（热能工程专业论文）地源热泵水平埋管地下传热性能与实验研究.pdf

中文摘要 本文建立了水平埋管换热器的实验系统，利用数据采集系统对实验数据进 行实时采集，并处理了采集到的数据，冬季分别对启动阶段、问歇运行工况进行 了测试分析，比较了供暖末期和供暖初期的系统性能：夏季分别对热泵系统间 歇运行、连续运行的供冷效果进行了分析，进而得出特定条件下可供设计参考 的单位换热量所需管长。 对水平埋管换热器进行了实验和传热机理研究。建立了土壤层内水平埋管 换热器的物理和数学模型；结合实际工程应用，根据水平埋管换热器的传热规 律，通过编制计算机程序，计算了换热器内流体的平均温度，并与实验值进行 了比较。同时用有限元软件爿胎腰模拟了冬夏热泵运行过程埋管周围土壤的温 度分布( 径向和纵向) ，得出了埋管对周围土壤温度场的影响半径和间歇运行的 恢复状况。并比较了单一埋管周围和相邻两管之间在同一工况下土壤温度曲线， 得出各自的影响规律。此外，本文还分析了土壤热湿迁移过程，建立了控制方 程，并定性地探讨了土壤物性参数及初边值条件等各种因素对非饱和土热湿迁 移的影响规律。 关键词：地源热泵水平埋管换热器土壤温度场影响半径热湿迁移 a b s t r a c t t h e e x p e r i m e n t a ls y s t e m o nt h eh o r i z o n t a lh e a te x c h a n g e r , ah e 撕n g c o o l i n g u n i th a sb e e ns e tu di no u re x p e r i m e n tb a s e d e a lw i t ht h ed a t a ，w h i c ha r ec o l l e c t e d r e a l - t i m e b y t h e c o l l e c t i n g d a t ai m p l e m e n t i nw i m e r , s t u d y t h e s t a r t u p a n d i n t e r m i t t e n to p e r a t i o nc h a r a c t e r s ，a n dc o m p a r et h es y s t e mp e r f o r m a n c eo ft h el a t ea s w e l la st h ee a r l i e rh e a t i n g i ns u m m e r , s t u d yt h ei n t e r m i t t e n ta n dc o n t i n u o u sc o o l i n g o p e r a t i o n ，a n df u r t h e r m o r ef i n dt h ec o i ll e n g t hp e rq u a n t i t yo fh e a ti nt h ed e f i n i t e c o n d i t i o nt h a tc a nb ec o n s u l t e db y p r o j e c td e s i g n t h i s p a p e rp r e s e n t s at h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o ft h e h o r i z o n t a lh e a te x c h a n g e r t h e p h y s i c a la n d m a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rt h eh o r i z o n t a l h e a te x c h a n g e ri nt h es o i lh a v eb e e ne s t a b l i s h e d b a s e du p o nt h ea p p l i c a t i o na n dt h e h e a tt r a n s f e rl a wo ft h eh o r i z o n t a lh e a te x c h a n g e r , c o m p u t e rp r o g r a m sh a v eb e e n d e v e l o p e d t oc a l c u l a t et h ef l u i d a v e r a g et e m p e r a t u r e o ft h eh e a t e x c h a n g e r m o r e o v e r , c o m p a r e t h et h e o r e t i cd a t aw i 出t h et e s td a t a nt h es a m e t i m e ，u s i n ga n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，s t i m u l a t e sa n da n a l y s e st h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no fa m b i e n ts o i lw h e nt h eh e mp u m pi si nt h ei n t e r m i t t e n to p e r a t i o n ，b o t h r a d i a la n d p o r t r a i t ，i nt h ew i n t e ra n ds u m m e r s oe a s i l yr e s u l t st h er e c o v e r yo fg r o u n d t e m p e r a t u r ef i e l du n d e rt h ei n t e r m i t t e n to p e r a t i o n b e s i d e s , t h es o i lt e m p e r a t u r ec u r v e i nt h es a m es i t u a t i o na b o u tt h e s i n g l et u b e a n dd o u b l en e i g h b o rt u b e a n dh a v e e n d u c e dt h e r e s p e c t i v ee f f e c tr u l e i na d d i t i o n ，h e a ta n dm a s st r a n s f e ri n m o i s t u n s a t u r a t e ds o i lh a v eb e e nd i s c u s s e d 。e l i c i tt h ed o m i n a t e de q u a t i o n ，a n dq u a l i t a t i v e l y d i s c u s st h er u l eo ft h ec o u r s ew h i c hs o i l p a r a m e t e r se f f e c to nt h eh e a ta n dm a s s t r a i l s f e r k e yw o r d s ：g r o u n d s o u r c eb e a tp u m p ，h o r i z o n t a lh e a te x c h a n g e r , g r o u n d t e m p e r a t u r e f i e l d h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘生或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名签字r 期：洲年f 月墨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 未祀 jf 导师签名： 起争 签字日期：2 棚珥年，月 日 签字日期：上魄琊年 月 6 日 一 墨二兰丝堡 _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ 。_ _ 。_ 。_ 。h 。- 。_ ，_ _ _ _ - 。_ _ 。- 1 。一 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 在我国能源消耗中，建筑能耗占有相当大的比例。据统计，我国历年建筑 能耗在总能耗中的比例是1 9 4 , 2 0 ，平均值为1 9 8 。其中，用于暖通空调的 能耗约占建筑能耗的8 5 。空调住宅能耗约为一般住宅能耗的6 7 倍。最大 限度地减少能耗，减少有害物质的排放，并且充分地利用可再生能源成为住宅 供暖供冷技术的发展的要求。利用太阳能、地热能等多种自然能的生态住宅应 运而生。 1 9 9 6 至1 9 9 8 年，每年建成城乡住宅均超过1 2 亿平方米口】，需要大量的建 造能源和使用能源，尤其是建筑的采暖和空调耗能也在不断扩大，更加重了能 源危机。与此同时由于建筑供暖燃用大量矿物能源，使我们周围的自然与生态 环境不断恶化。北京申办2 0 0 8 年奥运会能够成功的一个根重要的工作就是净化 首都环境，这其中重要的一环则是调整能源结构、节约常规能源以净化城市大 气环境。在世界一些发达国家，由于人民生活水平较高，其建筑能耗占总能耗 的比侧也很高，约为3 0 4 9 。因此，建筑节能是世界各国共同存在而又非常 重视的大问题。随着我国经济的发展和人民生活水平的不断提高，建筑能耗也 将进一步增加，因此建筑节能任务艰巨。 