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地源热泵因其显著的节能和环保特点，受到越来越多的重视，美国、德国及瑞典等西方国家的地源热泵技术尤其是供暖方面的应用日趋成熟。由于受初投资大、本地地理气候影响大等限制，我国地源热泵尚处初级开发阶段。这就需要结合我国的具体地理气候特征，研究积累大量设计、施工及运行的数据资料，以制定出设计技术规范和应用软件。

 

在我国长江流域及浙江、福建等冬冷夏热地区，大地初始温度为15～20℃，地源热泵既可实现冷暖联供，又可降低能耗，具有重要的应用意义。在长江流域城市重庆建成的浅埋竖管地源水－水热泵实验装置上，进行了连续一年暖冷联供的观察和测试，获得大量运行和技术数据。

 

 

热泵的实验系统由以下三部分组成（平面布置原理见图1）：

 

1)室外地下埋管换热器部分:地下埋管多管群换热器的总设计换热量为10kW。地下管

群实验装置共5 组，组间采用并联同程式，考虑到管间换热影响，组间是错排布置。套管管径分别为φ50、φ75、φ90 三种，内管为φ15，埋深10m，管材采用普通PVC 管。每组串联换热器进出口都有阀门控制，可根据实验要求运行不同的管组组合。主管道及管群阀门安装在靠墙管沟内，以方便调节和维修。

 

2)室内热泵机组部分：由风冷热泵空调器自行改装成的水-水热泵套管换热器连接地下埋管侧的进出水（冬季作为蒸发器，夏季则为冷凝器），另一端套管换热器连接用户侧的进出水。水-水热泵系统采用较简便的制冷剂不换向、水侧换向方法进行，即夏季e、f、g、h 四个旁通阀关闭，a、b、c、d 阀门开启，冬季阀门的关、开与夏季相反。如图1，虚线表示的管路为冬季供热工况，实线表示的管路为夏季制冷工况，而埋管侧和用户侧的水路循环则冬夏不变。

 

3）冬供暖夏供冷用户系统:热泵系统分别供给空调房间A 和空调房间B。A 间15m²,地板下埋设了冷暖地板蛇行盘管；相邻的B 间亦为15m²，内设的立式风机盘管。

 

 

温度测试对象为地下埋管壁温、埋管换热器总进出水温、室内外温度及用户管路系统的水温，测点布置参见图1。温度测试采用铜-康铜热电偶温度传感器，适用温度范围-200～400℃。输入转换及显示采用WP-L80 型带打印多回路巡回测量显示仪，测量精度为0.2%FS±1 字,经冰点修正仪表测温误差为±0.3℃。全年设定为每隔4 小时打印一次，由于热泵是间歇运行，打印时不一定是运行时的值，所以在冬夏运行期间每日采用人工方法测试，每日测4 次，每次等开始运行几分钟稳定后读取3～5 组温值，每组间隔1～2 分钟。

1.埋管侧水泵；2.用户侧水泵；3.放气阀；4.转子流量计；5.膨胀水箱；

6.套管式换器；7.压力表；8.风机盘管；9.冷暖地板；10.热电偶测点；

11.套管；12.内管；13.压缩机；14.贮液器；15.干燥器；16.膨胀阀

 

图1 地源水-水热泵实验装置平面布置原理图

 

流量测试采用LZJ-40 转子流量计，精度1.0 等级。实验的水流量范围为冬季960～1060 L/h，夏季760～1345 L/h。为研究地下埋管的换热特性和热泵运行性能，建立埋管侧和用户侧的热平衡，需要测试埋管侧管路系统和用户侧管路系统中各自的流量，即地下埋管进出水流量G 和进出地板及风机盘管的总流量G0。

 

记录累计耗电量的精密电表与记录时间的电控电子钟采用连锁控制，当间歇运行的水-水热泵一启动，电表和时钟瞬间同时开始通电记录，两表的对时差即为一天的热泵机组运行时间。热泵耗电量包含了压缩机和埋管测水泵的能耗。

