土壤源热泵夏季运行特性的实验研究
土壤源热泵夏季运行特性的实验研究
杨卫波,施明恒,陈振乾
（东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096）
摘 要： 根据对土壤源热泵夏季运行性能的实测，对夏季制冷工况的启动运行特性与间断运行特性进行了实验研究。实测结果表明，南京地区土壤源热泵夏季运行的启动时间 为8～9 h，其单位埋管放热量为44～49 W/m，平均传热系数为3.4 W/m℃。同时，采用可控间断运行方式可以在有效降低地下土壤温升率及机组进口温度以改善机组运行性能的同时，提高单位埋管的换热能力，从而更有利于提高 浅层地热能的利用效率。
1 引 言
土壤源热泵（Ground-Coupled Heat Pump）以其良好的节能与环保性而受到各国政府的青睐，目前在欧美等发达国家已发展得比较成熟，且进入实用与商业化阶段，近些年来在我国也得到了迅速发 展。国内一些单位对其进行了相关的实验研究[1－9]，取得了一定的成果，为其工程应用提供了有价值的参考依据，且有相当一部分实际工程已投入使用。虽然 国外在这方面已积累了大量的施工、设计及维护运行经验、资料与数据，但由于气候与地质条件的差异,并不一定适合我国国情。国内在这方面的研究也只是局限于 某些特定的气候与地区，尚不便于全面推广。因此，有必要在国内一些适合推广这项热泵技术的地区，特别是夏热冬冷且冷热负荷相当的地区，建立一些示范工程， 并进行相关的理论及实验研究，以为其应用推广提供一些基础性数据。
本文结合对东南大学已建成的太阳能－地热能综合利用多功能热泵实验系统夏季运行性能的实测，重点对土壤源热泵系统夏季启动运行特性与间断运行特性进行实验研究，以期为南京及江苏周边地区地源热泵的应用设计提供依据。
2 实验系统
东南大学太阳能－地热能综合利用多功能热泵实验台于2005年12月建成，实验装置的系统示意图见图1。图中地下埋管部分为两组并联的内外直径分别为 32、40mm的高密度聚乙烯（HDPE）垂直U型管，埋深为30m，钻孔直径110mm，两钻孔间距为4m，回填材料采用专用的土、砂混合物。主机为全 封闭涡旋式水－水热泵机组，工质R22，额定功率2.5kW；水泵扬程7.5m，流量2.5 m3/h。考虑到实验研究目的及系统功能的多样化，在整个管路系统设计时，通过安装阀门的调节及预留接口，实现了太阳能－地热能不同利用方式与各运行模式 间的相互切换。实验系统主要包括太阳能集热系统、地下埋管换热系统、水源热泵机组、
室内空调末端系统及测试系统五部分，通过图中相应位置阀门的调节可以实现土壤源热泵单独夏季制冷与冬季供暖运行工况、太阳能直接供暖运行工况、太阳能热泵 供暖运行工况、太阳能－地源热泵联合供暖运行工况、太阳能－地源热泵交替供暖运行工况、太阳能U型管土壤蓄热工况及太阳能蓄热水箱蓄热工况等实验。
本文主要利用该实验台进行地源热泵夏季运行工况的实验，测试系统包括温度、流量及功率的测量。温度测量采用经标定的镍铬－镍硅（K型）热电偶通过安捷伦 （34970A）数据采集仪自动采集。测点的布置，对于地下埋管部分，沿埋管深度方向10米以内每隔4米布置一个测点，超过10米则每隔5米布置一个，两 钻孔各布置测点7个，地上部分室外（测室外气温）及热泵机组的蒸发与冷凝器进出口各布置一个测点，总测点数为19个。流量采用转子流量计测量，压缩机、水 泵的功耗采用功率表来检测。
图1 太阳能－地热能综合利用多功能热泵实验系统图
3 实验内容与数据处理
3.1 实验内容
本次实验是该实验系统建成调试后的首次实验，在测试开始前，通过现场取样对埋管周围土壤的热物性进行了实测，测得其等效导热系数为1.35W/m℃，密度 为1497kg/m3，比热为1203kJ/kg℃。为了获得未运行前土壤原始温度值，在土壤源热泵启动前一周开始了土壤原始温度的测量，测得南京地区6 月份土壤温度在5m以下基本上稳定在16.5℃。从2006年6月28日开始在实验台上进行土壤源热泵夏季制冷工况的相关测试。前几次实验时发现U型埋管 进地下土壤的拐湾处存在泄漏，因此，在埋管修补后的8月份重新进行了相关实验。为了保证实验的精度，实验采用隔天进行，以保证土壤温度的恢复。本文主要讨 论夏季启动与间断运行工况（短时间工况）的实测结果，对 系统的测量主要采用了热平衡法，热泵机组的制冷量通过测量热泵机组室内侧进出口水温和相应的流量得 到。地下埋管的放热量通过热泵机组冷凝器侧进出口水温温差及流量得到。压缩机和室内外循环水泵的功耗通过功率表测得。通过热平衡分析，可定量地研究土壤源 热泵在夏季制冷工况下的启动与间断运行特性。
3.2 数据的处理
3.2.1 地下埋管排热量 （W）
（1）
式中 为U型埋管内水的体积流量， ； 为水的密度， ； 为水的定压比热容， ； 为U型埋管的出水平均温度，℃； 为U型埋管的进水平均温度，℃。