生态住宅是新世纪住宅建设的重要发展趋势，是近代持续发展理论在建筑 业上的体现，也是人类解决能源危机、土地危机、环境污染等一系列严重社会 问题的重要措施之一。二十一世纪，人类面临能源和环境两大重要课题。寻求 和利用洁净的新能源是发展能源的必然趋势。地热能是新能源中比较有希望的 一种能源，己受到世界各国的广泛重视。我国从7 0 年代开始对地热资源进行了 大量的勘探工作，并已经实施了较大规模的开采。实践证明，我国地热资源丰 富，几乎遍及全国各地，有较好的开发年u 用前景。 建筑节能所用的能源主要来自地表的热能，按照温度的变化特征，地球表 面的地壳层可分为3 个带口j ，即：可变温度带、恒温带和增温带。可变温带，由 于受太阳辐射的影响，其温度有着昼夜、年份、世纪甚至更长的周期性变化， 其厚度般为1 5 2 0 m ；恒温带，其温度变化幅度几乎等于零，深度般为 2 0 3 0 m ；增温带，在常温带以下，温度随深度增加而升高，其热量的主要来源 是地球内部的热能。如天津可变温度带约为1 5 m 左右，1 5 3 0 m 为恒温带，3 0 m p a 第一章绪论 下为增温带。地表热能是一种可再生洁净能源，利用地表浅层所蓄太阳辐射能 改善室内热环境已越来越引起人们的关注。目前，大多采用直接向房间供热或 空调，对室内气温进行控制，为了节能还采用提高房屋外围护结构的隔热性和 房间的气密性，减少通风换气量来保证热环境指标。但由于通风不足，室内环 境质量较差，利用地表层储存的太阳能经地下埋管加热或冷却空气，是用于改 善室内热环境的方法。地源热泵就是利用地下能源的热泵系统，常规热泵是以 大气环境为低温热源，但由于气温过低导致热泵系统无法运行，这是它与空气 热泵的最主要的区别。冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑物供 暖，同时蓄存冷量以备夏季使用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下 对建筑物进行供冷，同时蓄存热量以备冬季使用。 1 2 地表热能与地源热泵 1 2 1 地表热能用于地源热泵 浅层地热资源来源于太阳热辐射和地核热传导的综合作用，具有储存量大、 再生补充性强、分布广泛、能量恒定、开采便利、安全可靠、费用低廉等特点。 一般认为，在4 0 0 米深范围内的地下储存的地热资源为浅层地热资源。 浅层低温地热资源主要来自太阳的热辐射，由于土壤的蓄能效应，使得浅 层土壤中的热量供应十分稳定可靠，成为可再生能源中的一支新兴力量。地核 传导热是来自地球深处的热能，它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。 地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至 近表层。浅层低温地热是利用地核传导热和间接利用太阳能，与直接利用深层 地热和太阳能相比，具有明显优势，因此将成为人类供暖、制冷需求中的主要 选择。 地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏 季比环境空气温度低，是一种十分理想的中央空调可利用的冷热源，另外，地 温恒定的特点使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高4 0 ，因此要节能和 节省运行费用达4 0 左右。另外，地温稳定也使热泵机组运行更可靠、稳定， 也保证了系统的高效性和经济性。 地源热泵供暖空调系统主要分三部分：室外地源换热系统、水源热泵机组 和室内采暖空调末端系统，如图1 1 所示，其中： 第一章绪论 f i ) 水源热泵机组可以有两种形式：水一水式或水一空气式。 r 2 ) 三个系统之间靠水或空气换热介质进行热量的传递，水源热泵与地源之间换 热介质为水，与建筑物采暖空调末端换热介质可以是水或空气。 ( 3 ) 按室外换热方式可把地源热泵分为三类：地下埋管系统，地下水系统， 地表水系统。 f 4 ) 按地源热泵室外系统的载冷剂是否封闭循环，地源热泵系统又可分为闭环系 统和开环系统。 水源热泵机组还具有环保特性、安全舒适性、使用灵活性等特点。地源热 泵是利用水源热泵的一种形式，它是利用水与地表热能( 地下水、土壤或地表 水) 进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源。 图1 1 采用地下埋管的方式只从浅层土壤中提取热量而不取水，没有地下水位下 降和地面沉降等环境问题，也不存在腐蚀和开凿回灌井等问题，不存在对大气 的排热、排冷热污染和排烟、排尘、排水等污染，是真正的绿色能源利用方式。 1 2 2 地源热泵在国外的应用现状及前景 “地源热泵”的概念最早出现在1 9 1 2 年瑞士的一份专利文献中。二十世纪 五十年代欧湘和美国开始了研究利用地源热泵的第一次高潮。