030101U型垂直换热器地源热泵夏季供冷测试及传热模型

作者简历： ! 吴永华， 男， 硕士， 重庆大学 $ 区城环学院， !"## 年生， %&&&%’ 收稿日期： (&&( ) &# ) ((
・!・ 的水流量。 ! 夏季制冷运行测试分析 该实验装置从 !""# 年 $ 月 #% 日开始运行 #& 小 时， 以后每天白天平均运行 ’ 小时至 $ 月 !( 日。从 $ 月 !% 日起到 $ 月 (# 日连续运行 ’ 天。运行期间， 由 (、 %、 ) 号管来吸收两套机组排出的热。室内温度 控制在 !$* ， 起， 停由机组自带温控装置操作。 !+" , 型管第一次运行 见图 !， 从第一次连续运行 #& 小时的情况看， % 号管在运行 #" 小时后， 趋于稳定， 此时进出水温差 为 )* ， 与后来连续运行 ’ 天中稳定后的进出水平 我们可以使用加 均温差 % + (%* 相差约 #(- 。因此， 热器对土壤进行短期加热， 通过一定的修正系数 ! 来确定我们设计所需要的换热参数， 从而准确的设 计不同地区不同情况的地下换热器。
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引言 目前， 地源热泵作为一项节能和环保的技术越
来越受到我国暖通空调界的广泛关注。国内理论研 究和实验研究的重点主要在地下耦合热泵系统， 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 + 资料及数据， 但由于气候 + 地质条件的差 异， 并不一定适合我国。因此， 我国有必要在一些适 合推广这项技术的地区 （特别在夏热冬冷地区） 建立 一些示范工程， 逐步由实践走向理论。以下试验装 置即是在这种情况下建立起来的。当前， 地下 * 型 垂直式换热器埋深已达 !,& 米。但根据经济性分 析， 埋深超过 ,& 米以后， 单位埋深初投资会迅猛提 高。因此， 国内几家 * 型垂直式换热器埋深都在 %’ ) #’- 之间。本试验装置换热器埋深在 %( + ’ ) %" + 平均埋深 %. + / -。 !- 之间， " 试验装置及测试仪器 该实 验 装 置 地 下 部 分 共 有 钻 孔 . 个， 孔径 孔间距为 /-。钻孔内布置单根 * 型垂直埋 !!&--， 管， 埋深总计 (## + . 米， 埋管总长 ’’’ + ( 米。埋管采 （外径 (’--， 内径 (&--） 铝塑管。除 ’ 号 用 (&(’ 型 孔回填料为当地黄土外， 其余各孔均采用细河沙。 该实验装置拟为二楼一套三室一厅住宅和一楼 的一个商业门面提供冬夏冷暖空调。目前， 只有二 楼投入使用， 共安装了两台水—空气热泵空调器。 图! 地源热泵系统原理图
! ) 集水器； ( ) 分水器； / ) 放气阀； % ) 累积式流量计 ’ ) 压力表； . ) 循环泵； # ) 膨胀水箱； , ) 热泵机组 !； " ) 热泵机组 (
为了便于对该系统的研究， 我们共布置了 %& 个 测点。它们分布在 %、 以及空调回风口。 ’、 . 号管， 除进、 出水口外， 在进水管和出水管 以 % 号管为例， 埋深 & + ’-、 #-、 !#-、 (#-、 /#- 以及管底都布置了测 点。采用铜 ) 康铜热电偶作温度传感器， 温度测试 值的显示采用 01 ) 2,& 型带打印多回路巡回测量 经冰点修正后测 显示仪， 测量精度 & + (3 45 6 ! 字， 试误差为 6 & + /7 。两个精密电度表 （精度 ( + & 级， 经重庆市电力局标定） 使用来测试两套机组累计耗 电量。在每套空调机组的水循环回路上设有累计式 流量表 （还将增设瞬时流量计） 以测定通过空调机组
建筑热能通风空调 进出口水温差才达到 &’ ， 此时如总水量 !""# $ % 时， 达到机组冷却水所需量， 且分配合理， 则机组运行的 能效比会达到最高值。因此， 为满足 ( 楼机组运行 最好采用 ) 个 )&* 左右的钻孔来吸收排到地下的热 量。据估计， 本系统 ++, 会达到 ) - ( 以上。 !-! 地下换热器传热中存在的问题 在地下换热器运行过程中， 埋深 .& 米以上的同 一钻孔内的进回水管热短路现象比较严重， 笔者建 议在将埋深 .& 米以上的两管使用木支架撑开。 从钻孔到室内的连接管， 要是设计不合理， 也会 影响传热效果。本系统的原来的做法是： 将 ! 组连 接管裸埋于据地 " - & 深， 大约 " - & 米宽的沟底， 用开 据地 " - & 米深的土 挖的土回填。事实上， 在 / 月份， 壤温度已达到 0(’ 左右。进水管将热传给周围的 土壤， 再传给了回水管。如果为了测试不便于采用 总管进、 回水， 将其在水平距离隔开的方法。则可行 的办法是， 将 ! 根回水连接管埋于距地 .* 土壤下， ! 