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【摘 要】 近年来，热泵作为空调系统的冷热源得到了广泛性的应用，我国以空气源热泵为冷热源的建筑可以说是数不胜数的，随着国家深入贯彻节能降耗的政策，地埋管地源热泵也呈现出迅猛发展的态势。但是，由于人们对地埋管地源热泵在认识上还存在着不足，出现了部分地源热泵系统投入运行后不节能的尴尬局面。本文主要对地埋管地源热泵系统的节能效果与经济运行展开了分析。
【关键词】 地埋管地源热泵系统；节能效果；经济运行
一、前言
为一种高效、节能的绿色环保系统，土壤热源热泵系统特别适宜在广大夏热冬冷地区推广应用。本文试图通过对一个地埋管地源热泵系统的实际测试，了解系统运行参数、土壤温度等的变化态势，并对系统的经济性以及节能性进行简单评估。本文主要对地埋管地源热泵系统的节能效果以及经济运行情况做出综合评价。
二、节能性分析
1.夏季地源热泵机组地源侧进水温度越低，地埋管地源热泵相对于空气源热泵越节能，这是因为机组地源侧进水温度越低，地源热泵机组的冷凝温度越低，在机组蒸发温度恒定的情况下，机组压缩机的压缩比越小，压缩机的效率就越高，机组的能效比越高，节能越明显。
2.夏季室外气温越高，地埋管地源热泵相对于空气源热泵越节能，这是因为夏季室外气温越高，空气源热泵的冷凝温度越高，在蒸发温度恒定的情况下，机组压缩机的压缩比越大，机组的能效比越低，地源热泵的节能效果越明显。
3.夏季，地源热泵机组地源侧进水温度高于32℃后，當室外温度低于30℃时，地源热泵开始比空气源热泵多耗能；当地源热泵机组地源侧进水温度高于34℃后，在整个夏季，地源热泵相对于空气源热泵便没有明显节能效果；当地源热泵机组地源侧进水温度高于36℃后，在整个夏季，地源热泵比空气源热泵要多消耗能源，这是因为随着地源热泵机组地源侧进水温度逐渐升高，地源热泵的冷凝温度和空气源热泵的冷凝温度相同或者地源热泵的冷凝温度更高，使得地源热泵机组压缩机的压缩比和空气源热泵压缩机的压缩比相同或者地源热泵机组压缩机的压缩比更高，地源热泵机组压缩机的效率降低，机组失去节能意义。
三、冬季经济运行分析
1.冬季，地源热泵机组地源侧进水温度越高，地埋管地源热泵相对于空气源热泵越节能，这是因为地源热泵机组地源侧进水温度越高，地源热泵机组的蒸发温度越高，在冷凝温度恒定的情况下，机组压缩机的压缩比越小，机组的能效比越大，节能越明显。
2.冬季室外气温越低，地埋管地源热泵相对于空气源热泵越节能，这是因为室外温度越低，空气源热泵机组的蒸发温度越低，在冷凝温度恒定的情况下，机组压缩机的压缩比越大，机组的能效比越小，地源热泵机组的节能效果越明显。
3.冬季，室外气温低于4℃后，地源热泵的节能效果明显提升，这是因为在室外气温低于4℃以后，由于上海地区的相对湿度较大，空气源热泵运行时会结霜并定期除霜，自身的供热效率明显降低，而地埋管地源热泵不存在这一现象，从而使得地源热泵的节能效果明显提升。
四、夏季经济运行分析
本文地源热泵系统2011年夏季运行从6月1日开始，9月20日结束，其中第13周（8月24～30日）和第15周（9月7日～13日）由于故障维修处于停机状态，因此，实际空调时间为14周（98天）。
表2给出了该系统的夏季累计能耗情况，由式（3）计算可知，系统和机组COP分别为2.11和4.03，从能量平衡角度，系统应满足以下理论关系：累计排热量=累计供冷量+累计耗电量，但实际计算表明，二者相对偏差约为13%，这主要源自管路热量损失和测量误差，尤其是后者占主要因素，实际上，由于设计和运行管理等方面原因，该系统空调侧的供回水温差常小于1℃，造成热量表计量出现一定的误差，导致结果偏小一些，相比之下，累计排热量和累计耗电量结果较为准确，在此以实际监测的末端侧进出口温度和流量为计算依据，来避免热量表计量造成的误差，得出系统和机组COP分别为2.6和4.93。