但当时能源价格 低，这种系统并不经济，因而未得到推广。瑞典安装了6 0 0 0 个水平地下埋管系 统，德国也有大量的此类工程出现。所有的地源热泵系统都只用于供暖，且主 要安装水平埋管。直到7 0 年代，石油危机把人们的注意力集中在节能，高效益 用能上，地热源热泵的研究进入又一次高潮。此时地下埋管己由早期的金属埋 管改为塑料管。这个时期，欧洲建立了不少水平埋管地下换热器的地热源热泵， 但其主要用于冬季供暖。早期的地热源热泵研究主要集中于土壤的传热性质、 第一章绪论 换热器形式、影响埋管换热的因素等方面1 4 】 8 】o 现在，美国已有许多场所采用了地源热泵空调系统【9 】，其中有商业建筑、 住宅、学校以至农业中的暖房、牛奶场、屠宰场等。最著名的有肯塔基州路易 斯维尔的滨水区办公大楼和东方大酒店高尔塔宫，地源热泵系统的容量达4 7 0 0 冷吨。服务面积为1 5 8 0 0 0 平方米，每月可节省能源费2 5 0 0 0 美元，这也是当今 世界上最大的地源热泵系统。新泽西州斯道学院在1 9 9 5 年用地源热泵改造了原 来的供热、供冷系统，服务面积为3 3 5 0 0 平方米，可节省能源费达3 5 。这也 是当今学校中规模最大的地源热泵。如今，已有数以百计的学校安装了地源热 泵系统。美国计划到2 0 0 1 年达至4 每年安装钧万台地源热泵韵臣标，届时将降 低温室气体排放一百万吨，年节约能源费用达4 2 亿美元，此后，每年节约能源 费用再增加1 7 亿美元。 与美国的地源热泵发展有所不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国 等国家主要利用浅层地热资源，地下土壤埋管( 埋深 4 0 0 米深) 的地源热泵， 用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1 9 9 9 年的统计，家用的供热装置中， 地源热泵所占比例，瑞士为9 6 ，奥地利为3 8 ，丹麦为2 7 。 美国当前安装g s h p 系统大约有4 0 ，0 0 0 台，预期还会以每年1 2 的速度 增长。瑞士目前g s h p 系统约有5 0 ，0 0 0 台，这个数字还会以每年2 0 的速度 递增。1 9 9 8 年热泵空调已占美国商业建筑1 9 ，其中新建筑3 0 左右。 地源热泵是利用地表热能进行能量转换的供暖空调系统，地表浅层是一- 个 巨大的太阳能集热器，牧集了4 7 的太阳能量f “，要比人类每年利用能量的5 0 d 倍还多，它不受地域、资源等限制，真正是量大面广，无处不在。这种储存于 地表浅层近乎无限的可再生能源，符合现今可持续性发展的趋势。 据美国环保署e p a 估计，设计安装良好的地源热泵，平均来说可以节约用 户3 0 一4 0 的供热制冷空调的运行费用。 1 2 3 地下埋管系统分类 目前实际工程应用中，所占比例较高的埋管系统可分为水平埋管热泵和垂 直埋管热泵。 1 2 3 1 水平埋管热泵系统“” 关于水平埋管热泵的研究开始于1 9 3 0 年到1 9 4 0 年。现在欧洲普遍使用的 此类系统多只用于采暖。水平盘管系统有单层和双层两种形式，可采用u 形、 兰二兰堑丝 蛇形、单槽单管、单槽多管等形式。单层是最早也是最常用的一种形式，一般 的设计管埋深度为0 5 m 到2 5 m 之间。由于土壤饱和度不同，壕沟深度也不同。 若整个冬季土壤均处于饱和状态壕沟的深度就一定要大于1 5 m 。同时用于采 暖，管埋深度超过1 s n a 蓄热就慢，而小 于0 8 m ，盘管就会受地面冷却和结冻的影 响，另外管间距小于1 5 m ，盘管间可能会 产生固体冰片并使春季蓄热减少。适用于 面积充裕场所，位于地下i 。5 - 3 0 米，可水 平或螺旋状放置，根据土壤条件和管沟中 敷设的管道数量不同，提取i k w 能量所需 的管沟长度2 0 米。占地面积大，浅层土壤 温度受气候影响较大，供暖、制冷效果会 ( a ) 水平埋管地源热泵系统 产生一定的波动。 水平埋管一般埋设在地下4 5 英尺( 1 2 1 5 米) 的深度f 1 2 】。这一参数的 确定主要从经济性的角度而非技术的角度确定下来的，因为如果埋设的深度大 于5 英尺的话，按照施工的有关规范要求，在进行埋管沟施工的时候，必须采 用护坡设施。这样施工的费用就会成倍的增加。而且因为与地表较为接近，使 得水平埋管环路易受到地表气温波动的影响。为了保险起见，设计师必须相应 地增加水平埋管的总长度。水平埋管的明显缺点是，对于单位制冷量或制热量， 采用水平埋管方式所需要的埋管长度一般要比垂直埋管方式的管长多s 0 。 1 2 3 2 垂直埋管热泵系统 垂直埋管热泵系统有浅埋和深埋两 种。根据美国、加拿大8 0 年代中期到9 0 年代中期建成的冷暖联供的数十个地源热 泵的工程实例1 1 3 j ，大多数采用的是u 形竖 埋管换热器，按其埋管深度可分为浅层( l o o m ) 三种，埋管深，地下岩土温度比较稳定， 传热模型比较简单，钻孔占地面积较少， 但相应带来钻孔、钻孔设备的经费和高承 ( b ) 垂直埋管地源热泵系统 压p v c 管的造价增加。