《土壤源热泵间歇运行冬季工况的试验研究》

在冬季，土壤源热泵的间歇运行工况具有重要的研究意义。试验中，研究人员精心设置不同的间歇运行模式参数，对土壤源热泵在冬季的性能展开深入探究。通过精确的测量仪器，监测热泵的制热能力、能效比等关键指标的变化。在间歇运行期间，土壤温度场会发生复杂的变化，这对热泵的长期稳定运行影响巨大。研究发现，合理的间歇周期和运行时长设定，有助于提高系统能效、减轻土壤温度的冷热堆积现象，为优化土壤源热泵在冬季的运行策略提供了可靠的试验依据。

    1 引 言

    地能是清洁可再生的自然能源，它具常年温度稳定的特点，是热泵理想的热源形式。然而，以土壤源为主体的地能系统，由于其传热能力较弱，需要较大的换热面积和占地面积，设备的初投资较大，制约了该项技术的发展。因此，研究者们提出可控间歇运行的思想[1]。间歇概念是根据在建筑环境中供热供冷系统机组运行具有间断性的特点和地温的可恢复特提出的高效利用地能的有效措施。通过人为合理的控制热泵机组的间歇运行，能够强化传热过程。如能充分利用间歇弥补地下传热慢的不足，就能实现充分换热，最大限度地减少埋地换热器的钻孔数，降低其初投资。（参考《建筑中文网》）

    地下埋管换热器的换热井内间歇性恢复过程可以改变其温度变化趋势，提高或降低平衡稳定温度，使热泵机组在理想的工况下工作。对于吸热井的温降或放热井的温升，热泵机组的运行状况主要受其温降的最低温度范围和温升的最高温度范围的影响。控制热泵机组进出口理想的温度是其高效运行的重要保证。为此，本试验在可控间歇运行的理论基础上制定合理的运行方案，对土壤源热泵冬季运行工况进行实验研究[1,2]。

    2试验系统

    本实验温度测量全部采用PT100铜-康铜热电阻，允许误差为±0.3℃，所有参数测点全部引入采控系统，实行不间断自动采集和控制，并自动存储数据。

    温度的测试主要是地下埋管管壁温度测试，水温测试。

    （1）地下埋管管壁温度测试

    地下埋管实验系统共9根地下埋管，在75米埋深和50米埋深的地下埋管管壁的测点

    布置都是每个10m一个测点，而25米埋深为每隔5米一个测点，其中在75米埋深的井中在埋管上埋有两组热电偶。如图1

    图1 温度测点布置示意图

    Fig2-1Schematic of the sensors distribution of temperature

    （2）水温测试

    本实验所测水温主要是地下埋管进出口水温和热泵机组进出口水温。

    3实验结果分析

    因土壤源热泵受土质和气候情况的影响很大，在此，以大连的土质和气候情况进行实验研究，土壤的特性参数如表1

    表1 土壤的特性参数表

    3.1 数据处理方法

    各测试日内的瞬时平均换热量的计算公式：

    （3-1）

    式中：

    Q-埋管换热器在各测试日内的瞬时平均换热量，kW；

    -循环流体密度，kg/m3；

    cp-循环流体比热，kJ/(kg·℃)；

    -U型埋管换热器内的水流量，m3/s；

    to-在各测试日内的U型管出水平均温度，℃；

    ti-在各测试日内的U型管进水平均温度，℃。

    地下埋管换热器单位埋深的换热量计算公式：

    （3-2）

    式中：ql-单位井深的换热量，W /m；

    -竖井深度，m。

    3.2实验结果分析

    根据已有运行经验，在稳定的供暖季节中，通常热泵机组在首开机时运行3-4小时达到稳定状态[4]。因此，结合实际供暖需求及热泵机组的运行状况，采用间歇运行技术，弥补地下换热缓慢的不足，恢复换热井温，提高综合效率。本实验以24小时为一个周期，人为地控制开停机的时间为 1：1和2：5[3,4]，以下实验数据均为实测结果。

    3.2.1 地下埋管换热器壁温变化状况分析

    24小时间歇运行实验从2005年3月16日测试到3月19日。从图2可以看出地温的恢复状况，这种间歇运行工况对地温的恢复是十分有利的，运行5小时后，停机，管壁的温度经过5小时左右温度恢复到与初始状态相差0.2ºC，机组继续运行4小时，以满足用户的供暖需求，而后停止运行，管壁温度经过10小时恢复到初始温度。为下一循环开机运行提供较好的换热条件。

    图2 间歇运行管壁温度测试结果

    Fig.2 The testing results of tube surface temperature

    3.2.2 热泵进出口水温的变化

    本实验采用的热泵机组正常运行时，出口温度不能低于4 ºC，当低于这个温度时热泵将停止运行。因此我们要在保证满足用户负荷需求的基础上，尽量提高进、出口稳定温度，保证热泵在理想工况下运行。

    从图3和4可以看出，在间歇运行工况下，热泵的进、出口水温稳定在一个较高的温度，有利于机组在理想的工况下运行。

    3.2.3 热泵机组从土壤换热器的取热量

    由于埋地换热器的吸热，土壤的温度场发生变化。机组刚运行时，管内的水的温度与土壤温度相差较大，取热量迅速增加，随着吸热过程的进行，土壤温度降低，因此，运行一段时间，地下埋管换热器的换热量达到稳定状态。

    图5所示，间歇运行和连续运行埋地换热器的换热量变化曲线。从图中可以看出，间歇运行的换热量明显大于相同实验状况下连续运行时的换热量。连续运行达3-4小时，换热量约在27.9W/m，随着运行时间的增长，土壤温度下降，土壤与换热器间的换热量必将受到影响，当连续运行24小时后，换热量下降到26.5W/m。间歇过程地温得到恢复（如图2），更有利于土壤与换热器间充分换热；换热量可以保证在27.9W/m，与连续运行相比换热量提高了5﹪。

    图3 热泵机组进口水温

    Fig 3 The in-temperature of heat pump

    图4 热泵机组出口水温

    Fig 4 The out-temperature of heat pump

    图5 地下埋管换热器每米埋深换热量

    Fig 5 The heat flux a meter of ground source heat-transfer

    4 结 论

    （1）可控间歇过程可以改变地下埋管换热器周围温度变化的趋势，冬季运行工况下，能够提高平衡稳定温度，使机组在理想的工况下运行。

    （2）通过合理的人为间歇控制，实现良好的地温变化趋势，能够最大限度的发挥地下埋管换热器的换热能力。

    （3）相同工况下，间歇运行与连续运行相比，实现充分换热，最大限度的减少钻孔数，降低初投资。

    （4）本文提出的土壤源热泵间歇运行技术对在空调系统中充分利用地能具有重要意义和实用价值，有必要进一步开展应用间歇运行技术后，地源热泵机组节能特性的研究。

    参考文献

    1. 高青，乔广，于鸣，李明，白金玉，地温规律及其可恢复特性增强传热研究，制冷学报，2003（3）：38-41；

    2. 高青，乔广，于鸣，李明，白金玉，地热利用中的地温可恢复特性及其传热的增强，吉林大学学报，2004，34（1）：107-111；

    3. 金招芬，朱颖心，建筑环境学，中国建筑工业出版社，2004：59-60；

    4. 徐秋敏，U型垂直埋管式地源热泵地下传热特性的实验研究，大连理工大学，硕士论文2005：50-64。

原文网址：http://www.pipcn.com/research/200606/8555.htm