3.2.2单位管长放热量 （ W/m）
(2)
式中 为钻孔深度，m； 为钻孔数。
3.2.3 钻孔平均导热系数 ，
为了定量评价钻孔的换热能力，定义钻孔平均导热系数为当钻孔内流体平均温度与大地初始温度相差1℃时，单位时间内通过单位埋深所传递的热量，它直接反映了埋管钻孔与周围土壤间的传热特性，其计算公式为：
(3)
式中， 为热泵运行时U型埋管钻孔内流体平均温度，℃， ； 为单位埋深传热量，W/m， ； 为土壤初始温度，℃。
4 实验结果与分析
4.1 启动运行特性
土壤源热泵夏季启动运行工况特性的实验于2006年8月12日正式进行，该实验研究的目的是为了找到热泵启动达到准稳态的时间，并确定出相应状态下单位埋 管的换热能力，以为工程上埋管设计提供依据。为了保证测试精度，数据采集的时间间隔设为3分钟，图2－3分别示出了8月12日启动运行10个半小时内埋管 与蒸发器侧进、出口水温随时间的变化。分析图2可以看出，在启动后的第1个小时内温度变化（升高）较为显著，在随后的时间内变化较为缓慢。如在第4个小时 时间段内温升为1.4℃，在第6个小时时间内温升降为0.7℃，
图2 8月12日实测埋管进出口流体温度变化 图3 8月12日实测蒸发器进出口流体温度变化
图4 单位埋管放热量随启动时间的变化 图5 钻孔平均导热系数随启动时间的变化
而在第8个小时内温升仅为0.2℃，超过9小时后已趋于稳定，由此可以得出：南京地区土壤源热泵夏季制冷工况下的启动时间大约为8～9h，此后即进入非稳 态导热的“正规热状况阶段”或“准稳态阶段”，这一结论与文献[4]报道的上海地区9～10h的夏季启动时间基本一致。
当地下埋管与周围土壤间的换热从启动运行时的不稳定状态进入到准稳态阶段后，便可以计算出相应状态下单位埋管的放热能力及埋管流体与周围土壤间的平均导热 系数，从而可为实际工程设计中埋管长度的估算提供参考。当机组运行8～9h后，地下埋管与周围土壤的换热进入准稳态阶段，此时地下埋管的进出口平均水温 差、单位埋管平均吸热量及钻孔平均导热系数基本稳定。正如图4－5所示，单位埋管放热量与钻孔平均导热系数在启动运行8小时后已趋于平稳，其对应的 与 值范围分别为44～49W/m与3.3～3.6 W/m·℃，平均值分别为46 W/m与3.4 W/m·℃，这一数据可以作为南京及江苏周边地区土壤源热泵垂直U型地下埋管换热器设计的参考。
4.2 间断运行特性
由于埋管连续的放热，埋管周围土壤的温度场不断发生变化。机组刚启动时，埋管流体平均温度与周围土壤温度相差较大，换热量较大。但随着放热过程的进行，土 壤温度逐渐增加，放热量逐渐减小，并随着运行时间的持续最终会达到一个稳定值(见图4)。如果在单位埋管换热量达到稳定状态（最小值）之前通过某种控制方 式来减缓土壤的温升率，以使单位埋管换热率维持在一个更高值，则会大大提高地下埋管的换热能力，为此提出了间断运行的概念。间断运行是根据在建筑环境中供 热供冷系统机组具有间歇性的特点和地温的可恢复性而提出的高效利用浅层地热能的有效措施。
间断运行实验于8月15日（启动特性实验后的三天）进行，实验采用开机1小时后，以1:1的开停时间比例、以1小时为间断期的间歇运行方式，测试结果见图 6～图9。其中图6～7给出了间断运行时冷凝器与蒸发器侧进出口温度随运行时间的变化，图8示出了间断运行时不同深度处管壁温度随时间的变化，图9给出了 间断运行时单位埋管的放热量。
从图6可以看出，相比连续运行而言，采用间断运行工况可使热泵机组冷凝器的进出口水温维持在一个更低的温度范围内，从而使机组始终工作在理想工况下，有利 于提高其运行效率。正如图中所示，间断运行方式时热泵机组的进口温度有极大的回落，且温升率大大将低，这对于改善热泵机组的运行性能极为有利。因此，实际 运行中，根据房间的负荷特性，通过人为控制机组开停的可控间断运行方式对于最大限度地发挥地下埋管换热能力，实现减少钻孔数，降低初投资及提高地源热泵运 行性能等均具有重要的意义。
图6 间断运行时冷凝器进出口温度变化 图7 间断运行时蒸发器进出口温度变化
图8 不同深度处埋管壁温随时间的变化 图9 单位埋管放热量随时间的变化
进一步分析图8可以看出，间断运行工况下不同深度处管壁的温度有一定的回落，这意味着间断运行对地下埋管周围土壤温度的恢复十分有利，有助于提高埋管流体 与周围土壤的换热效率。正如图9所示，间断运行工况下单位埋管换热量明显高于连续工况，其最低值可维持在52W/m以上，而相同条件下连续工况只有44 W/m，单位埋管换热量提高了18.2 %。由此可以看出，采用可控间断运行方式，根据建筑负荷特性来合理地调节开停机时间比例，对于改善埋管周围土壤温度变化趋势、弥补地下传热慢的不足、强化 地下传热过程，以提高浅层地热能利用效率具有重要价值。
5 结 论
本文针对南京地区进行了土壤源热泵夏季运行性能的实验研究，重点对其夏季启动与间断运行特性进行了实测与分析，可以得出以下结论：