埋深l o 1 5 m 的竖管要比埋深8 0 - - i o o m 造价低6 0 8 0 。在垂直埋管系统中，管道深入地下，土壤热特性不会受地表温度影响，因 此能确保冬季散热与夏季得热间土壤的热平衡。平衡的方法可以采用集热器， 第一章绪论 在夏季集中热量并送入地下加热土壤，或使热泵反转在夏季为土壤加热，以备冬 季之用。 1 2 , 3 3 水平埋管和垂直埋管的对比 水平埋管方式管道可水平或螺旋状埋于土壤中，埋设深度越大，传热效果 越好，但挖地沟投资也越大，一般埋设深度为1 5 m 至3 0n l 。每2 01 1 1 长埋管的 换热量约为l k w 。由于受管之间换热的互相影响，螺旋盘管的总管长度应适当 增长，但其总占地面积比水平直管少。 水平埋管方式与垂直埋管方式相比，浅层土壤温度受气候影响较大，占地 面积比较大。单位管长的换热量低。热泵运行一段时间后，埋管和周围环境之 间产生空隙，使得传热系数大大减小。除此而外，商业地产的昂贵费用也会限 制水平环路埋管的使用。“采用水平埋管方式时，通常情况下l 英亩的面积仅能 获得2 5 3 0 冷吨( 1 冷吨合3 5 2 k w ) 的冷量。相比之下，采用垂直埋管的方式 时，l 英亩能获得4 0 0 5 0 0 冷吨的制冷量”。因此除了那些轻型的商业建筑 外，绝大多数的非居住型建筑都采用垂直埋管的方式。垂真埋管虽然可以减小 占地面积，受气温波动的影响小，单位管长换热量稍高于水平埋管，但所需管 长仍然较长，且克服不了埋管和周围土壤闻易产生空隙的缺点。 无论是水平埋管还是垂直埋管方式，埋管换热器的传热性能都受到土壤种 类的影响，含水土壤，比如粘土的传热性能最好，干燥的砂质土壤的传热性能 则最差，此时，管道长度需适当增加，或将传热性能较好的土壤回填到管井或 管沟中。选择水平或垂直系统是根据可利用的土地、当地土壤的类型和挖掘费 用而定。如果有大量的土地而且没有坚硬的岩石，应该考虑经济的水平式系统。 垂直系统所需要的土地面积是有限的，所阱特别在土地比较紧张的城市中采用。 当采用水平式系统时，可以采用人工挖掘，工程的造价会便宜一些。垂直系统 需要机械钻孔和较高技术的回填，敷设管道，相对造价会高些。但是水平式系 统由于埋得比较浅，所以受环境的影响比较大，而垂直系统则几乎不受这个限 制，所以在选择时要综合平衡各个方面。 1 3 水平埋管换热器的研究现状 从已有的文献报道来看，国内最早的研究开始于1 9 8 9 年【1 4 】，当时山东青岛 建筑工程学院在国内建立了第一台土壤源热泵系统的试验台，开始主要从事水 平埋管的研究工作，后来又完成了竖直埋管换热的研究工作。天津商学院几乎 在同一时间开始了土壤源热泵系统的研究，高祖锟等人在结合国外相关的研究 第一章绪论 数据的基础上，1 9 8 7 年天津商学院制冷系15 】f 1 6 1 开始进行水平蛇管型地下换热器 用于冬季的供暖和夏季空调制冷的研究。华中理工大学从9 0 年代开始，在国家 自然科学基金的资助下，进行了水平单管的换热研究，后来又开始了地下浅层 井水用于夏季供冷和冬季采暖的研究。但现在这方面的工作也已经停止mj 。湖 南大学【1 9 1 9 9 8 年建设了水平埋管地源热泵实验装置，开始也进行了多层水平埋 管的换热特性研究：1 9 9 8 年重庆建工学院 1 9 吲建设了包括浅埋竖管换热器和水 平埋管换热器在内的实验装置。 由于经济发展水平不同和气候地理条件等的差异，土壤源熟泵技术在国内 的推广还有很多技术问题需要解决。经过十多年的研究，国内研究者取得了一 些成果，但从总体上来看，中国的土壤源热泵的研究仍处于较低的水平。归结 原因在于一是因为缺乏足够的实际工程应用，二则研究与实际工程应用脱节。 我国在开展土壤源热泵系统的研究与应用方面起步较晚，目前它已经成为一个 非常“热门”的研究课题。 1 4 本课题主要研究内容 本课题利用前期安装的地源热泵系统，在对其中水平埋管换热器进行短期 实验研究的基础上，着重对实验数据进行处理，进而对水平埋管换热器的传热 规律进行研究。研究以下主要内容： 1 ) 对所采集的数据进行处理，研究冬季启动工况、稳定供暖运行和夏季制冷运 行时水平埋管的换热性能，包括从地下取( 排) 热的能力，单位管长换热量， 性能系数c o p 、e e r 等。并得出了可供实际工程设计和实验研究参考的单位 换热量所需管长值。 2 ) 水平埋管换热器传热理论进行模拟研究，根据水平埋管的传热特点及制约因 素，编程计算换热器内平均流体的温度，并与实测值进行了比较。 3 ) 根据此实际工程，建立埋管周围土壤不稳定温度场的数学模型，在冬夏热泵 运行过程中对埋管周围温度场进行了模拟研究，利用相应软件得到温度场的 变化图，从而得出埋管对周围温度场的影响。