作者：郑晓敏
埋管式地源热泵技术是一种利用地表浅层地热资源的高效节能环保技术。随着埋管式地源热泵技术的快速发展，岩土体热失衡问题已成为制约该技术发展的瓶颈。一般来说，在地表10 m以下的岩土体温度可以保持长年稳定分布：岩土体温度变化状况是岩土体热量是否平衡的反映。地埋管与岩土体的传热过程是一个复杂的非稳态传热过程，影响岩土体热平衡问题的因素很多。国内外的专家学者针对埋管式地源热泵系统的热平衡问题开展了大量研究二徐辉对夏热冬冷地区某市的实际工程案例进行了分析，认为地源热泵系统热平衡问题是由建筑的冷热负荷决定的。马宏权对夏热冬冷地区的武汉市某住宅小区的埋管式地源热泵系统进行了分析，认为影响岩土体热失衡的两个最主要因素是单位地埋管换热器钻孔深度年运行热净差和地埋管换热器的布置间距。姚灵锋对寒冷地区的郑州市某花卉市场的地源热泵系统进行了分析，认为地源热泵系统热失衡问题是由夏季累积释热量与冬季累积吸热量的不平
衡率所决定的。Rottmayer S P对岩土体热平衡与孔深关系的研究表明：当夏季向地下释热累计量与冬季从地下吸热累计量均衡时，孔深不随运行时间变化：当夏季向地下累计释热量与冬季从地下累计吸热量不均衡时，地埋管换热器的热性能下降：随着运行时间的延长，所需的设计孔深呈对数曲线增大。Michel AB通过模拟分析认为．岩土体的热平衡是个复杂多变的过程，它与复杂的分层地质差异多变的地下水含量与流速、长期运行空调逐时负荷的变化等储多微观因素有关，对其量化分析存在理论上的困难。
我国地域辽阔，巨大的地域差异造成室外气象参数差别较大，大部分地区的建筑物全年累计冷热负荷不平衡。目前，未见黄土高原寒冷地区埋管式地源热泵系统热平衡问题的研究报道。本文通过对在黄土高原寒冷地区应用的某埋管式地源热泵系统的岩土体温度进行研究及分析认为，不能简单地以全年累计冷热负荷的大小来评判岩土体的热平衡性以及确定埋管式地源热泵的适用性，还应考虑岩土体的温度恢复特性。
1试验简介
埋管式地源热泵系统工程位于山西省吕梁山某高速公路站区，属于黄土高原寒冷地区。该站区总空调面积为3 500 m2，系统末端为风机盘管加独立新风系统。地埋管侧共有82口直径为150 mm，深度为70 m的换热井，在井深40 m左右为含水层二换热井布置方式为等间距阵列布置，井间距为4.5 m;埋管形式采用单U型竖直埋管，U型管采用外径为32 mm的PE管，各井内U型埋管采用同程方式连接。
为全面测试埋管式地源热泵系统的温度变化规律，选取3x3矩阵排列的9口换热井单元所包围的岩土体容积为研究试验区域。其中，中心处换热井定义为A井，其余8口换热井分别定义为1~8号井。在换热井A周围另钻取3口测试井B，C，D。测试井的大小、深度与换热井A完全相同，但仅用于埋设岩土体温度传感器（图1）。
温度传感器的测量范围为-55～125℃，测量精度的一致性达到+-0.1 0C，分辨率为0.062 5℃。温度传感器埋设前，用标准温度计进行了校验。在本试验系统测试中，温度测试范围为8.87～16.55℃，因此温度测试误差最大值为
在换热井A的供回水管外侧分别绑设第I，Ⅱ组温度传感器，每组均有8个温度传感器，从U型管最底端（即地下70 m处）往上，每隔10 m绑1个温度传感器。测试井B，C，D内所埋直管上分别绑设第Ⅲ，IV，V组温度传感器，绑定方式与换热井A相同（图2）：利用所埋的温度传感器对井A，B，C，D内的岩土体温度进行连续监测。
试验的监控为实时监控，利用自行开发的人机友好界面的E nview监控系统软件，对整个热泵系统运行状况进行可视化的监控。监测所得的岩土体温度数据传送至监控机房，数据采集模块采集数据后，再通过通讯转换模块将数据传至电脑并自动记录。
2岩土体温度响应特性分析
在系统运行前，测得换热井A供回水管外侧、测试井B，C，D各深度处岩土体的原始温度分布（表1）。
