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摘要：本文结合具体工程测试，研究土壤源热泵系统冬季供暖能耗特性，分析供热量对热泵系统系能的影响以及冬季和夏季工况下系统性能系数变化趋势，计算冬季系统的季节能效比。通过本文的研究，可以为土壤源热泵系统设计及运行方式提供一定的参考，对长期运行的系统出现冷热不平衡、系统性能系数降低的现象，给出了处理建议。
关键字：地源热泵；性能系数；季节能效比
中图分类号： TE44 文献标识码： A
0 引言
土壤源热泵系统，尤其是垂直埋管式系统因其节能、环保不受地质条件的影响，被公认为最具有发展潜力的地源热泵技术。但是在我国北方等一些气候寒冷地区，建筑物冬季的供暖负荷远大于夏季制冷负荷，并且由于土壤温度较低，单一的地源热泵系统为了满足冬季的供暖负荷，势必要选择较大功率的热泵机组，并增加地下热井的数量，这样就造成系统投资过大，整体经济性降低。同时在热泵系统的长期连续运行状态下，地下埋管换热器的进出口循环水温度将越来越低，直到换热器运行在低于0℃的亚稳定状态，这将导致热泵机组的蒸发温度降低和性能系数的下降，另一方面，过低的埋管换热器进水温度有可能产生载冷剂结冻的现象，或者由于热泵机组的低温保护而频繁地自行停机。
本文通过实验测试，研究土壤源泵系统能耗及其性能变化，针对北方寒冷地区的气候特点，为寻求一种更为理想的供暖空调系统及复合热源型式，提供理论支持和科学依据。
1工程概况
本文研究对象为山西省某站区太阳能耦合土壤源热泵系统，该系统供站区综合楼、综合工区等房屋采暖及职工生活热水使用，站区总建筑面积16342.3m2，热负荷1.44MW，生活热水小时耗热量157kW，供暖季节为10月底至次年的4月初共计5个月，制冷季节为6月至8月共计3个月时间。站前广场面积巨大，用于埋设垂直埋管换热器。
工程所在地区冬季采暖室外计算温度-21℃，空调室外计算温度-24℃，夏季空调计算温度为28.3℃，仅依靠热泵系统冬夏季冷热交换，很难实现热量收支平衡。为保证系统长期高效运行，设有太阳能回灌至室外埋管区的动能，可将夏季富裕的太阳能蓄存至地下，以备冬季使用。
2实验数据处理方法
2.1 系统供热能力
地源热泵系统冬季供热量按下式计算【1】：
(1)
式中：—土壤源热泵机组供热量，kW；—水的比热，kJ/（kg·℃）；—土壤源热泵机组冬季的进出水瞬时温差，℃；—系统循环水流量，kg/s。
土壤源热泵机组的COP=总热量/热泵机组输入功率【2】。冬季地埋管换热器的吸热量按下式计算：
(2)
式中： —地埋管换热器的吸热量，kW；—水的比热，kJ/（kg·℃）；—冬季通过地埋管换热器的水流量，kg/s；—冬季地埋管换热器进出水的瞬时温差，℃。
2.3 季节能效比
典型季节能效比是指土壤源热泵系统的制冷/制热量与系统功耗的比值，这里系统的功耗是指热泵机组压缩机，以及空调冷热水系统循环水泵、地埋泵的耗功之和（不包括空调末端设备的功率）。
季节能效比的测量应该在土壤源热泵系统稳定运行后进行，测试周期应为2-3天时间。季节能效比应根据测试的数据进行计算得出，计算公式如下【3】：
（3）
式中SEER——壤源热泵系统的季节能效比；Q——测试期内的总制冷量或总制冷量，kJ；N i——测试期内的总耗功量，kJ；∑Nj——测试期内各水泵的总耗功量，kJ。
3土壤源热泵系统实验分析
3.1 热负荷对系统性能系数的影响
与夏季的方法相同，在冬季通过对土壤源热泵系统在各个负荷工况的测试，可以获得对应工况下的系统性能系数COP，具体测试结果如图1所示。
图1 制热量与COP的关系
从图1中，可以看到与夏季运行相似的变化规律，在部分负荷工况下COP会维持在相应的低水平，而随着系统制热量的增加，其对应的COP也在不断的增加，这说明机组在冬季和夏季具有相似的负荷特性。
3.2冬季系统性能系数变化研究
（1）系统性能系数COP
图2 冬季系统COP变化曲线
图2中曲线是基于冬季测试数据绘制的，选取了十个典型工况点的数据，从图中可知：系统的COP可以维持在比较稳定的范围内，一般在3左右，地埋管换热器的进出水温度變化较稳定；当地埋管换热器的进出水温差较大时，单位井深换热量也较大，反之，当地埋管换热器的进出水温差较小时，单位井深换热量也较小。