比较了冬夏单一管周围和相邻 两管之间在同一工况下土壤温度曲线，得出各自的影响规律。 4 ) 考虑到埋管传热影响土壤水分和热量的迁移，反过来土壤热湿迁移也会影响 埋管与土壤间的换热性能，定性讨论水平埋管土壤热湿迁移情况及影响因 素。 第二章地源热泵浅层水平埋管的实验研究 第二章地源热泵浅层水平埋管的实验研究 本章所研究的实验系统位于天津市梅江生态小区综合办公楼，空调面积为 3 7 1 5 m 2 ，采用地源热泵系统来实现冬季供暖夏季供冷，根据天津地质实际情况 以及办公楼空调负荷的需要，埋地换热器采用了桩埋管、u 型井埋管和浅层水平 埋管三种埋管方式，本章通过对所建实验系统运行一年来获得的实验数据的分 析，重点对浅层水平埋管地下传热机理进行研究，旨在进一步了解浅层水平埋 管管内流体与土壤之间的传热特性。以期能为后几章节对其进行理论研究提供 必要的基础数据。 2 1 水平埋管地源热泵工作原理与实验系统简介 2 1 1 水平埋管地源热泵工作原理 水平埋管地源热泵系统工作原理如图2 - 1 所示。该系统地下为浅埋于地下 的水平盘管，水和防冻剂溶液通过闭式环路进行循环。冬季供热时，在室外管 路内循环流动的流体不断地吸取周围土壤中的热量( 一般维持在1 3 左右) ，然 后将这些热量传到室内环路。这些热量再通过泵和室内管路输送到热泵机组。 夏季空调工况通过四通调节阀门 转换制冷剂流向，同样通过循环 使建筑物内多余的热量通过室内 环路循环流体和空调机组排到地 下土壤。 ，。 压缩机出1 2 1 和四通阀之间加 上一个板式换热器，与水箱中的 水进行换热，将水从生活热水箱 送到热泵中的过热蒸汽冷却器， 去进行换热的封闭环路，是一个 可供选择的环路。全年可以提供 生活用热水。 图2 - 1 水平埋管地源热泵系统的工作原理 2 1 2 水平埋管地源热泵实验系统简介 本章所建实验系统主要由三部分组成：地下水平换热盘管、地上压缩式水 第二章地源热泵浅层水平埋管的实验研究 源热泵机组和空调末端三部分组成。 1 ) 水平埋管换热器系统 作为实验的主体部分，该系统 由水平埋管换热器和周围土壤层组 成。地下盘管总长度为1 0 0 0 米，地 下管群实验装置共3 组，组间采用 并联同程式，管间距o _ 8 m 。每组的 埋管为串联连接。埋管内、外径分 别为2 5 r a m 和3 2 r a m ，管材为高密 度聚乙烯( h d p e ) 管，管子周围为 半无限大土壤层，与水平埋管换热 器进行热交换。每一部分采用单环 路，见图2 - 2 。 图2 - 2 水平埋管的管子形式 2 ) 水源热泵机组 机组型号为w s h p 1 9 s ，它提供的总制热量为1 9 3 5 k w ，制冷量为1 6 5 8 k w 。 机组主要技术参数见表2 一l 表2 - 1 水源热泵机组技术参数表 机组单位w s h p 1 9 s 总制热量k w 1 9 3 5 制冷量k w 1 6 5 8 压缩机型式全封闭压缩机 额定功率 k w3 7 9 水型式进口低噪音、无泄漏水泵 泵 额定功率 w4 6 0 扬程m h 2 0 1 9 换型式 热进出水管径n 1 i nd n 2 5 器 水侧承压能力m p a 3 0 水侧阻力 k p a3 5 生活用水接头尺寸m 3 4 额定水量水源侧m 3 m2 6 6 使用侧m 3 m2 8 5 第二章地源热泵浅层水平埋管的实验研究 具体如图2 - 3 ： 水水热泵一端换热器连接 地下埋管的进出水( 冬季作为蒸 发器，夏季则为冷凝器) ，另一端 连接机组室内侧热交换器( 夏季为 蒸发器、冬季为冷凝器) 。此机组 内部为工质侧切换系统，它与水 环路的热泵机组区别在于四通阀 安装在机组内部，另一不同之处 在于机组内部增加由两个冷凝器 和一个蒸发器同时使用。从而实 图2 - 3 机组内部系统流程图 现二次换热，提高机组的运行效 率。压缩机为活塞式，机组工质采用的是r 2 2 。 3 ) 空调末端 空调末端系统是风机盘管加新风系统。包括办公楼内会议室6 个风机盘管 和值班室一个风机盘管。 2 2 实验数据测试及处理 2 2 1 实验测试系统 实验机房和测试系统布置如图2 - 3 所示，系统共布置六个温度测量信号，一 个流量测量信号和一个功率测量信号。 温度测试对象为地下水平埋管换热器的进出口水温，生活热水进出口水温 及空调房间管路系统的水温。温度测试前者采用铜一康铜热电偶温度传感器，后 者采用p t 一1 0 0 热电阻。分别布置在地下循环水进出口处，空调循环水进出口处， 生活循环水进出口处；流量测试采用涡轮流量计，流量计布置在地下循环水出 口处。整个测试系统采用先进的p l c 计算机数据采集系统，此系统测量数据方 便、快捷、准确度高。参照图2 4 、2 - 5 、2 - 6 第二章地源热泵浅层水平埋管的实验研究 图2 4 实验机房和测试布置图2 - 5 温度测量实图 水平埋管系统机房位于办公楼的 二楼。