土壤源熱泵垂直地埋管換熱器換熱性能的實驗研究
劉 越
（鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司 天津 300142）
摘 要：為研究土壤源熱泵垂直地埋管換熱器的換熱特性，對長沙地區(qū)一套土壤源熱泵系統(tǒng)進行夏季及冬季工況連續(xù)運行的實驗，實時采集U型管的進出口水溫、流量以及地溫等數(shù)據(jù)。通過對所采集的實驗數(shù)據(jù)進行處理分析，對比了不同工況、不同埋管形式、不同埋深條件下的地埋管換熱器進出口溫差及單位井深換熱量，結(jié)果表明，無論是夏季工況還是冬季工況，雙U型管的單位孔深換熱量比單U型管高25%～30%。
關(guān)鍵詞：U型管換熱器；進出口水溫；換熱能力
引言
土壤源熱泵系統(tǒng)即地下耦合地源熱泵系統(tǒng)，是利用土壤作為熱源或熱匯，通過循環(huán)液(水或以水為主要成分的防凍液)在封閉的地下埋管中流動，實現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的傳熱[1] 。U型管地埋管換熱器長期以來一直為地源熱泵設(shè)計及施工的難點。近年來，國內(nèi)外許多學者對U型管換熱器的換熱特性進行了大量的實驗研究。Arif Hepbasli通過對單U地埋管的運行特性實驗，測量了冬季運行期間地埋管的進出口水溫，計算了機組的性能系數(shù)COP，并提出了對于特定的制熱量存在一個最佳循環(huán)水流量的結(jié)論[2] ；Kyoungbin Lim對垂直地埋管換熱器進行了熱反應實驗，測試了地埋管在鉆孔內(nèi)的換熱表現(xiàn)，驗證了地下水流動、環(huán)境溫度、埋深對換熱性能的影響[3] ；L Zhao通過實驗分析了壓縮機工作頻率、冷卻水流量與機組性能系數(shù)COP之間的關(guān)系，認為當冷卻水流量小于0.114 kg/s時,可以通過減小壓縮機功率的辦法提高機組的性能系數(shù)COP，并指出了在特定頻率下工作的壓縮機，存在使機組性能系數(shù)COP達到最大的最優(yōu)冷卻水流速 [4] ；李新國等通過對不同類型的地埋管換熱器進行測試的結(jié)果表明，同樣埋管形式的樁基地埋管換熱器單位長度換熱量是鉆孔地埋管換熱器的1.5倍[5] 。
由于各地區(qū)氣候地質(zhì)差異較大，大部分研究還只是局限于某些特定地區(qū)，因此有必要在一些適合推廣熱泵技術(shù)的地區(qū)，特別是夏熱冬冷，且冷熱累積負荷相當?shù)牡貐^(qū)進行相關(guān)的實驗研究，為地源熱泵的設(shè)計、施工提供更多試驗數(shù)據(jù)。本文根據(jù)對中南大學一套實驗用地源熱泵系統(tǒng)的冬、夏季運行工況的實測數(shù)據(jù)，重點對比了不同工況、不同埋管形式、不同埋深條件下地埋管換熱器的換熱性能，以期為長沙及周邊地區(qū)的地源熱泵的應用設(shè)計提供依據(jù)。
1 、實驗系統(tǒng)
實驗系統(tǒng)位于中南大學第二綜合實驗樓南，主要包括室外地下?lián)Q熱器部分、熱泵機組和末端風機盤管。地下部分包括1號（單U）、2號（單U）、3號（雙井）3個直徑150 mm的鉆孔，孔間距為7 m，孔深分別為77，43，43 m；地埋管換熱器選用DN25的PE100管，傳熱介質(zhì)為水；熱泵機組選用一臺額定制冷量為10.4 kW，額定制熱量15.7 kW的冷熱水型水源熱泵機組；在1，2，3號鉆孔的進出口、熱泵機組總冷卻水的進出口、總冷凍水的進出口和1號鉆孔60 m埋深處盲管內(nèi)共布置11個PT100溫度傳感器，將11組信號接入巡檢儀，每分鐘采集6個數(shù)據(jù)，使用LabVIEW軟件編制的程序進行溫度信號的采集記錄。
2 、實驗結(jié)果及處理方法
夏季工況實驗從2009年5月22日開始，連續(xù)運行 53 h；冬季工況實驗從2009年12月21日開始，連續(xù)運行48 h。在機組運行前，先對地溫進行測試。試驗期間采集各鉆孔的循環(huán)水進出口水溫、機組冷凍水進出口水溫、冷卻水溫和地溫；在機組運行達到基本穩(wěn)定的階段，記錄若干次流量；機組運行穩(wěn)定時，記錄機組功率和水泵功率。
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