（2）系统COP变化趋势
本项目通过对供暖季系统性能系数的长期监测，来分析系统在供暖季的运行稳定性。如图3所示为系统从2011年12月15日连续运行至2012年2月15日时的系统COP变化曲线。
图3 冬季系统COP变化曲线（额定工况下测试）
从图3中可以看出，在2011年12月15日系统的COP略大于2.85，但经过一个多月的连续运行后，到2012年2月15日，系统的COP降低到稍大于2.7的水平，系统的COP下降了0.15左右，出现下降的趋势同冬季土壤温度变化、负荷特点变化，以及系统水泵的运行状态等因素有关；一方面说明本项目所研究的系统在长期的供暖运行过程中，其系统COP较为稳定，可以实现比较稳定的运行；另一方面也说明在供暖季系统的长期、连续运行过程中，土壤温度的缓慢下降对系统运行产生了不良的影响，导致热泵机组压缩机的能耗在缓慢增加（因为水泵都是定流量运行），降低了系统运行的性能系数。
（3）相邻供暖季系统性能系数COP的变化
通过对测试时间内相邻两个供暖季系统性能系数的测定，可得出土壤源热泵系统在两个供暖季内系统性能系数COP的变化，两个供暖季节分别是2010～2011年初和2011年底～2012年初，测试的结果如图12所示。
图4 冬季系统COP变化
从图4可以看出，在每一个供暖季，随着系统连续运行时间的增加，系统的性能系数COP都会出现持续的缓慢下降，这与在土壤温度实测中发现的土壤温度下降的结果相吻合，土壤温度下降的直接后果就是地埋管换热器的换热性能下降， 热泵机组压缩机的功耗增加；另外，两个供暖季系统的性能系数相差也较大，主要原因是：系统在实际运行过程中，两个供暖季地埋泵的运行台数发生了变化，在第二个供暖季，地埋泵的运行台数更多，使得运行时地埋泵的功耗相应增加，也导致了系统性能系数在第二个供暖季节时会出现较大的下降。
针对上述实测和分析结果，为了更好的优化系统运行方案，必须采取一定的应对措施来减缓土壤温度场的下降趋势，使得系统在今后连续的运行中可以保持较高的运行性能，具体可以采取的方案包括采用辅助热源（如锅炉），连接现有的太阳能集热系统实现太阳能-土壤源热泵系统的联合运行模式，一方面实现土壤的跨季节蓄热，另一方面在冬季有条件的情况下实现土壤源热泵系统的间歇性运行。另外，优化系统的运行控制策略，最好采用热泵机组与地埋泵运行台数的联锁自控，降低地埋泵的运行功耗。
（4）季节能效比
选取土壤源热泵系统在冬季稳定运行时间段的数据进行计算，具体的时间段为2011.12.25～2011.12.20共5天。在这一测试周期的数据中，可以统计出土壤源热泵系统的总制热量QSL、压缩机的耗功量Ni以及各个水泵的耗功量∑Nj分别为149303kWh、40719kWh、15205kWh。将统计数据代入公式（3）可得：SEER=149303/（40719+15205）=2.67，故根据测试结果，可计算出土壤源热泵系统冬季供暖的季节性能系数为2.67。
4 结论
(1).地源热泵系统在部分负荷工况下性能系数较低，应尽量减少低负荷工况下系统的运行时间，设计中应根据负荷特性做好分区，并选择好机组台数配置。
（2）大多数地源热泵系统存在吸热和放热难于平衡的问题，随着运行周期增大，地埋管区域温度会出现明显上升或下降的趋势，这都影响系统的性能系数，应采取措施遏制这种趋势。
（3）热泵机组的性能系数一般比土壤源热泵系统的性能系数高1左右，空调用户端循环水泵和地源端循环泵的耗功对土壤源热泵系统性能系数的影响非常大，合理选择水泵、降低水泵的能耗是提高土壤源热泵系统性能系数的重要途径。
参考文献
赵军，宋德坤，李新国等．埋地换热器放热工况的现场运行实验研究【J】．太阳能学报，2005(2)．
曾和义，刁乃仁，方肇洪．竖直埋管地热换热器钻孔内的传热分析[J]．太阳能学报，2004(3)．
刘圣春，马一太，刘秋菊．季节能效比（SEER）与综合部分负荷值（IPLV）的一致性分析[J]．制冷与空调，2008,8（6）：10～14.