 

本实验装置经合成两大误差：温度误差与流量误差，在可信度为99.73%下，得出测试误差为±4.98%，可见其测试结果是可信的。

 

实验测试分四个阶段：冬季供暖和夏季供冷(机组昼夜间歇运行)；夏-冬过渡季和冬-夏过渡季(机组停机不停测)，全天24 小时不间断测试，以了解大地温度恢复状态。除因停电、机器维修故障停机近10 天，全年机组间歇运转2808h，测试6900h。

 

 

3.1 地下换热器换热量Q,W： Q=1000×Gρcp(T 进-T 出)

 

地下换热器日换热量Qh,kWh：

 

式中，

 

G ——循环水流量，m3/s;

 

ρ——管内流体即水的密度，kg/m3;

 

cp——水的定压比热容，kJ/(kg.℃);

 

(T 进-T 出)——埋管换热器进出水温差，℃；

 

h——热泵日运行时间，h。

 

夏季T 进>T 出，Q 为正，埋管换热器对土壤放热；冬季T 进<T 出，Q 为负，埋管换热器从土壤中吸热。

 

3.2 单位深度埋管换热率Ql,W/m：

 

单位面积埋管换热率QS,W/m2:  

 

 

式中，  n——埋管根数；

 

L——埋管深度，10m;

 

d——埋管套管的直径，Ⅲ组管群的套管管径为75mm ,Ⅳ组为90mm。

 

3.3 平均传热系数K,w/(m.℃):

 

式中， t水——热泵运行中，埋管进出水平均温度，℃；

 

0 t ——大地初始温度，对重庆地区，夏季0 t =21.1℃，冬季0 t =18.27℃。

 

3.4 能效比和性能系数:

 

夏季制冷能效比EER，即热泵制冷运行工况下，制冷量与输入功率之比，W/W：

 

冬季制热性能系数COP，即热泵制热运行工况下，制热量与输入功率之比,W/W:

 

式中，

 

η电 ——水泵电机效率，查电机样本0.67；

 

η全 ——水泵全效率，由水泵铭牌为0.35；

 

P——水泵扬程,kPa,由水泵出口压力表测得。

 

为更科学合理地使用数据，找出数据的规律，从最小二乘意义上，所测数据经过在数学软件中编程预处理，再进行最佳拟合和误差分析。且对在实验中因设备损坏检修、停电等造成的少数不完整数据，在拟合基础上进行插值。

 

 

4.1 水流量对热泵性能参数的影响

 

冷暖联供一直采用Ⅲ、Ⅳ两组埋管匹配运行。由于室外温度变化及冷暖地板和风机盘管房间的温度需要不同，并且流量过高过低受系统运行效果和流量计测试范围限制，对变流量根据具体情了天数不等的运行测试。因重庆是夏热冬冷地区，设计主要以夏季参数为主，所以夏季从7 月6 日～8 月30日分别进行了流量为1345、1245、1125、1000、850、760(L/h)的多种变流量运行（测试结果如表2）；在冬季，流量变小导致蒸发温度过低，系统运行易出现故障，因而参照夏季的较佳流量仅作了960、1060、1160（L/h）的变流量运行（测试结果如表1）。

 

 

由表1 作出夏季变流量运行的性能参数EER 和Ql变化曲线图（见图2），结合图表可看出：

 

 

 

⑴系统的能效比及单位埋管深度换热量随流量的变化有明显变化，除了最佳流量处峰值波折，总的大致趋势是过流水量越大，换热效果越高，Q 上升；

 

⑵对于该测试系统，当夏季流量为1000（L/h）时，系统的能效比和埋管单位深度换热量均达到最大值，

 

 

 

图2 变流量运行性能曲线图

 

 

 

 

图3 地下埋管放热、吸热曲线拟合曲线

 

故可认为该系统的流量1000（L/h）为最佳流量，单管过流量为500（L/h）；

 