图3为供冷初期间歇制冷运行的40 h内，换热井A供水管外侧岩土体的逐时温度。在开机初始阶段1～6 h，管壁处岩土体的温度随时间变化得很快，达到稳定温度的95%，然后变化缓慢，经过30 h后其温度趋于稳定，温度波动幅度为0.18—0.38℃，岩土体的平均温升率为0.093 0C/h。
供冷期结束后，岩土体温度开始恢复。图4为停机后换热井A供水管外侧不同深度处岩土体的逐时温度。
由表2可见，随着恢复时间的增加，岩土体的恢复率逐渐升高，岩土体的温度逐渐趋于原始温度。在停机120 h后，换热井-10，-20，-30,-40，-50，-60，-70 m处的恢复率分别为66.9%．68.9%, 67.5%, 74.4%， 76.0%， 78.2%,88.4 %，可见岩土体的温度恢复较好。随着恢复时间的继续增加，岩土体的恢复率会继续逐渐增大。此外，随着恢复时间的增加，岩土体的恢复速率逐渐降低，岩土体的恢复能力逐渐下降，温度逐渐趋于平缓。若以17 h计，管壁岩土体温度场的恢复速率为0.081~0.1580C/h。岩土体前期(0<t≤17 h)的。恢复能力约为后期(t>82 h)的80倍。可见，前期的，恢复能力对系统间歇运行有利，在实际工程应用中，可由岩土体的恢复特性去考虑埋管式地源热泵系统间歇运行的停机时间。
3岩土体热平衡分析
由以上分析可知：该试验工程的岩土体温度响应较快，恢复能力也较好。岩土体的恢复特性直接关系着岩土体的热平衡问题，岩土体恢复特性越好，越利于岩土体的热平衡。这是影响埋管式地源热泵工程岩土体热平衡的一个重要因素，决定了该埋管式地源热泵系统的长期稳定运行。
本文整理了该系统从2010年冬季投入运行到2012年夏季的监测记录数据，并进行了分析。热泵系统在供热期和供冷期均采用启停比为7：9的间歇运行。图5给出了在各运行期结束时，不同深度处，换热井A供水管外侧岩土体的终温。
从图5可以看出，岩土体温度接近于以年为周期正弦规律的变化，在供冷期1到恢复期2的蓄热阶段，温度逐渐升高；在取热阶段，温度逐渐降低．在各运行期结束时，换热井A的供水管外侧岩土体的终温最高值出现在供冷期1终了时，-10．-20， -30， -40，-50，-60, -70 m处的终温最高值分别为14.73，15.60，14.72，15.03，15.82，16.55,15.10℃；终温最低值出现在供热期1终了时，-10，-20，-30，-40,-50，-60，-70 m处的终温最低值分别为8.87，9.40，9.44，9.14，9.57，9.63，9.91 0C。供水管外侧除了-40 m外，其他各层岩土体温度基本随深度增加而升高。-40 m处岩土体温升的斜率较其他深度小，温降的斜率较其他深
度大，其原因是-40 m左右的岩土体为含水层，含水层的回填材料的平均比热容较大，渗流作用较强，热量向周围散失较快，导致该处温度梯度较大。
由图5可得，岩土体的温度在供冷期1升高得较快、在恢复期2降低得也较快，这是由于该供试工程的岩土体温度响应快，恢复能力较好。
图6、图7、图8分别给出了在各运行期结束时，不同深度处测试井B，C，D处岩土体的终温。
由图6可见，同换热井A相似，测试井B处的岩土体温度也呈现以年为周期的近似于正弦规律的变化。除了-40 m深度外，其他深度处的终温最高值出现在恢复期2终了时，-10，-20，-30，-50，-60．-70 m处的终温最高值分别为11.31，11.76，11.54,11.58,11.60,11.60℃：而-40 m深度处的终温最高值出现在供冷期1终了时，温度最高值为11.99℃。这是因为-40 m左右处的岩土体为含水层，含水层渗流作用较强，热量向周围散失较快，导致该处在恢复期2的温降较快。各深度处的终温最低值出现在供热期1终了时，-10，-20，-30，-40，-50，-60，-70 m处的岩土体终温最低值分别为9.25, 9.14, 9.23, 9.43, 9.70, 9.85, 10.72℃。测试井C，D同测试井B的变化趋势相同。