从经济角度，夏季累计运行耗电量为55.4万元（电价为0.7元/kW·h），其中机组和水泵的耗电量分别为29.1万元和26.3万元。考虑同时使用的空调建筑面积折合约3.2万m2，这相当于单位面积的供冷量和运行费分别为61.2kW·h和17.3元。根据《中国建筑节能年度发展研究报告（2008）》统计数据，北京地区公共建筑空调系统能耗多在10～50kW·h/m2之间。相比之下，本文的地源热泵空调系统基本可以划归为高能耗范围。
五、冬季运行测试研究
1.地下土壤温度测试结果与分析
由于该地源热泵系统夏季的冷凝热并未全部排到地下土壤中（其中一部分被用来制取免费的生活热水），在夏季排热和冬季取热不等的情况下，可能造成土壤热量不平衡，引起地下土壤温度场异常变化，进而影响到地源热泵系统的正常运行，因此对地下土壤温度变化的观测研究尤显重要。在整个测试期间地下土壤温度并未出现异常，最高值和最低值分别为14.3℃，10.1℃，均在正常范围内。说明该系统连续运行3年来，并未因不平衡取热而导致土壤温度异常降低。主要原因可能是目前的排热量和取热量基本平衡，并未超出土壤本身自调的能力范围，但若干年后，土壤温度是否会逐步降低，有待进一步检测后验证。检测期内，地下土壤温度变化趋势同室外气温变化趋势基本一致。其原因是室外气温越低，为维持热舒适，用户所需供热量也越大，从地下土壤取得的热量也就越多，导致被测土壤温度也降低。
对用户室内温度的检测及调查发现，该系统冬季部分时段室内温度略低（16℃左右）。后经计算发现，是埋管场地有限、地下埋管数量略少的缘故，并非技术原因。
2.机组进出口水温变化
测试期间，每隔1min对机组地埋管水侧和用户侧的水温进行测量。在整个运行测试阶段，用户侧的供回水和地埋管侧的供回水温度均在正常范围内波动。地埋管的出水温度在11℃左右，用户侧的供水温度在38.3℃左右。地埋管和用户侧的进出口平均水温差分别为1.67℃，2.08℃，且波动范围很小（0.78～2.58℃），可以看出地源热泵系统的换热情况比较稳定，比一般的空气源热泵要稳定得多。
在部分时段出现了室外气温越低，用户侧供回水温差、地埋管侧供回水温差越大的情况。在流量一定的情况下，温差越大，换热量也就越大，能满足用户的需求。
3.单位孔深取热量的变化
不同深度地埋管侧的换热是非稳态的，并且受到很多非线性因素的影响。同一深度的不同区域也会产生不同的换热效果。单位孔深取热量影响着用户侧的供热量以及机组的性能系数。根据式（2）可得到每日的地埋管取热量，除以总管长的一半
六、系统优化运行实验
系统在冬季运行时，大部分时间都不是在满负荷工况下。系统优化运行实验主要是测试不同压缩机运行台数时系统和机组的COP值，测试时冷凝器出水温度均控制在30～35℃。
随着压缩机工作台数的减少，系统和机组的COP增大较明显，2台压缩机工作时系统和机组的COP值最大，比4台压缩机工作时分别高12.2%和11%。分析原因，主要在于随着压缩机工作台数的减少，地埋管换热器和土壤之间的换热量减少，进入机组蒸发器中的循环介质温度升高，从而提高了系统和机组的COP。
七、结束语
在我国的能源消耗中，建筑能耗约占20%。在建筑能耗中，供暖、通风和空调能耗所占的比例超过60%。我国建筑消耗的能源主要为化石能源，化石能源燃烧过程中产生的烟灰、氧化物等有害物质对环境的污染已成为严重的问题，必须进行控制。
地埋管地源热泵主要以浅层地能为热源，具有节能性好、运行稳定及环保等优点，使用地埋管地源热泵必将成为未来建筑节能和减排的主要方向。
参考文献：
[1]刘逸，李炳熙，付忠斌.严寒地区地埋管地源热泵系统设计及运行优化.暖通空调-2011年08期第77-80页
[2]赵冰，湛文贤等.某地埋管地源热泵系统夏季运行性能分析.河北工业大学学报-2012年04期第49-54页
