排取熱量不平衡對地源熱泵運行性能影響的實驗研究

1、排取熱量不平衡對地源熱泵運行性能影響的實驗研究             趙軍 宋著坤 陳志豪 張春雷摘要結(jié)合一地源熱泵示范工程，建立了豎井與地基樁單U型管埋地換熱器聯(lián)合使用的地源熱泵系統(tǒng)的綜合性能實驗裝置。通過對系統(tǒng)兩年運行測試數(shù)據(jù)的分析，研究了埋地換熱器向地下排熱量與從地下取熱量不平衡，對系統(tǒng)制冷以及供暖運行性能影響情況，為地源熱泵的工程設計提供了參考。關(guān)鍵詞地源熱泵 埋地換熱器 運行性能 1 引言地源熱泵系統(tǒng)的運行性能受多種因素影響，如埋管周圍土壤、回填材料的熱物性，建筑

2、物的冷熱負荷等。在我國大部分地區(qū)，建筑物的冷負荷以及其運行時間往往大于供暖負荷，文獻1均指出，在這種情況下，地源熱泵系統(tǒng)將給地下造成很大的冷熱量不平衡，使土壤溫度升高，這會有利于冬季供暖運行，而不利于夏季制冷運行，甚至若干年后不能向地下排熱。本文結(jié)合天津一示范工程及其利用計算機自動監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所獲得的運行數(shù)據(jù)，對埋地換熱器向地下排熱量與從地下取熱量不平衡對地源熱泵機組以及系統(tǒng)運行性能的影響進行分析研究，為地源熱泵的工程設計提供參考。2 組合型垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)本地源熱泵系統(tǒng)埋地換熱器采用樁埋管和垂直豎井埋管兩種方式，所有埋管均采用高密度聚乙烯塑料管，鉆孔直徑為300mm，樁埋管埋深為2

3、0m，共60口；垂直豎井埋管埋深為90m，共21口。地源熱泵示范工程運行系統(tǒng)流程如圖1所示，該系統(tǒng)主要由三部分組成1)地下埋管換熱器閉式循環(huán)系統(tǒng)；2)半封閉單螺桿壓縮式熱泵機組；3）空調(diào)末端循環(huán)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)實時監(jiān)控和采集系統(tǒng)（SCADA）包括測溫部件銅康銅鎧裝熱電偶、流量傳送器、功率變送器、PLC下位機、組態(tài)王軟件和PC上位機。地源熱泵系統(tǒng)實驗測試的對象地下不同深度上的土壤溫度（見圖2），樁埋、井埋進出口水溫、流量，以及機組和水泵等功率。3 土壤冷熱量平衡分析截至到本文完成時，共取得兩個制冷季（2003-7-11到2003-9-7與2004-6-1到2004-9-21）和兩個供暖季（2003-1

4、1-17到2004-3-16與2004-11-11到2005-3-22）的完整運行數(shù)據(jù)。建筑總面積為3715m2，夏季設計冷負荷320kW，冬季設計熱負荷147kW。通過處理所得數(shù)據(jù)，得到整個系統(tǒng)運行兩年來向地下排熱量與從地下取熱量見表1。數(shù)據(jù)處理方法見參考文獻。表1 冬夏季地源熱泵系統(tǒng)向土壤排/從土壤取熱量運行時間2003年夏季2003-2004年冬季2004年夏季2004-2005年冬季排熱量/kWh（kWh）110045.698831.3取熱量/kWh（kWh）45685.368854.9從上表可以看出，該地源熱泵系統(tǒng)夏季向地下排熱量明顯大于冬季從地下取熱量，其中以2003年夏季排熱量與

5、2003到2004年冬季取熱量相差最大。4 地下土壤溫度變化從圖3可以看到，土壤溫度隨制冷季不斷升高，隨供暖季不斷降低。圖中也可以看出巨大的排取熱量差值使土壤平均溫度有升高的趨勢。經(jīng)過第一個全年運行（2003夏季與2003到2004冬季），7點溫度升高了0.6，第二年后又升高了0.3，可見這種升高的趨勢在減小。定性分析，土壤溫度升高會有利于地源熱泵系統(tǒng)冬季供暖運行，不利于夏季制冷運行。5 制冷運行對比分析5.1 地下排熱、室內(nèi)取熱以及機組功率比較         5.2 機組以及系統(tǒng)性能系數(shù)比較2003年機組COP

6、較2004年低，但系統(tǒng)COP較2004年高。究其原因，2003年兩臺機組共同承擔制冷負荷，但每臺機組均不是工作在額定負荷下，導致機組效率下降。由于地下環(huán)路以及用戶末端環(huán)路采用定流量循環(huán)，因此，在循環(huán)水泵功率不變情況下，實際運行負荷相對較小的2004年系統(tǒng)性能較低一些。6 供暖運行對比分析6.1 地下取熱、室內(nèi)供熱以及機組功率比較從圖6看出，兩季供暖運行均表明，埋管換熱能力大體隨著運行時間的增加而減弱。 2004年實際室內(nèi)供熱負荷較2003年大，因此在運行時間相差不多的情況下，2004年從地下取熱量大于2003年。6.2 機組以及系統(tǒng)性能系數(shù)比較從圖7中可以看到，2003年性能系數(shù)大體隨運行不斷

7、下降，前半段機組和系統(tǒng)COP值均較2004年高，后半段較2004年低。這與定性分析冷熱負荷不平衡對地源熱泵機組以及系統(tǒng)供暖性能影響所得結(jié)果不一致。參看圖6室內(nèi)供熱以及地下取熱功率變化情況，說明機組以及系統(tǒng)性能受機組實際運行負荷影響較大，受地下土壤溫度影響較小。另外，系統(tǒng)cop較機組cop低很多的主要原因是設計時循環(huán)水泵選取過大所致。  7 結(jié)論1）埋地換熱器夏季排、冬季取熱量存在較大差值時會使周圍土壤平均溫度明顯升高，但升高趨勢逐漸變?。?）在本系統(tǒng)中，埋地換熱器周圍土壤溫度變化對系統(tǒng)運行性能影響較實際運行負荷影響程度小；3） 地源熱泵系統(tǒng)在冬、夏兩季運行良好，在滿足用戶需求的同時，節(jié)約常規(guī)能源效果顯著，值得在我國廣大地區(qū)進一步推廣和應用。參考文獻1. 李新國. 埋地換熱器內(nèi)熱源理論與地源熱泵運