土壤源熱泵垂直地埋管換熱器換熱性能的實(shí)驗(yàn)研究
劉 越
（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)一套土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行夏季及冬季工況連續(xù)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)采集U型管的進(jìn)出口水溫、流量以及地溫等數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)所采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，對(duì)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(jìn)出口溫差及單位井深換熱量，結(jié)果表明，無(wú)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(jìn)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(guò)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的傳熱[1] 。U型管地埋管換熱器長(zhǎng)期以來(lái)一直為地源熱泵設(shè)計(jì)及施工的難點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)U型管換熱器的換熱特性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。Arif Hepbasli通過(guò)對(duì)單U地埋管的運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了冬季運(yùn)行期間地埋管的進(jìn)出口水溫，計(jì)算了機(jī)組的性能系數(shù)COP，并提出了對(duì)于特定的制熱量存在一個(gè)最佳循環(huán)水流量的結(jié)論[2] ；Kyoungbin Lim對(duì)垂直地埋管換熱器進(jìn)行了熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了地埋管在鉆孔內(nèi)的換熱表現(xiàn)，驗(yàn)證了地下水流動(dòng)、環(huán)境溫度、埋深對(duì)換熱性能的影響[3] ；L Zhao通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了壓縮機(jī)工作頻率、冷卻水流量與機(jī)組性能系數(shù)COP之間的關(guān)系，認(rèn)為當(dāng)冷卻水流量小于0.114 kg/s時(shí),可以通過(guò)減小壓縮機(jī)功率的辦法提高機(jī)組的性能系數(shù)COP，并指出了在特定頻率下工作的壓縮機(jī)，存在使機(jī)組性能系數(shù)COP達(dá)到最大的最優(yōu)冷卻水流速 [4] ；李新國(guó)等通過(guò)對(duì)不同類型的地埋管換熱器進(jìn)行測(cè)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(zhǎng)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(fù)荷相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，為地源熱泵的設(shè)計(jì)、施工提供更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文根據(jù)對(duì)中南大學(xué)一套實(shí)驗(yàn)用地源熱泵系統(tǒng)的冬、夏季運(yùn)行工況的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)對(duì)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(zhǎng)沙及周邊地區(qū)的地源熱泵的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
1 、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)位于中南大學(xué)第二綜合實(shí)驗(yàn)樓南，主要包括室外地下?lián)Q熱器部分、熱泵機(jī)組和末端風(fēng)機(jī)盤管。地下部分包括1號(hào)（單U）、2號(hào)（單U）、3號(hào)（雙井）3個(gè)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(jī)組選用一臺(tái)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(jī)組；在1，2，3號(hào)鉆孔的進(jìn)出口、熱泵機(jī)組總冷卻水的進(jìn)出口、總冷凍水的進(jìn)出口和1號(hào)鉆孔60 m埋深處盲管內(nèi)共布置11個(gè)PT100溫度傳感器，將11組信號(hào)接入巡檢儀，每分鐘采集6個(gè)數(shù)據(jù)，使用LabVIEW軟件編制的程序進(jìn)行溫度信號(hào)的采集記錄。
2 、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及處理方法
夏季工況實(shí)驗(yàn)從2009年5月22日開始，連續(xù)運(yùn)行 53 h；冬季工況實(shí)驗(yàn)從2009年12月21日開始，連續(xù)運(yùn)行48 h。在機(jī)組運(yùn)行前，先對(duì)地溫進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)期間采集各鉆孔的循環(huán)水進(jìn)出口水溫、機(jī)組冷凍水進(jìn)出口水溫、冷卻水溫和地溫；在機(jī)組運(yùn)行達(dá)到基本穩(wěn)定的階段，記錄若干次流量；機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，記錄機(jī)組功率和水泵功率。
歡迎一切與地源熱泵行業(yè)相關(guān)的新聞包括但不限于投標(biāo)中標(biāo)、技術(shù)研發(fā)、新品發(fā)布、從業(yè)經(jīng)驗(yàn)、施工技巧、成功案例、創(chuàng)新思維的資訊或論文類投稿，本網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)部將擇優(yōu)在地源熱泵網(wǎng)微信公眾平臺(tái)（微信號(hào)：www-dyrbw-com，您也可掃描下面的二維碼）、新浪公眾平臺(tái)、地源熱泵網(wǎng)主站、《地源熱泵》雜志上刊登。投稿郵箱：dyrbw@dyrbw.com
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