dui)于運(yun)行(xing)(xing)(xing)中由實(shi)(shi)驗(yan)(yan)得到的(de)(de)(de)(de)(de)每(mei)個埋(mai)管(guan)周圍(wei)的(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(土(tu)壤溫(wen)(wen)(wen)度(du))的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)化(hua)(hua)(hua)(hua)情況(kuang)，事實(shi)(shi)上(shang)(shang)反(fan)映(ying)(ying)了(le)以下(xia)(xia)(xia)兩部分的(de)(de)(de)(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)度(du)：首先也是(shi)主要方面反(fan)映(ying)(ying)了(le)鉆(zhan)孔中的(de)(de)(de)(de)(de)線(xian)源(yuan)(U型(xing)管(guan)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)器(qi))自身的(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)作造成(cheng)溫(wen)(wen)(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)升(sheng)高/降(jiang)低(di)，另外是(shi)反(fan)映(ying)(ying)了(le)由土(tu)壤的(de)(de)(de)(de)(de)濕度(du)(季節變(bian)(bian)化(hua)(hua)(hua)(hua)引(yin)起)變(bian)(bian)化(hua)(hua)(hua)(hua)而引(yin)起的(de)(de)(de)(de)(de)土(tu)壤溫(wen)(wen)(wen)度(du)變(bian)(bian)化(hua)(hua)(hua)(hua)情況(kuang)。 在(zai)(zai)地(di)(di)(di)(di)下(xia)(xia)(xia)20m的(de)(de)(de)(de)(de)深度(du)條(tiao)件下(xia)(xia)(xia) 地(di)(di)(di)(di)源(yuan)熱(re)(re)(re)(re)泵(beng)(beng)運(yun)行(xing)(xing)(xing)在(zai)(zai)夏(xia)季(單純取冷)時，不(bu)同埋(mai)地(di)(di)(di)(di)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)周圍(wei)平均(jun)每(mei)天(tian)的(de)(de)(de)(de)(de)地(di)(di)(di)(di)下(xia)(xia)(xia)溫(wen)(wen)(wen)度(du)以及不(bu)同埋(mai)地(di)(di)(di)(di)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)量分布情況(kuang)。溫(wen)(wen)(wen)度(du)初始(shi)(shi)點是(shi)在(zai)(zai)熱(re)(re)(re)(re)泵(beng)(beng)啟動運(yun)行(xing)(xing)(xing)40h后開(kai)(kai)始(shi)(shi)采集。在(zai)(zai)夏(xia)季實(shi)(shi)驗(yan)(yan)開(kai)(kai)始(shi)(shi)時的(de)(de)(de)(de)(de)地(di)(di)(di)(di)下(xia)(xia)(xia)溫(wen)(wen)(wen)度(du)約為28℃,隨(sui)著實(shi)(shi)驗(yan)(yan)的(de)(de)(de)(de)(de)進行(xing)(xing)(xing)，地(di)(di)(di)(di)下(xia)(xia)(xia)溫(wen)(wen)(wen)度(du)很(hen)(hen)快(kuai)上(shang)(shang)升(sheng)。在(zai)(zai)運(yun)行(xing)(xing)(xing)20天(tian)到40天(tian)期間，溫(wen)(wen)(wen)度(du)上(shang)(shang)升(sheng)很(hen)(hen)快(kuai)，在(zai)(zai)運(yun)行(xing)(xing)(xing)40天(tian)后直到結束實(shi)(shi)驗(yan)(yan)的(de)(de)(de)(de)(de)第(di)90天(tian)的(de)(de)(de)(de)(de)時間段， 隨(sui)著熱(re)(re)(re)(re)平衡的(de)(de)(de)(de)(de)建立,溫(wen)(wen)(wen)度(du)變(bian)(bian)換(huan)趨于平穩(wen)。對(dui)于不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)埋(mai)地(di)(di)(di)(di)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)器(qi)，地(di)(di)(di)(di)下(xia)(xia)(xia)溫(wen)(wen)(wen)度(du)最終基本停留在(zai)(zai)一(yi)個穩(wen)定的(de)(de)(de)(de)(de)值(zhi)，平均(jun)溫(wen)(wen)(wen)度(du)超過(guo)了(le)37℃。在(zai)(zai)最初運(yun)行(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)40天(tian)里，雙(shuang)U的(de)(de)(de)(de)(de)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)力大(da)于單U的(de)(de)(de)(de)(de)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)力，40天(tian)后傳(chuan)熱(re)(re)(re)(re)開(kai)(kai)始(shi)(shi)惡化(hua)(hua)(hua)(hua)，雙(shuang)U和單U的(de)(de)(de)(de)(de)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)力相(xiang)當(dang),套管(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)能(neng)力最差。在(zai)(zai)這(zhe)里需(xu)要說(shuo)明(ming)的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi),實(shi)(shi)驗(yan)(yan)過(guo)程(cheng)中，當(dang)夏(xia)季地(di)(di)(di)(di)下(xia)(xia)(xia)溫(wen)(wen)(wen)度(du)上(shang)(shang)升(sheng)到37℃，也就是(shi)運(yun)行(xing)(xing)(xing)40天(tian)后，熱(re)(re)(re)(re)泵(beng)(beng)機組開(kai)(kai)始(shi)(shi)出(chu)現(xian)(xian)停機現(xian)(xian)象，說(shuo)明(ming)地(di)(di)(di)(di)下(xia)(xia)(xia)溫(wen)(wen)(wen)度(du)已達到了(le)傳(chuan)熱(re)(re)(re)(re)極限，不(bu)適合熱(re)(re)(re)(re)泵(beng)(beng)機組繼續運(yun)行(xing)(xing)(xing)。