小机房有六台水泵，型号都 是k q l 2 5 1 2 5 - - 0 7 5 2 ，其中地源 水泵两台，负责水平埋管换热器中 载冷剂的循环，一台工作，一台备 用；空调循环水泵两台，负责风机 盘管中载冷剂的循环，一台工作， 一台备用；热水循环泵两台，负责 会议室的空调系统外( 不包括新风 图2 - 6 机房布置实图 系统) 我们还提供部分生活热水 ( 供员工洗浴等生活用水) 。从地下进入的循环水采用高位水箱实现补水定压。 2 2 2 数据处理方法 1 ) 热泵机组平均换热量q ，k w o = w c 。p ( t 。一屯。) 式中 w 一埋管内水流量，m 2 s c 。一水的比热，k j c k g 。) p 一水的密度，k g m 3 0 一地下换热器进水平均温度， o 一地下换热器出水平均温度， ( 2 1 ) 第二章地源热泵浅层水平埋管的实验研究 根据上式计算结果，夏季放热q 为正，冬季吸热q 为负a 2 ) 水平埋管换热器单位管长换热量q 。，w m 0 1 0 0 0 吼2 2 _ 式中，l 为埋管长度，本实验为1 0 0 0 米。 3 ) 水平埋管换热器内平均水温l ， 埋管换热器平均水温可以按下式近似计算： 弓= 毕 4 ) 热泵性能系数 从理论上分析，热泵系统的能量平衡关系式为： q k = q o + w o 式中： ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) q - 热泵进行供暖循环时的供热量；制冷循环时的水平埋管排热量( k w ) q o 一热泵进行制冷循环时的制冷量；供暖循环时的水平埋管吸热量( k w ) 热泵夏季制冷性能系数e e r = q o ，w o 热泵冬季供暖性能系数c o p = q d w o 2 3 实验结果与分析 水平埋管地源热泵系统自2 0 0 3 年3 月1 5 日开始试运行，进行冬季末期采 暖的实验；于2 0 0 3 年8 月2 0 日开始夏季运行，另外于2 0 0 3 年1 1 月2 2 日又进 行冬季供暖初期的实验。实际运行时积累了大量测试数据，并对这些数据进行 处理得到了一些有价值的结论。如地下埋管进出口水温、流量，房间进出水温 度，生活热水进出水温度。根据测试结果计算地下埋管的吸排热量，换热器内 流体平均温度及启动工况埋地换热器参数随时间的变化。测定分析水平埋管的 吸排热能力和冬季供暖及夏季供冷的效果，并得出用于特定条件下工程设计和 实验研究的参考单位换热量所需的管长。 第二章地源热泵浅层水平埋管的实验研究 一一 2 - 3 1 冬季供暖运行效果测试 2 3 1 1 冬季启动阶段运行工况测试分析口驯 本实验于2 0 0 2 年3 月1 5 日开始，运行至3 月2 4 日。期间采集时间间隔均 为3 分钟。下面对3 月1 5 日地源热泵系统刚开始运行的参数进行分析，测试冬 季启动阶段系统的性能。 1 ) 启动阶段埋地换热器地下取热量和进出口水温的变化 冬季启动工况地下埋管取热量随时间的变化趋势见图2 - 7 ，为冬季启动工况 下埋地换热器进出水温变化见图2 - 8 。 由图2 7 可见，由于埋地换热器的吸热，土壤的温度场发生变化。热泵刚 时间( m i n ) 图2 。7 臣盛 j “一_ - j 二二二二i i ? ii 时间( m i n ) 图2 8 开始运行时，土壤与管内流体的温差大，取热量迅速增大，随着吸热过程的进 行，土壤温度降低，同时房间需热量也减少，经过一段时间后，达到稳定状态。 图2 - 8 可见，埋地换热器中进出口水温在实验前3 h ，温降较快，然后温度 变化减慢，约3 5h 后温度变化基本趋于稳定。说明随着埋地换热器的取热，土 壤温度降低，刚开始时取热量大，所以温降大。随着取热量的减少，温度降低 缓慢，逐渐趋于稳定。稳定时埋地换热器的出口水温接近1 2 1 1 1 2 2 1 。 2 ) 热泵机组供热量、耗功率和供热系数 热泵机组运行时排放到房间的热量，一是来自压缩机的耗功；二是从外界 环境中获得的热量。当热泵机组的结构形式确定后，这两部分热量是相互影响 的。我们希望以较小的压缩机耗功来获得较大的外界热量。本系统热泵机组的 供热量和耗功率如图2 - 9 所示，相应的供热系数见图2 1 0 。 一 一 ， 一 t 一 一 一 一 t 卜f；j 一 第二章地源热泵浅层水平埋管的实验研究 卜、， ，、一薹 j； l 兰二= ，。 d 3 ul d 曲u 05 。1 口d1 乱02 5 0 运行时间【) 运行时问( m l n ) 图2 9图2 1 0 由图2 - 9 可见，单位管长取热量为1 0 2 1 w m ，换热器从土壤中的取热量大 小还与土壤的性质、埋管的敷设方式等有关。换热器出口水温对热泵性能有较 大影响，在实验过程中，室外空气的温度为5 2 9 ，而水平埋管换热器出口水 温为1 2 1 1 1 2 2 1 。从热力学的观点看，采用土壤热源的水循环方式来替代空 气热源，不仅可以提高热泵蒸发器侧的传热系数，而且可以提高蒸发温度。这 样必然提高热泵的制热能力和制热性能系数。