由于較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度。地源熱泵就是利用地溫恒定這一特點，在冬季把地能中的熱量;取;出來提高溫度后， 供給室內的熱用戶；在夏季，把室內的熱量取出來，釋放到地層中。地源熱泵系統(tǒng)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。LundJW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成本高約30%~50%。一旦埋管安裝完畢，年運行成本大大低于其它形式的熱泵系統(tǒng)(如空氣源熱泵系統(tǒng))。在地源熱泵應用系統(tǒng)中，由于從地下提取熱能是利用埋地換熱器(GHE)完成的，GHE和鄰近土壤之間的傳熱主要是通過熱傳導，并在一定程度上依靠水分遷移。因此,傳熱過程嚴重依賴于土壤類型、溫度和土壤含水率。研究表明，在制冷模式下垂直閉環(huán)系統(tǒng)能更好地運行。垂直埋地換熱器通常是在垂直的鉆孔中插入一個或兩個高密度聚乙烯U型管充當接地環(huán)路。 OlympiaZogou研究還表明，盡管地源熱泵具有很多優(yōu)點，但是地源也不是可以無限制的利用，氣候條件的變化對與系統(tǒng)運行有很大的影響。本文研究了制冷和供熱兩種模式下，氣候變化對于地源熱泵系統(tǒng)運行的影響。 一、實驗裝置 該實驗系統(tǒng)主要由兩個獨立的回路組成:(1)水回路;(2)制冷劑回路。水回路中的水箱可以保證足夠的水供應。制冷劑回路是由封閉的銅管組成，熱泵中制冷劑為R22。熱電偶的輸出溫度傳送到給一個數據記錄器，并記錄在計算機內。為了得到埋地換熱器的進出口水溫以及冷凝器、蒸發(fā)器進出口制冷劑的溫度，在管道內部每一個需要測試的位置都安裝了熱電偶。轉子流量計用來測量每一個埋地換熱器的流量，制熱循環(huán)到制冷循環(huán)的轉化通過熱泵機組的一個四通閥實現。集中井的設置既可以平衡3個埋地換熱器的壓力，同時可以減少鋪設管路。實驗裝置可以實現在夏季制冷，冬季供熱。 埋地換熱器采用并聯方式工作。埋地換熱器總深度為30m，換熱器之間的間距是5m。埋地換熱器周圍垂直分布6組熱電偶以采集土壤溫度。熱電偶之間的距離從下到上依次為10、8、6、3和3m。 二、結果分析 為了確定系統(tǒng)的整體性能，本地源熱泵系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下進行實驗。對于運行中由實驗得到的每個埋管周圍的溫度(土壤溫度)的變化情況，事實上反映了以下兩部分的溫度：首先也是主要方面反映了鉆孔中的線源(U型管換熱器)自身的運作造成溫度的升高/降低，另外是反映了由土壤的濕度(季節(jié)變化引起)變化而引起的土壤溫度變化情況。 在地下20m的深度條件下 地源熱泵運行在夏季(單純取冷)時，不同埋地換熱器周圍平均每天的地下溫度以及不同埋地換熱器換熱量分布情況。溫度初始點是在熱泵啟動運行40h后開始采集。在夏季實驗開始時的地下溫度約為28℃,隨著實驗的進行，地下溫度很快上升。在運行20天到40天期間，溫度上升很快，在運行40天后直到結束實驗的第90天的時間段， 隨著熱平衡的建立,溫度變換趨于平穩(wěn)。對于不同的埋地換熱器，地下溫度最終基本停留在一個穩(wěn)定的值，平均溫度超過了37℃。在最初運行的40天里，雙U的換熱能力大于單U的換熱能力，40天后傳熱開始惡化，雙U和單U的換熱能力相當,套管的換熱能力最差。在這里需要說明的是,實驗過程中，當夏季地下溫度上升到37℃，也就是運行40天后，熱泵機組開始出現停機現象，說明地下溫度已達到了傳熱極限，不適合熱泵機組繼續(xù)運行。 受不同季節(jié)空氣溫度、濕度的影響，地下溫度也會發(fā)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(tǒng)停止運行兩個月后，受季節(jié)變化的影響，土壤溫度有所變化，最初運行時土壤溫度為22℃，在運行20天后，土壤溫度降低到17℃左右。單U管和雙U管從地下提取熱量時,換熱能力從初始運行的60W/m降到不足45W/m。套管的傳熱能力從45W/m降到不足25W/m。在運行30天后，熱泵機組又出 現停運情況。 經過4個月春季的系統(tǒng)停運后,到了第二年的夏天，重新進行該實驗，發(fā)現地下溫度已經恢復到熱泵可以重新運作的水平。取冷條件下，3種不同型式的埋地換熱器地下層的初始溫度為25℃?？梢钥吹?，相同的運行時，隨著運行時間的延長，土壤溫度升高幅度較小。 三、結 論 對地源熱泵系統(tǒng)進行了一系列實驗，研究了不 同季節(jié)條件對地源熱泵系統(tǒng)的影響。結果表明，氣候條件顯著影響著地源熱泵系統(tǒng)的工作性能。如果單純從地下取熱，兩個月后，埋地換熱器附近的地下溫度將減少到不足20℃。如果單純從地下取冷，3 個月后，地下溫度將超過37℃，地源傳熱惡化，不再適合進行空氣調節(jié)。為了保護好地源,使其成為可持續(xù)利用的土壤源，從地下取冷和從地下取熱應該相對平衡。