（1）南京地区土壤源热泵夏季制冷工况下的启动时间约为8～9h，此后即进入“准稳态阶段”。
（2）对于本文的钻孔埋管结构，在“准稳态”工况下，其单位管长的放热量为44～49W/m，钻孔平均导热系数为3.3～3.6 W/m℃，这一数据可作为南京及江苏周边地区土壤源热泵设计时的参考。
（3）与连续运行工况相比，间断运行工况可以有效地改变埋管周围土壤温度的变化趋势，降低其温升率，从而可在改善机组运行效率的同时，提高单位埋管的换热能力。
（4）根据建筑负荷特性，采用可控间断运行方式，通过合理的调节开停机时间比例，可以强化地下传热过程、最大限度地发挥地下埋管的换热能力，以提高浅层地热能的利用效率。
参考文献
1 刘宪英，王勇，胡鸣明. 地源热泵地下垂直埋管换热器的实验研究.重庆建筑大学学报，1999， 5（21）：21－26
2 李芃，于立强，张晶明.U型垂直埋管式土壤源热泵制冷性能的实验研究.建筑热能通风空调，2000,19(3)：14－17
3 刘宪英，丁勇，胡鸣明.浅埋竖管换热器地热源热泵夏季供冷试验研究.暖通空调，2000，4（30）：1-4
4 李元旦，张旭，周亚素等.土壤源热泵冬季工况启动特性的实验研究.暖通空调，2001，1（31）：17-20
5 李新国，赵军，朱强等.垂直螺旋盘管地源热泵供暖制冷实验研究.太阳能学报，2002，23（6）：684－686
6 高青，乔广，于鸣等. 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
7 李新国，汪洪军，赵军等.不同回填材料对U型垂直埋管换热性能的影响.太阳能学报，2003，24（6）：810－813
8 赵军，宋德坤，李新国等.埋地换热器放热工况的现场运行实验研究.太阳能学报，2005，26（2）：162－165
9 徐秋敏，舒海文，端木琳.地源热泵地下单管在大连地区的实验研究.建筑热能通风空调，2005，24（6）：58－61
Experimental Study on the Operative Characteristics of A Ground-Coupled Heat Pump in Cooling Mode
Yang Weibo, Shi Mingheng, Chen Zhenqian
（School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China）
Abstract: An experimental study on the startup and intermittent operative characteristics of a ground-coupled heat pump in cooling mode is performed. The measurements indicate that the startup period for the ground-coupled heat pump is about 8～10hours, the release heat flux per unit buried coil length and the mean heat transfer coefficient between buried coil and soil is about 44～49W/m and 3.4 W/ m.℃ respectively. The results may provide a preference for practical design of GCHP for Nanjing district area. It shows that the intermittent operation mode can minify the increasing rate of ground temperature and entering fluid temperature of heat pump, and thus It may improve the operation performance of heat pump. Moreover, the intermittent operation mode can also increase the heat transfer capacity per unit buried coil length and enhance utilization efficiency of shallow layer geothermal energy.
Keywords: ground-coupled heat pump; startup characteristic; intermittent operation mode; experimental study