关键字：地源热泵；性能系数；季节能效比
中图分类号： TE44 文献标识码： A
0 引言
土壤源热泵系统，尤其是垂直埋管式系统因其节能、环保不受地质条件的影响，被公认为最具有发展潜力的地源热泵技术。但是在我国北方等一些气候寒冷地区，建筑物冬季的供暖负荷远大于夏季制冷负荷，并且由于土壤温度较低，单一的地源热泵系统为了满足冬季的供暖负荷，势必要选择较大功率的热泵机组，并增加地下热井的数量，这样就造成系统投资过大，整体经济性降低。同时在热泵系统的长期连续运行状态下，地下埋管换热器的进出口循环水温度将越来越低，直到换热器运行在低于0℃的亚稳定状态，这将导致热泵机组的蒸发温度降低和性能系数的下降，另一方面，过低的埋管换热器进水温度有可能产生载冷剂结冻的现象，或者由于热泵机组的低温保护而频繁地自行停机。
本文通过实验测试，研究土壤源泵系统能耗及其性能变化，针对北方寒冷地区的气候特点，为寻求一种更为理想的供暖空调系统及复合热源型式，提供理论支持和科学依据。
1工程概况
本文研究对象为山西省某站区太阳能耦合土壤源热泵系统，该系统供站区综合楼、综合工区等房屋采暖及职工生活热水使用，站区总建筑面积16342.3m2，热负荷1.44MW，生活热水小时耗热量157kW，供暖季节为10月底至次年的4月初共计5个月，制冷季节为6月至8月共计3个月时间。站前广场面积巨大，用于埋设垂直埋管换热器。
工程所在地区冬季采暖室外计算温度-21℃，空调室外计算温度-24℃，夏季空调计算温度为28.3℃，仅依靠热泵系统冬夏季冷热交换，很难实现热量收支平衡。为保证系统长期高效运行，设有太阳能回灌至室外埋管区的动能，可将夏季富裕的太阳能蓄存至地下，以备冬季使用。
2实验数据处理方法
2.1 系统供热能力
地源热泵系统冬季供热量按下式计算【1】：
(1)
式中：—土壤源热泵机组供热量，kW；—水的比热，kJ/（kg·℃）；—土壤源热泵机组冬季的进出水瞬时温差，℃；—系统循环水流量，kg/s。
土壤源热泵机组的COP=总热量/热泵机组输入功率【2】。冬季地埋管换热器的吸热量按下式计算：
(2)
式中： —地埋管换热器的吸热量，kW；—水的比热，kJ/（kg·℃）；—冬季通过地埋管换热器的水流量，kg/s；—冬季地埋管换热器进出水的瞬时温差，℃。
2.3 季节能效比
典型季节能效比是指土壤源热泵系统的制冷/制热量与系统功耗的比值，这里系统的功耗是指热泵机组压缩机，以及空调冷热水系统循环水泵、地埋泵的耗功之和（不包括空调末端设备的功率）。
季节能效比的测量应该在土壤源热泵系统稳定运行后进行，测试周期应为2-3天时间。季节能效比应根据测试的数据进行计算得出，计算公式如下【3】：
（3）
式中SEER——壤源热泵系统的季节能效比；Q——测试期内的总制冷量或总制冷量，kJ；N i——测试期内的总耗功量，kJ；∑Nj——测试期内各水泵的总耗功量，kJ。
3土壤源热泵系统实验分析
3.1 热负荷对系统性能系数的影响
与夏季的方法相同，在冬季通过对土壤源热泵系统在各个负荷工况的测试，可以获得对应工况下的系统性能系数COP，具体测试结果如图1所示。
图1 制热量与COP的关系
从图1中，可以看到与夏季运行相似的变化规律，在部分负荷工况下COP会维持在相应的低水平，而随着系统制热量的增加，其对应的COP也在不断的增加，这说明机组在冬季和夏季具有相似的负荷特性。
3.2冬季系统性能系数变化研究
（1）系统性能系数COP
图2 冬季系统COP变化曲线
图2中曲线是基于冬季测试数据绘制的，选取了十个典型工况点的数据，从图中可知：系统的COP可以维持在比较稳定的范围内，一般在3左右，地埋管换热器的进出水温度變化较稳定；当地埋管换热器的进出水温差较大时，单位井深换热量也较大，反之，当地埋管换热器的进出水温差较小时，单位井深换热量也较小。
（2）系统COP变化趋势