[3]王勇，刘清华.基于全寿命周期成本的地埋管地源热泵系统间歇运行能效分析.土木建筑与环境工程-2012年34期第82-88页
[4]张静波.上海地区地埋管地源热泵和空气源热泵的节能性分析.暖通空调-2011年03期第102-107页
【关键词】 地埋管地源热泵系统；节能效果；经济运行
一、前言
为一种高效、节能的绿色环保系统，土壤热源热泵系统特别适宜在广大夏热冬冷地区推广应用。本文试图通过对一个地埋管地源热泵系统的实际测试，了解系统运行参数、土壤温度等的变化态势，并对系统的经济性以及节能性进行简单评估。本文主要对地埋管地源热泵系统的节能效果以及经济运行情况做出综合评价。
二、节能性分析
1.夏季地源热泵机组地源侧进水温度越低，地埋管地源热泵相对于空气源热泵越节能，这是因为机组地源侧进水温度越低，地源热泵机组的冷凝温度越低，在机组蒸发温度恒定的情况下，机组压缩机的压缩比越小，压缩机的效率就越高，机组的能效比越高，节能越明显。
2.夏季室外气温越高，地埋管地源热泵相对于空气源热泵越节能，这是因为夏季室外气温越高，空气源热泵的冷凝温度越高，在蒸发温度恒定的情况下，机组压缩机的压缩比越大，机组的能效比越低，地源热泵的节能效果越明显。
3.夏季，地源热泵机组地源侧进水温度高于32℃后，當室外温度低于30℃时，地源热泵开始比空气源热泵多耗能；当地源热泵机组地源侧进水温度高于34℃后，在整个夏季，地源热泵相对于空气源热泵便没有明显节能效果；当地源热泵机组地源侧进水温度高于36℃后，在整个夏季，地源热泵比空气源热泵要多消耗能源，这是因为随着地源热泵机组地源侧进水温度逐渐升高，地源热泵的冷凝温度和空气源热泵的冷凝温度相同或者地源热泵的冷凝温度更高，使得地源热泵机组压缩机的压缩比和空气源热泵压缩机的压缩比相同或者地源热泵机组压缩机的压缩比更高，地源热泵机组压缩机的效率降低，机组失去节能意义。
三、冬季经济运行分析
1.冬季，地源热泵机组地源侧进水温度越高，地埋管地源热泵相对于空气源热泵越节能，这是因为地源热泵机组地源侧进水温度越高，地源热泵机组的蒸发温度越高，在冷凝温度恒定的情况下，机组压缩机的压缩比越小，机组的能效比越大，节能越明显。
2.冬季室外气温越低，地埋管地源热泵相对于空气源热泵越节能，这是因为室外温度越低，空气源热泵机组的蒸发温度越低，在冷凝温度恒定的情况下，机组压缩机的压缩比越大，机组的能效比越小，地源热泵机组的节能效果越明显。
3.冬季，室外气温低于4℃后，地源热泵的节能效果明显提升，这是因为在室外气温低于4℃以后，由于上海地区的相对湿度较大，空气源热泵运行时会结霜并定期除霜，自身的供热效率明显降低，而地埋管地源热泵不存在这一现象，从而使得地源热泵的节能效果明显提升。
四、夏季经济运行分析
本文地源热泵系统2011年夏季运行从6月1日开始，9月20日结束，其中第13周（8月24～30日）和第15周（9月7日～13日）由于故障维修处于停机状态，因此，实际空调时间为14周（98天）。
表2给出了该系统的夏季累计能耗情况，由式（3）计算可知，系统和机组COP分别为2.11和4.03，从能量平衡角度，系统应满足以下理论关系：累计排热量=累计供冷量+累计耗电量，但实际计算表明，二者相对偏差约为13%，这主要源自管路热量损失和测量误差，尤其是后者占主要因素，实际上，由于设计和运行管理等方面原因，该系统空调侧的供回水温差常小于1℃，造成热量表计量出现一定的误差，导致结果偏小一些，相比之下，累计排热量和累计耗电量结果较为准确，在此以实际监测的末端侧进出口温度和流量为计算依据，来避免热量表计量造成的误差，得出系统和机组COP分别为2.6和4.93。