由此可以看出，换热井和测试井的变化规律基本一致，但测试井要比换热井的变化滞后一些，测试井的温度变化斜率比换热井的温度变化斜率小，曲线较平缓，而且温度变化幅度也要小一些，说明热流传递到测试井需要一定的时间，而且蓄热和取热过程对换热井的影响也要大一些。这是因为岩土体换热是管内强迫传热和管外自然传热的一种复合传热过程，其热阻主要是管外的岩土体热阻，因此岩土体传热的波峰衰减和时间延迟就显得非常明显。
对比2010年12月10日～2011年10月27日与2011年6月13日—2012年6月9日的两个运行周年可知：该埋管式地源热泵系统工程位于寒冷地区，建筑累计冷负荷小于热负荷，岩土体温度场的周年温度均有所回升。由图5可见，从供热期1到恢复期1结束，与原始温度相比，温度场平均降低了1.42～1.52 ℃，但从供冷期l到恢复期2结束，与原始温度相比，温度场平均升高了0.47~0.55℃。从图5~8也可看出，恢复期3结束后，岩土体温度场比供冷期1开始时平均升高了0.77℃。可见随着系统的运转，充分利用岩土体的自然恢复能力，岩土体温度场有望恢复到原始温度场。从理论上讲，全年累计冷热负荷差异较大时，会导致岩土体温度的升高或者降低，造成其温度不断偏离原始温度，对系统运行效率的影响也越大，不利于系统的持续稳定运行。根据相关资料统计，一般情况下土壤温度降低1℃，制取同样热量的能耗要增加3%~5%。但是，实际上若充分考虑岩土体温度场的自我恢复能力及恢复时间，埋管式地源热泵系统是有可能持续稳定运行的。由此可见，地埋管侧的冬夏总换热量的差值不是影响岩土体热平衡的唯一原因，单纯地以全年累计冷热负荷是否相等来判断岩土体的热平衡是值得商榷的。对应用在不同气候区、不同建筑的埋管式地源热泵系统，对大地的释热量、吸热量、岩土体的温度响应特性进行综合评价后，才能得到合理的结论。
4结语
通过对应用在黄土高原寒冷地区的埋管式地源热泵实验工程长期运行下的岩土体的温度场进行研究分析，得出以下结论。
机组开机1～6 h，管壁处岩土体的温度随时间变化得很快，达到稳定温度的95%；30 h后，其温度趋于平稳，岩土体的温升率为0.0930C/h。
机组停机82 h后，岩土体的温度基本趋于稳定。岩土体的恢复率随恢复时间的增加而增加，但恢复速率随恢复时间的增加而降低。岩土体前期(O<t≤17 h)的恢复能力约为后期(t>82 h)的80倍。可见，前期的恢复能力好对系统间歇运行有利。在实际工程应用中，可由岩土体的恢复特性决定埋管式地源热泵系统间歇运行的停机时间。
对不同气候区的不同建筑的埋管式地源热泵系统，单纯地从全年累计冷热负荷是否相等来判断岩土体的热平衡是值得商榷的。建议从全年累计冷热负荷平衡和岩土体的温度响应特性两个角度进行综合分析，进而确定埋管式地源热泵的适用性，以保证埋管式地源热泵系统稳定可靠地运行。
本文的研究工作是初步的，还须进一步研究系统的动态负荷特性、间歇运行的启停比对岩土体热平衡的影响。
5摘要：
以黄土高原寒冷地区埋管式地源热泵系统工程为平台，进行了为期两年的供热、恢复、供冷长期试验。在 间歇制冷工况下，对换热井内岩土体的温度响应进行了研究。研究结果显示，开机30h后，岩土体温度趋于稳定，温度波动幅度为0.18～0.38℃；停机82h后，岩土体温度基本恢复稳定，温度下降范围仅为0.06—0.19℃。通过对T程岩土体热平衡分析发现，单纯地以全年累计冷热负荷的差异来判断岩土体的热平衡是值得商榷的，建议从全年累计冷热负荷平衡和岩土体的温度响应特性两个角度进行综合分析，进而确定埋管式地源热泵的适用性，以保证埋管式地源热泵系统长期稳定可靠地运行。试验结果可为黄土高原寒冷地区埋管式地源热泵系统的推广应用提供参考。
