1河北建筑科技学院研究生部，邯郸 056038
2 天津大学热能研究所，天津 300072
摘要：本文对标定工况下制冷量为21.8kW的R22涡旋压缩式地源热泵实验系统的冬、夏季地源热泵的实验结果进行了分析和总结。实验结果包括：地下埋管换热器的吸热量和排热量、地下埋管换热器的进出水温度、地源热泵系统的循环性能系数等。
关键词：地源热泵 运行特性 实验研究
EXPERIMENTAL STUDY OF THE PERFORMANCE OF
THE GROUND SOURCE HEAT PUMP
Wang Jinggang1 Ma Yitai2
(1 Hebei Institute of Architectural Science & Technology 2 The Institute of Thermal Energy, Tianjin University)
Abstract: The experimental results in winter and summer of the ground source heat pump system are analyzed and summarized in this paper. The refrigeration capacity of the heat pump unit with R22 scroll compressor is 21.8kW at the ARI standard rating condition. The experimental results involve the heat transfer rate of the ground heat exchanger, outlet and inlet temperature of the ground heat exchanger, the coefficient of the performance of the ground source heat pump.
Key words: Ground source heat pump Operating performance Experimental results
以土壤为热源和热汇的地源热泵技术是一项高效节能、有利于环境保护和可持续发展的空调冷热源技术[1]。地源热泵系统的运行特性依赖于热泵机组性能和埋管换热器性能之间的相互耦合关系。热泵机组容量、土壤和回填材料特性、埋管长度和地源热泵的运行方式都影响和制约着地源热泵系统的运行特性[2]。地源热泵的实验研究主要开展两方面的工作：一是研究特定地区水文地质条件下和土壤热特性条件下的地下埋管换热器的传热特性，二是研究以土壤为热源的热泵系统的循环性能等。通过实验研究可为地源热泵的推广应用提供必要的技术数据和可借鉴的经验。
1 地源热泵实验系统
实验装置位于河北建筑科技学院城市建设系综合实验楼，土壤类型属文献[3]分类标准中的重土饱和潮湿型。实验装置主要由三部分组成：地下埋管换热器闭式循环系统、涡旋压缩式热泵机组和空调末端循环系统。地下埋管系统设有两眼埋管井，钻孔直径为150mm，钻孔深度120m。为测试地下温度场的变化规律，另设有4眼测温辅井，其中1、2、3号测温井钻孔直径为100mm，孔深为90m；4号测温井钻孔深度为120m。在2眼埋管井和4眼测温辅井的不同深度处共埋设测温热电阻52个。 实验装置平面图见图1
2地源热泵冬季实验结果
地源热泵的冬季实验自2002年2月7日15：00正式开始进行实验，连续运行至2月22日15：00，共计360小时。地源热泵冬季的运行时，地下埋管系统循环流量基本上保持在5.0t/h不变，埋管内平均水流速为1.07m/s，地下埋管阻力损失为188.4 kPa，平均每米管长阻力损失为785.0 Pa/m，地面以上管道（包括蒸发器）阻力损失为180.5 kPa；地面空调系统循环水流量基本上保持在3.5t/h不变，地面空调系统（包括冷凝器）总阻力损失为368.9 kPa
2.1冬季热泵运行期间地下温度场分布
热泵运行时1号测温井和埋管井各层地温见图2和图3.