本项目通过对供暖季系统性能系数的长期监测，来分析系统在供暖季的运行稳定性。如图3所示为系统从2011年12月15日连续运行至2012年2月15日时的系统COP变化曲线。
图3 冬季系统COP变化曲线（额定工况下测试）
从图3中可以看出，在2011年12月15日系统的COP略大于2.85，但经过一个多月的连续运行后，到2012年2月15日，系统的COP降低到稍大于2.7的水平，系统的COP下降了0.15左右，出现下降的趋势同冬季土壤温度变化、负荷特点变化，以及系统水泵的运行状态等因素有关；一方面说明本项目所研究的系统在长期的供暖运行过程中，其系统COP较为稳定，可以实现比较稳定的运行；另一方面也说明在供暖季系统的长期、连续运行过程中，土壤温度的缓慢下降对系统运行产生了不良的影响，导致热泵机组压缩机的能耗在缓慢增加（因为水泵都是定流量运行），降低了系统运行的性能系数。
（3）相邻供暖季系统性能系数COP的变化
通过对测试时间内相邻两个供暖季系统性能系数的测定，可得出土壤源热泵系统在两个供暖季内系统性能系数COP的变化，两个供暖季节分别是2010～2011年初和2011年底～2012年初，测试的结果如图12所示。
图4 冬季系统COP变化
从图4可以看出，在每一个供暖季，随着系统连续运行时间的增加，系统的性能系数COP都会出现持续的缓慢下降，这与在土壤温度实测中发现的土壤温度下降的结果相吻合，土壤温度下降的直接后果就是地埋管换热器的换热性能下降， 热泵机组压缩机的功耗增加；另外，两个供暖季系统的性能系数相差也较大，主要原因是：系统在实际运行过程中，两个供暖季地埋泵的运行台数发生了变化，在第二个供暖季，地埋泵的运行台数更多，使得运行时地埋泵的功耗相应增加，也导致了系统性能系数在第二个供暖季节时会出现较大的下降。
针对上述实测和分析结果，为了更好的优化系统运行方案，必须采取一定的应对措施来减缓土壤温度场的下降趋势，使得系统在今后连续的运行中可以保持较高的运行性能，具体可以采取的方案包括采用辅助热源（如锅炉），连接现有的太阳能集热系统实现太阳能-土壤源热泵系统的联合运行模式，一方面实现土壤的跨季节蓄热，另一方面在冬季有条件的情况下实现土壤源热泵系统的间歇性运行。另外，优化系统的运行控制策略，最好采用热泵机组与地埋泵运行台数的联锁自控，降低地埋泵的运行功耗。
（4）季节能效比
选取土壤源热泵系统在冬季稳定运行时间段的数据进行计算，具体的时间段为2011.12.25～2011.12.20共5天。在这一测试周期的数据中，可以统计出土壤源热泵系统的总制热量QSL、压缩机的耗功量Ni以及各个水泵的耗功量∑Nj分别为149303kWh、40719kWh、15205kWh。将统计数据代入公式（3）可得：SEER=149303/（40719+15205）=2.67，故根据测试结果，可计算出土壤源热泵系统冬季供暖的季节性能系数为2.67。
4 结论
(1).地源热泵系统在部分负荷工况下性能系数较低，应尽量减少低负荷工况下系统的运行时间，设计中应根据负荷特性做好分区，并选择好机组台数配置。
（2）大多数地源热泵系统存在吸热和放热难于平衡的问题，随着运行周期增大，地埋管区域温度会出现明显上升或下降的趋势，这都影响系统的性能系数，应采取措施遏制这种趋势。
（3）热泵机组的性能系数一般比土壤源热泵系统的性能系数高1左右，空调用户端循环水泵和地源端循环泵的耗功对土壤源热泵系统性能系数的影响非常大，合理选择水泵、降低水泵的能耗是提高土壤源热泵系统性能系数的重要途径。
参考文献
赵军，宋德坤，李新国等．埋地换热器放热工况的现场运行实验研究【J】．太阳能学报，2005(2)．
曾和义，刁乃仁，方肇洪．竖直埋管地热换热器钻孔内的传热分析[J]．太阳能学报，2004(3)．
刘圣春，马一太，刘秋菊．季节能效比（SEER）与综合部分负荷值（IPLV）的一致性分析[J]．制冷与空调，2008,8（6）：10～14.