根进水管仍埋于距地 " - & 米的土壤下， 可使连接管 在避免了热短路的情况下， 也起到传热效果。 " 传热模型 本传热模型在继承了 123456 方法的基础上， 进行了一些热阻改进。在地下换热器传热过程中共 如下： 存在 ! 个阶段对应的热阻， ［.（ ］ 78 $ ,. 9 ,( 9 ,0 9 ,) 9 ,& 9 ,!） 式中 — —每米钻孔交换的热量， 7— ;$ * 度的差值， ’ — —< 型管内对流换热热阻，* ,. — — —< 型管管壁热阻， ,( — * ’ $ ;； — —回填材料的导热热阻， ,) — * ;； — —大地热阻， ,! — * "-# 大地初始温度的确定 对于浅层 ." 米以内的土壤原始温度， 有很多文 献已做过报道， 就不赘述。这里主要就 ." 米以下的 土壤原始温度作一探讨。 在大地深度为 (" = 0" 米处存在一恒温带， 恒温 "-$ 图& ’ $ ;。 ’ $ ;； ’$ — —回填材料与孔壁的接触热阻， ,& — * ’ $ ;； ’ $; : ’；
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当 ." F %!(" 时 （=% :> ? 9 6" @A? （ % = ."） H 当 % I (" 时 ） : %， 8 :J? ! （ 式中 度， ’； — —地表面年平均温度， :>?— ’； — —大气年平均温度， :J?— ’； — —地表面年周期性波动波幅， 6" — ’； — —温度年波动周期， B" — B" 8 G/!" 小时； — —温度年周期性波动频率， E— E8( "$ B" 8 " - ""/./。 我们可以看出模拟曲线与 ("". 年 ( 月 从图 &， .K 日的大地原始温度实测值吻合的很好。最大误 （注： 重庆 :>? 取 .K - (’ ， 差在 " - )’ 以下。 :J? 取 .G 计算年波幅从 . 月 .& 日起。 ） 6> 取 .0 - (’ ， 0’ ， （ % = ("） 9 0 9 " - "0 H — — —地 下 土 壤 在 深 为， 时间为 !时 的 温 :% ! ） （E ） >CD 9 " - .G != % B B # # " "
!""( 年第 # 期 比较 （详见图 %） ， 而 ) 号孔则为 % + % 号孔为 % + (%* ， 若在 "(* 。其单位长度钻孔夏季换热量相差 $- ， 两机组全程运行中， 相差额会达到 #"- 以上。很明 显， 细河沙是一种相对合适的回填材料。同时， 也说 明了回填是我们施工中重要的一环。这对更经济的 设计地源热泵系统有着重要意义。
・0・ 带的温度取高于年平均气温 ( = ! ’ 年平均气温。 （这是全球平均 在恒温带以下， 大地温度以 " - 0’ $ * 值） 的地温梯度递增。而在深度 ."* 以下， 恒温层 以上的大地温度由于受大气气温年周期变化， 地球 内部向外散热以及地下水活动影响， 温度变化规律 比较复杂。对于本系统所在地的大地原始温度模拟 如下： （ 当 "! %! ." 时 :%， ! 8 :>? 9 6" @A? = % （E != % ） B # "
图( 图 ! % 号管第一次运行 !+# , 型管的连续运行 连续运行了 #’! + !) 小 , 型管从 $ 月 !% 日起， 时。测试结果见图 (。其中 # 号热泵机组运行时间 占总时间的 .!- ， 循环水量为 #$&/( 。! 号热泵机组 运行时间占总时间的 $(- ， 循环水量为 #(!/( 。 !+#+" 确定修正系数! !+#+! 由于第一次运行中， 两机组全程运行。而在 $ 月 !% 日后的运行中两机组并没有全程运行， 因此修 正系数应对此加以考虑。先算出总运行率为 " + ’(， 即热泵机组实际放热量与热泵机组全程运行放热量 的比值。则以 $ 月 #% 日的换热参数为基数， 修正系 数!0 " + ’( 1 （% + (% 2 ) + "） 得到单 0 " + $!。经过计算， 位长度钻孔的夏季换热量为 &# + .3 2 / （注： 回填料 为细河沙， 。 , 管内水的平均温度为 ()* 左右） !+#+# 回填料的比较 通过 % 号孔和 ) 号孔运行稳定后进出水的温差
机组连续运行地下换热器情况
图 % %、 ) 号管进出水温差 运行效果分析 虽然 ) 号孔的回填对运行效果有一定的影响， 但两组机组运行下来， 机组 ! 的能效比 445 仍达到 比国家标准规定的家用分体式风冷热泵空 了 ( + &!， 调器的名义工况能效比 445 0 ! + ) 指标提高 %)- 。 但机组 # 由于冷却水量的偏小 （主要是循环泵设计 问题， 以 及 对 单 位 钻 孔 换 热 量 的 估 计 不 足） ， 使得 445 只提高到 ( + " 左右。 通过 对 运 行 情 况 的 分 析， 在单管流量达到