从经济角度，夏季累计运行耗电量为55.4万元（电价为0.7元/kW·h），其中机组和水泵的耗电量分别为29.1万元和26.3万元。考虑同时使用的空调建筑面积折合约3.2万m2，这相当于单位面积的供冷量和运行费分别为61.2kW·h和17.3元。根据《中国建筑节能年度发展研究报告（2008）》统计数据，北京地区公共建筑空调系统能耗多在10～50kW·h/m2之间。相比之下，本文的地源热泵空调系统基本可以划归为高能耗范围。
五、冬季运行测试研究
1.地下土壤温度测试结果与分析
由于该地源热泵系统夏季的冷凝热并未全部排到地下土壤中（其中一部分被用来制取免费的生活热水），在夏季排热和冬季取热不等的情况下，可能造成土壤热量不平衡，引起地下土壤温度场异常变化，进而影响到地源热泵系统的正常运行，因此对地下土壤温度变化的观测研究尤显重要。在整个测试期间地下土壤温度并未出现异常，最高值和最低值分别为14.3℃，10.1℃，均在正常范围内。说明该系统连续运行3年来，并未因不平衡取热而导致土壤温度异常降低。主要原因可能是目前的排热量和取热量基本平衡，并未超出土壤本身自调的能力范围，但若干年后，土壤温度是否会逐步降低，有待进一步检测后验证。检测期内，地下土壤温度变化趋势同室外气温变化趋势基本一致。其原因是室外气温越低，为维持热舒适，用户所需供热量也越大，从地下土壤取得的热量也就越多，导致被测土壤温度也降低。
对用户室内温度的检测及调查发现，该系统冬季部分时段室内温度略低（16℃左右）。后经计算发现，是埋管场地有限、地下埋管数量略少的缘故，并非技术原因。
2.机组进出口水温变化
测试期间，每隔1min对机组地埋管水侧和用户侧的水温进行测量。在整个运行测试阶段，用户侧的供回水和地埋管侧的供回水温度均在正常范围内波动。地埋管的出水温度在11℃左右，用户侧的供水温度在38.3℃左右。地埋管和用户侧的进出口平均水温差分别为1.67℃，2.08℃，且波动范围很小（0.78～2.58℃），可以看出地源热泵系统的换热情况比较稳定，比一般的空气源热泵要稳定得多。
在部分时段出现了室外气温越低，用户侧供回水温差、地埋管侧供回水温差越大的情况。在流量一定的情况下，温差越大，换热量也就越大，能满足用户的需求。
3.单位孔深取热量的变化
不同深度地埋管侧的换热是非稳态的，并且受到很多非线性因素的影响。同一深度的不同区域也会产生不同的换热效果。单位孔深取热量影响着用户侧的供热量以及机组的性能系数。根据式（2）可得到每日的地埋管取热量，除以总管长的一半
六、系统优化运行实验
系统在冬季运行时，大部分时间都不是在满负荷工况下。系统优化运行实验主要是测试不同压缩机运行台数时系统和机组的COP值，测试时冷凝器出水温度均控制在30～35℃。
随着压缩机工作台数的减少，系统和机组的COP增大较明显，2台压缩机工作时系统和机组的COP值最大，比4台压缩机工作时分别高12.2%和11%。分析原因，主要在于随着压缩机工作台数的减少，地埋管换热器和土壤之间的换热量减少，进入机组蒸发器中的循环介质温度升高，从而提高了系统和机组的COP。
七、结束语
在我国的能源消耗中，建筑能耗约占20%。在建筑能耗中，供暖、通风和空调能耗所占的比例超过60%。我国建筑消耗的能源主要为化石能源，化石能源燃烧过程中产生的烟灰、氧化物等有害物质对环境的污染已成为严重的问题，必须进行控制。
地埋管地源热泵主要以浅层地能为热源，具有节能性好、运行稳定及环保等优点，使用地埋管地源热泵必将成为未来建筑节能和减排的主要方向。
参考文献：
[1]刘逸，李炳熙，付忠斌.严寒地区地埋管地源热泵系统设计及运行优化.暖通空调-2011年08期第77-80页
[2]赵冰，湛文贤等.某地埋管地源热泵系统夏季运行性能分析.河北工业大学学报-2012年04期第49-54页
[3]王勇，刘清华.基于全寿命周期成本的地埋管地源热泵系统间歇运行能效分析.土木建筑与环境工程-2012年34期第82-88页
[4]张静波.上海地区地埋管地源热泵和空气源热泵的节能性分析.暖通空调-2011年03期第102-107页