 图2. 1号测温井各层地温图  图3.埋管井各层地温图
由图2可见，在地源热泵运行期间，距埋管井最远的1号测温井（直线距离5.1m）各层地温基本上保持不变，其余各测温井地温变化与距埋管井的距离有关，距埋管井越近，地温的变化程度越大。但总的来看，与埋管井相比，各测温井地温的变化幅度并不大，即使与埋管井最近的4号测温井各层地温，虽有变化，但其幅度远小于埋管井地温的变化幅度。
对于埋管井而言，在地源热泵运行的启动阶段，地温下降较快，随运行时间的增加，地温下降趋势减缓，运行约100小时以后，地温趋于稳定。另外，从图3可看出，尽管埋管井地温在热泵运行期间有较大的变化，但埋管井各层的地温却基本相等。
2.2冬季热泵实验运行结果
实验期间地下埋管换热器的进出水温度变化见图4。
 图4. 冬季埋管换热器进出水温度
地源热泵运行期间平均进水温度为0.92℃，平均出水温度为3.17℃，由于地源热泵冬季运行时，地下埋管换热器的吸热量主要依靠换热器内流体与土壤之间的导热进行，所以，在土壤、回填材料特性和远界土壤温度一定的情况下，为满足吸热量的要求，埋管周围土壤和埋管内流体的温度必然处在一个较低的水平上。较低的埋管换热器进、出水温，一方面导致了热泵机组蒸发温度的降低和循环性能系数的降低；另一方面，过低的埋管换热器进水温度，有可能产生结冰的现象。地源热泵冬季供热时，冷凝器出水温度平均保持在45℃左右，进水温度保持在40℃左右，冷凝器的进、出水温度可满足风机盘管冬季工况的需要。
地源热泵系统在实验运行期间的总吸热量为4550kWh，平均吸热率为12.60kW；总供热量为6621kWh，平均供热率为18.34kW；热泵机组总能耗为2159 kWh，平均输入功率为5.98 kW。根据实验结果，计算得到，埋管换热器平均单位管长吸热率为26.26W/m，平均单位管长供热率为38.21W/m。实验期间，热泵供热时的平均制热系数COPh为3.17，循环性能系数COP为2.22。制热系数的变化情况见图5。
 图5 地源热泵的制热系数
3地源热泵夏季实验结果
3.1夏季热泵运行期间地下温度场分布
2002年6月13日开始夏季工况试运行，2002年7月3日开始正式运行实验。地源热泵夏季运行工况的实验采取了间歇运行的方案，自2002年7月3日8：00至7月23日8：00，地源热泵共运行了172小时，平均每天运行的时间为8.6小时。地源热泵运行时，-90m处测温井和埋管井的地温变化情况见图6。
 图6. -90m处测温井和埋管井的地温变化
由图可见，地源热泵夏季运行时，和冬季工况一样，除埋管井土壤温度有较大变化外，其余各测温井的地温变化并不大。实验结果分析表明，夏季地源热泵运行时的温度影响边界也在5m左右。另外，尽管埋管井地温随热泵的运行有较大的变化，但埋管井内各层地温的数值却基本一致，冬季热泵运行时存在着与此类似的同样规律。这一特性说明，对于埋管井而言，与径向的热量传递相比，轴向各层土壤之间的热量交换很小。
3.2夏季热泵实验运行结果
在夏季运行时，地下埋管系统平均循环流量为4.6t/h，地下埋管阻力损失为132.0kPa，平均每米管长阻力损失为550.0 Pa/m，地面以上管道（包括蒸发器）阻力损失为137.1 kPa；地面空调系统循环水流量平均为2.8t/h，地面空调系统阻力损失为145.1kPa。埋管换热器进出水温度见图7。
 图7. 夏季埋管换热器进出水温度
地源热泵夏季运行时，冷凝器热量的排放，最终要通过埋管换热器内循环水与土壤之间的传热来实现。由于埋管内循环水与土壤的传热主要是通过导热进行的，所以，为满足较大冷凝热量的排放需要，必然导致埋管周围土壤温度和埋管内循环水温度保持在一个相对较高的水平上。实测数据表明，热泵运行时，地下埋管换热器进水温度最高超过了45℃，平均为43.1 ℃，地下埋管换热器出水温度平均为38.3 ℃。热泵运行时，蒸发器的平均进水温度为13.7 ℃，平均出水温度为8.1 ℃。