⑶从图中可明显看出，在最佳流量坡峰之前的变化趋势较波峰之后的陡得多，说明流量越小，其能效比曲线和单位管深换热量降低就愈剧烈，这主要是因为系统流量越小，管内水流速低，换热值下降，但随着流量连续加大，QL 和EER 变化平缓。同时受外界环境影响成分也增大，系统运行性能越差。

 

冬季的较佳流量则为960(L/h),此时Cop 和Ql、Qs 均为最大。

 

测试还获得了全年运行浅埋套管的单位埋管深度换热量和单位面积换热量，其中夏季分别为50～80（W/m）、185～330(W/m²)。据国外有关文献资料，一般单位深度埋管换热率即Ql的值为40～60（W/m），单位面积埋管换热率即Qs 的值为48～227（W/m²）。可以看出测试数据与国外设计数据很接近，且换热效果要稍好。由于各地气温变化不同，而且水-水热泵与地面水系统的设计、设备的选取等也有很大关系，因此上述数据可供参考。

 

4.2 冬夏换热曲线对比

 

图3 左部为地下埋管夏季放热曲线及其拟合曲线（2000.7.6～2000.8.30），右部则为冬季吸热曲线及其拟合曲线（2000.11.21～1.20）。

 

从拟合的日放热量曲线和日吸热量曲线可看出，⑴其共同特点是刚开机运行的十日左右，换热量增加最大，以后逐渐下降，曲线变得平缓，基本趋于稳定。这是因为在夏季制冷运行初始阶段，地温较低，故冷凝温度较低，埋管向地下放热较多，随着累积放热量增多，地温逐渐升高，冷凝温度也升高，所放的热量逐渐降低，随着冷凝温度趋于稳定，埋管向地下释放的热量也基本趋于稳定；对冬季供暖同理，初始地温较高即蒸发温度较高，使得开始吸热量较大，而随地温减低并趋于稳定而稳定下来；⑵由于是浅埋，地下埋管换热受室外气温变化影响较大；

⑶由于冬夏是变水量运行，其换热量规律与定水量不同。

 

在该次全年冷暖联供运行测试中，夏季制冷连续运行56 天，埋管向地下平均日释放热量为38.70（kW.h）,总释放热量为2167.2（kW.h）;冬季供暖连续运行61 天，埋管从地下平均日吸取热量为33.75（kW.h），总吸取热量为2058.75（kW.h）。可见，冬夏换热量较为均匀，全年大地换热基本平衡，初始地温得以保持，对长期运行较为有利。证明采用全年冷暖联供比单独夏季制冷或冬季供暖更有利于地温全年平衡和连续长期使用。

 

 

本文是在浅埋套管换热器地源水-水热泵实验装置上，从2000 年7 月至2001 年6 月进行了冬夏暖冷联供全年测试，针对夏热冬冷地区及重庆地区土壤热物性条件，获得大量数据，对地源热泵的应用和设计很有参考价值。

 

1）在该测试系统下，夏季最佳运行流量1000(L/h),此时单位管深换热率74.12（W/m）；且获得管路系统设计参考参数：

 

制冷工况：按埋管深计算为13～23m/kW, 按埋管面积计算为3.0～5.5m²/kW；

 

制热工况：按埋管深计算为16～20m/kW, 按埋管面积计算为3.5～4.5m²/kW。

 

2）竖埋套管系统既可用作冬季供暖，又可用作夏季制冷，对冬冷夏热地区具有很重要的节能意义。对于夏季测试得到的单位管深换热率达45～80（kW/m）,证明其换热效果较好；且联供运行有利于土壤热量平衡，有利于长期连续运行。

 

 

[1]蒋照能等.空调用热泵技术及应用.机械工业出版杜，1997

 

[2]郑祖义.热泵空调系统的设计和创新.武汉：华中理工大学出版社，1994

 

[3]张洪济.热传导.高等教育出版社，1992

 

[4]D.Aball,R.D.Fischer,D.L.Hodgett.Design Methods for Ground-Source Heat Pumps.ASHRAE,DC-83-08,No.4