受不同季節空氣溫度、濕度的影響，地下溫度也會發生變化。在冬季(單純取熱)，不同埋地換熱器周圍平均每天的地下溫度(20m下)以及不同埋地換熱器換熱量分布情況。 此時的實驗為夏季土壤溫度惡化后，系統停(ting)止運行兩個月后(hou)，受季(ji)節變化的影響，

土(tu)壤溫度(du)有所變化，最初運行時土(tu)壤溫度(du)為22℃，在運行20天后，土(tu)壤溫度(du)降低到(dao)17℃左右(you)。單U管(guan)和雙U管(guan)從(cong)地下(xia)提取(qu)熱(re)(re)量(liang)時,換熱(re)(re)能(neng)力(li)從(cong)初始運行的(de)60W/m降到(dao)不足(zu)(zu)45W/m。套管(guan)的(de)傳熱(re)(re)能(neng)力(li)從(cong)45W/m降到(dao)不足(zu)(zu)25W/m。在運行30天后，熱(re)(re)泵機組又出 現停運情況。

經過4個(ge)月春(chun)季的(de)系統停運后,到(dao)了(le)第二年(nian)的(de)夏(xia)天，重(zhong)新進行該實(shi)驗，發現地下溫度已經恢復到(dao)熱(re)泵(beng)可以重(zhong)新運作的(de)水平。取冷(leng)條件下，3種不同型式的(de)埋地換(huan)熱(re)器地下層的(de)初始溫度為(wei)25℃。可以看到(dao)，相同的(de)運行時(shi)，隨著運行時(shi)間的(de)延長(chang)，土壤溫度升高幅度較小(xiao)。

三、結　論(lun)

對(dui)地(di)(di)源(yuan)熱(re)泵系(xi)統(tong)(tong)進行了一系(xi)列實驗(yan)，研(yan)究了不(bu) 同季節條件(jian)對(dui)地(di)(di)源(yuan)熱(re)泵系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)影(ying)響。結果(guo)表明，氣(qi)候條件(jian)顯著影(ying)響著地(di)(di)源(yuan)熱(re)泵系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)工作性能(neng)。如果(guo)單純從地(di)(di)下(xia)取(qu)熱(re)，兩個月(yue)后，埋(mai)地(di)(di)換熱(re)器附近的(de)(de)地(di)(di)下(xia)溫(wen)度(du)將減少到不(bu)足20℃。如果(guo)單純從地(di)(di)下(xia)取(qu)冷，3 個月(yue)后，地(di)(di)下(xia)溫(wen)度(du)將超過(guo)37℃，地(di)(di)源(yuan)傳熱(re)惡化，不(bu)再適(shi)合進行空氣(qi)調節。為(wei)了保護(hu)好地(di)(di)源(yuan),使其(qi)成為(wei)可(ke)持續(xu)利用的(de)(de)土(tu)壤源(yuan)，從地(di)(di)下(xia)取(qu)冷和從地(di)(di)下(xia)取(qu)熱(re)應該相(xiang)對(dui)平衡。