地源热泵地埋管热响应测试原理与方法
2009年05月13 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网
一、地源热泵地埋管换热器热响应测试的意义和目的
1.1热相应测试的意义 地源热泵系统与其它空气调节系统相比优点突出。由于地层深处温度常年维持不变，远远高于冬季的室外温度，而又明显低于夏季的室外温度，因此地源热泵克服了空气源热泵的技术障碍，且效率有很大的提高，此外大地蓄存冬季系统排放的冷量、夏季排放的热量，在地源热泵系统中起到蓄能器的作用，进一步提高全年的能源利用效率。这种一机多用的系统还包括节省建筑空间、、对建筑外观影响小、运行费用低、投资回报快、全年运行均衡用电负荷以及低噪音、占地面积少、无污染物排放、不抽取并破坏地下水、寿命长等诸多的优势。目前欧洲和北美正大力发展和推广应用地源热泵技术，我国也已研究和应用该技术。设计地源热泵系统的地热换热器需要知道地下岩土的热物性参数。如果热物性参数不准确，则设计的系统可能达不到负荷需要;也可能规模过大，从而加大初期投资。确定地下岩土热物性参数的传统方法是首先根据钻孔取出的样本确定钻孔周围的地质构成，再通过查有关手册确定导热系数。然而地下地质构成复杂，即使同一种岩石成分，其热物性参数取值范围也比较大。况且不同地层地质条件下的导热系数可相差近十倍，导致计算得到的埋管长度也相差数倍，从而使得地源热泵系统的造价会产生相当大的偏差。另外，不同的封井材料、埋管方式对换热都有影响，因此只有在现场直接测量才能正确得到地埋管换热器的性能参数。 1.2 热响应测试的目的 通过现场测试的方法, 确定地埋管换热器单位延伸的放热量及取热量，为地源热泵地埋管换热器的设计和施工提供依据；测试分析土壤导热系数等热物性参数，为地下长期运行热响应和热平衡模拟提供依据。 二、地埋管换热器热响应测试的原理 2.1热响应测试原理 实验模拟夏季空调的制冷工况和冬季的制热工况，测量埋管换热器的放热能力和取热能力。 放热试验是模拟夏天的空调运行工况，空调系统通过制冷设备把各房间的热量抽取出来，通过地埋管换热器排向地下土壤，因此，地埋管换热器在夏天的功能犹如一般空调的外机。测量地埋管在夏天的放热功能，就是根据空调运行所对应的冷凝温度，制成一定温度的热水，通过循环水泵使热水在埋设的PE管中以一定的速度流动。热水的温度高于地下土壤的温度，在PE管的流动过程中，把热量传导到土壤中去。地埋管的传热功率就是计算循环水的实际放热功率。 取热试验应用于冬天的热泵供热工况。在冬天，地源热泵以地下土壤作为热源，通过埋设的地埋管换热器从地下土壤层收取热量。测量地埋管冬天的传热功能，就是根据热泵运行所对应的蒸发温度，制成一定温度的冷水，通过循环泵驱动冷水在埋设的PE管中以一定的速度流动，由于PE管内循环水的温度低于周围土壤的温度，冷水在PE管中的流动过程中，从土壤里吸取热量，温度升高。地埋管的取热试验就是根据循环水在PE地埋管中流动过程中从土壤中吸取的热量，来确定地埋管在取热过程中的传热能力。 2.2系统误差控制 为了确保试验结果的准确性，在试验结束前后对温度传感器和流量传感器等进行了标定和校正。保障试验台的误差小于3～5%。 三、测试步骤 3.1 测试步骤 测试步骤为先测试地埋管换热器的土壤的初始地温。然后分别进行放热测试和取热测试。 1）地埋管单位埋管放热能力的测试 调整加热器的功率，根据稳定状态的流量和进出口温度, 可计算得稳定状态下, 单位延深的放热能力，一般放热测试控制进、出水温度分别为35oC和30oC。 控制的变量: a加热器的功率；b进出地埋管的流量； 测量的变量：进出地埋管循环水的温度和流量； 2）地埋管单位埋管取热能力的测试 运行热泵机组,通过地埋管换热器不断的取出地下土壤的热量。观测土壤温度的变化,控制温度保持在一个较低的温度下,通过温度控制器来实现，正常埋管进出水温度分别为5℃和10℃（或7℃和12℃），运行一段时间, 当进出口温度保持恒定时计算制冷量。 控制的变量 控制的变量: a加热器的功率；b进出地埋管的流量； 测量的变量：进出地埋管循环水的温度和流量。 三、测试报告要求 测试结束后，一般应提供测试各项实验与分析报告, 主要内容包括： 1) 地下土壤的地质详细构成； 2) 土壤的热物性参数； 3) 地下土壤的初始温度分布； 4) 热泵机组额定工况下单位埋管的放热和取热量； 5) 回填材料的配比及土壤热容参数； 6) 埋管每延米的阻力。 7) 对本工程埋管，提出性价比最优的可实施的方案。 也可根据客户要求提供： 8) 计算机模拟：地下土壤温度随时间变化的关系；一个制冷季节结束时土壤温升和一个制热季节结束时土壤的温降；运行5年或10年后土壤的温度情况。 9) 根据夏季的模拟分析，为保证全年土壤取放热量平衡给出辅助散热设备冷却塔的设计容量以及与地埋管换热器联合运行的控制策略。作者：东南大学能源与环境学院 陈振乾 zqchen@seu.edu.cn
