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(yuǎn)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(diǎn)，在冬季把地能中的熱量;取;出來提高溫度后， 供給室內(nèi)的熱用戶；在夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地層中。
地源熱泵系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)可分為地上和地下兩個(gè)部分。地上部分主要是熱泵機(jī)組、補(bǔ)水箱和水泵。地下部分主要是與大地耦合的埋地?fù)Q熱器，通過這個(gè)換熱器從大地中取熱和放熱。這就決定了埋地?fù)Q熱器的換熱能力與當(dāng)?shù)氐耐寥?、氣候的類型有很大關(guān)系。LundJW詳細(xì)研究了地源熱 泵技術(shù),結(jié)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(yùn)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(yīng)用系統(tǒng)中，由于從地下提取熱能是利用埋地?fù)Q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(dǎo)，并在一定程度上依靠水分遷移。因此,傳熱過程嚴(yán)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(yùn)行。垂直埋地?fù)Q熱器通常是在垂直的鉆孔中插入一個(gè)或兩個(gè)高密度聚乙烯U型管充當(dāng)接地環(huán)路。 OlympiaZogou研究還表明，盡管地源熱泵具有很多優(yōu)點(diǎn)，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(yùn)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(yùn)行的影響。
一、實(shí)驗(yàn)裝置
該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由兩個(gè)獨(dú)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(yīng)。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(gè)數(shù)據(jù)記錄器，并記錄在計(jì)算機(jī)內(nèi)。為了得到埋地?fù)Q熱器的進(jìn)出口水溫以及冷凝器、蒸發(fā)器進(jìn)出口制冷劑的溫度，在管道內(nèi)部每一個(gè)需要測試的位置都安裝了熱電偶。轉(zhuǎn)子流量計(jì)用來測量每一個(gè)埋地?fù)Q熱器的流量，制熱循環(huán)到制冷循環(huán)的轉(zhuǎn)化通過熱泵機(jī)組的一個(gè)四通閥實(shí)現(xiàn)。集中井的設(shè)置既可以平衡3個(gè)埋地?fù)Q熱器的壓力，同時(shí)可以減少鋪設(shè)管路。實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)在夏季制冷，冬季供熱。
埋地?fù)Q熱器采用并聯(lián)方式工作。埋地?fù)Q熱器總深度為30m，換熱器之間的間距是5m。埋地?fù)Q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(jié)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對于運(yùn)行中由實(shí)驗(yàn)得到的每個(gè)埋管周圍的溫度(土壤溫度)的變化情況，事實(shí)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(yùn)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(yùn)行在夏季(單純?nèi)±?/span>)時(shí)，不同埋地?fù)Q熱器周圍平均每天的地下溫度以及不同埋地?fù)Q熱器換熱量分布情況。溫度初始點(diǎn)是在熱泵啟動運(yùn)行40h后開始采集。在夏季實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的地下溫度約為28℃,隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，地下溫度很快上升。在運(yùn)行20天到40天期間，溫度上升很快，在運(yùn)行40天后直到結(jié)束實(shí)驗(yàn)的第90天的時(shí)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?fù)Q熱器，地下溫度最終基本停留在一個(gè)穩(wěn)定的值，平均溫度超過了37℃。在最初運(yùn)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(dāng),套管的換熱能力最差。在這里需要說明的是,實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)夏季地下溫度上升到37℃，也就是運(yùn)行40天后，熱泵機(jī)組開始出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象，說明地下溫度已達(dá)到了傳熱極限，不適合熱泵機(jī)組繼續(xù)運(yùn)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?nèi)?/span>)，不同埋地?fù)Q熱器周圍平均每天的地下溫度(20m下)以及不同埋地?fù)Q熱器換熱量分布情況。 此時(shí)的實(shí)驗(yàn)為夏季土壤溫度惡化后，系統(tǒng)停止運(yùn)行兩個(gè)月后，受季節(jié)變化的影響，
土壤溫度有所變化，最初運(yùn)行時(shí)土壤溫度為22℃，在運(yùn)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(shí),換熱能力從初始運(yùn)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(yùn)行30天后，熱泵機(jī)組又出 現(xiàn)停運(yùn)情況。
經(jīng)過4個(gè)月春季的系統(tǒng)停運(yùn)后,到了第二年的夏天，重新進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)地下溫度已經(jīng)恢復(fù)到熱泵可以重新運(yùn)作的水平。取冷條件下，3種不同型式的埋地?fù)Q熱器地下層的初始溫度為25℃?？梢钥吹?，相同的運(yùn)行時(shí)，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，土壤溫度升高幅度較小。
三、結(jié) 論
對地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，研究了不 同季節(jié)條件對地源熱泵系統(tǒng)的影響。結(jié)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(gè)月后，埋地?fù)Q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(gè)月后，地下溫度將超過37℃，地源傳熱惡化，不再適合進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)。為了保護(hù)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(yīng)該相對平衡。