运行实验期间的总排热量为4316.04 kWh，平均排热率为25.09 kW，单位管长平均排热率为52.28 W/m；总制冷量为4316.04 kWh，平均制冷率为18.32 kW，折算成埋管换热器单位长度制冷率为38.16 W/m；热泵机组压缩机总能耗为1066.78 kWh，压缩机平均输入功率为6.20 kW，热泵机组平均循环性能系数COP为3.032；考虑水泵能耗和压缩机能耗的热泵系统总能耗为1505.45 kWh，热泵系统平均输入功率为8.75 kW，热泵系统平均循环性能系数为2.102。夏季地源热泵循环性能系数变化情况见图8。
 图8.夏季地源热泵循环性能系数
夏季与冬季的实验结果对比可以发现，夏季埋管换热器平均单位管长的排热量约为冬季埋管换热器平均单位管长吸热量的2倍，但夏季热泵机组的循环性能系数却为冬季循环性能系数的1.36倍，其原因是夏季和冬季热泵机组冷凝温度基本相同，但夏季蒸发温度要高于冬季的蒸发温度。同时，由实验结果对比也可发现，对于本文研究的实验系统，冬季埋管换热器单位管长供热量为38.21W/m，与夏季单位管长制冷量基本相同，说明地源热泵最适宜应用的地区是冬季热负荷和夏季冷负荷基本相当的地区。对于冬、夏季负荷相差较大的地区，宜采用辅助冷却或辅助加热的措施。
热泵机组循环性能系数的测试结果表明，地源热泵夏季运行工况的COP可取得较理想的结果，但由于埋管井土壤温度和埋管换热器进、出水温度需要保持在相对较高的水平上，热泵机组冷凝温度也相对较高，因而限制了循环性能系数的进一步提高。
4 结论
4.1 地下土壤温度的实测数据表明，地下土壤温度在全年基本稳定，因而是一种较为理想的热泵低温热源和高温热汇。地源热泵冬季和夏季运行特性实验表明，即使作为尚须进一步优化的实验系统本身也可取得较理想的结果，地源热泵作为一种空调冷热源方式，无论在环境方面还是在运行能耗方面，都具有很大的发展潜力；
4.2地源热泵的运行特性既受热泵机组性能的影响，又受地下埋管换热器特性的影响。为满足冬季吸热量和夏季排热量的要求，冬季热泵机组蒸发温度的提高和夏季冷凝温度的降低将受到限制，制约了热泵机组循环性能系数的进一步提高。增加埋管井数量、增大埋管换热器长度或者采用辅助冷却和辅助加热措施，可提高地源热泵系统的循环性能。因此地源热泵系统方案和运行控制策略的确定，应综合考虑初投资和运行能耗等因素，并应充分考虑地源热泵系统的安全可靠运行；
4.3 应当指出的是，地源热泵系统方案规划、设计和运行控制方法，应充分考虑不同地区的空调负荷特征和地下土壤特性等因素。严格来说，地源热泵的实验结果，只能作为当地地源热泵设计和运行的依据，其它地区则只具有借鉴的意义。地源热泵技术在不同地区的推广和应用，必须建立在经过有效性和可靠性验证的地源热泵运行特性模拟基础之上
感谢河北建筑科技学院城建系张子平教授、王侃宏副教授、王海林高工和侯立泉硕士等在地源热泵实验时的帮助和支持。感谢天津大学热能研究所博士研究生管海清、李敏霞、芦苇等同学在实验结果分析中的帮助和支持。
参 考 文 献
1. Bose J E. Advances in ground source heat pump systems-an international overview. In: 7th International Energy Agency Heat Pump Conference. Beijing, China, May 19-22, 2002: 313-324
2. 王景刚. 自然工质热泵循环和地源热泵运行特性研究：[博士论文]. 天津：天津大学，2003
3. ASHRAE 编著，徐伟等译. 地源热泵工程技术指南. 中国建筑工业出版社，北京：2001
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