由图2 - 1 0 可见，热泵系统开启2 3 h 后，工况基本稳定，供热性能系数c o p 约为3 3 9 3 8 。 2 3 1 2 冬季运行期间测试分析 1 ) 水平埋管进出水温度曲线 图2 - 1 1 、2 - 1 2 分别为冬季供暖实验第1 天、第8 天载冷剂进出口温度曲线。 热泵运行时同( n l n ) 图2 - 1 13 月1 5 日( 1 1 ：0 0 1 7 ：0 0 ) ：k 卜_ 雨耍阐 曩i lilimllldiddimlaiimmiliill 卜 l ，。，。， d5 0 1 0 01 5 00 2 s o3 3 d 热泵运行时间( m 1 种 图2 - 1 2 3 月2 2 日r l l ：o o 一1 7 ：o o ) ( 1 ) 图2 - 1 1 是3 月1 5 日开始冬季供暖实验的第一天，运行6 小时水平埋管进 第二章地源热泵浅层水平埋管的实验研究 出水温及流量的变化。实验第一天未开机时水平埋管进口温度为1 2 6 1 ，开机 半小时后下降为7 9 1 ，变化了4 7 c 。在随后运行的5 5 个小时内，进水温度 仅改变了1 0 7 。c ，这说明当管中水的温度下降到一定程度时，在地下埋管与土 壤之间形成了种热平衡。在6 个小时的运行过程中，地下换热器进出水温差 一直保持在3 1 以上，埋管吸热量在8 5 6 k w 以上，满足用户要求。 ( 2 ) 从图2 一1 2 可以看出，实验进行到第8 天后，未开机时水平埋管进水温 度为1 6 c ，开机半小时内温度下降了7 3 9 。c ，在以后的5 , 5 个小时的运行中， 进水温度下降到8 9 1 ，仅变化了0 3 。进出水温差保持在3 3 1 以上， 埋管吸热量在9 7 k w 以上。 ( 3 ) 比较图2 - 1 1 和2 1 2 ，我们可以看到运行8 天后，水平埋管进出水温度 趋于稳定，水温也都有一定程度的下降，但是温差增加了。水平埋管从地 下的取热能力大了。 由以上两图可以得出： ( 1 ) 冬季热泵在刚开始运行时，由于土壤热源的热惰性，不能及时向埋管周 围附近土壤补充足够的热量，导致理管中水的温度急剧下降。当温度下降到 一定程度，形成水与土壤间的温差传热，蒸发器吸热量得到了补充，使水的 温度下降缓慢，逐渐在水平埋管和土壤之间形成一种热平衡，趋近于稳态传 热。 ( 2 ) 冬季埋管的出口温度保持在1 2 1 2 1 4 叭，明显高于环境空气温度， 有利于供暖性能，说明土壤作为热泵热源是可行的，而且比较理想。 2 ) 供暖末期热泵系统间歇运行供暖效果分析 冬季运行室内保持1 8 2 2 c ( 平均1 9 3 9 c ) ，热泵间歇运行，平均运行小时 数6 2 7 h 。图2 1 3 为3 月1 5 日至3 月2 4 日1 0 天房间供热量、地下取热量、性 一 时同 时问 图2 - 1 3 ( 3 月1 5 日3 月2 4 日) 图2 - 1 4 ( 3 月。1 1 4 日一3 月2 4 同) 第二章地源热泵浅层水平埋管的实验研究 能系数c o p 的曲线，图2 1 4 为地下埋管进出水温度、单位管长换热量的曲线。 由以上两图可以看出： ( 1 ) 冬季运行，地下埋管进水温度8 6 8 1 0 o l c ( 平均9 4 t ) ，出水温度 1 1 8 1 3 7 。c ( 平均1 3 1 3 c ) ，温差4 c 左右。地下埋管单位管长换热量平均 为9 0 7 w m ，热泵性能系数c o p = 3 1 7 5 。 ( 2 ) 房间供热量平均为1 3 0 7 k w ，地下取热量为9 o l k w 。由图2 1 4 可以看 出，冬季供暖初始阶段，地温较高即蒸发温度较高，使得开始吸热量较大， 而随地温降低而降低并趋于稳定。 3 ) 供暖初期热泵系统间歇运行供暖效果分析 水平埋管系统于2 0 0 3 年1 1 月2 0 日开始供暖，为了实现水平埋管系统在此 建筑中的特定功能，1 1 月2 4 日设定系统自动控制开停机，即每日下午1 7 ：3 0 开机，每日上午7 ：3 0 停机( 除周末外) 。图2 1 5 和图2 。1 6 是1 1 月2 0 日至1 2 月6 日运行效果曲线。 5 “ 4 3 ；4 2 裂“ 瑁 0 3 9 12 01 1 上21 1 洲12 61 1 舶1 1 拍2 1 2 0 t 1 2 妇1 20 3 1 20 4 t 20 5 1 2 日期 图2 1 51 1 月2 0 日一1 2 月6 日 同期 图2 1 61 1 月2 0 日1 2 月6 日 由以上两图可以看出，运行1 4 天期问，房间供回水温度开始下降，后又上 升并趋于稳定。相对应的热泵性能系数c o p 也逐渐升高并稳定。 4 ) 供暖末期和供暖初期的比较 以下两图为2 0 0 3 年3 月下旬和2 0 0 3 年1 1 月下旬的供暖性能曲线 图2 一1 7 给出了3 月1 7 日至3 月2 4 日，1 1 月2 2 日至1 1 月3 0 日房间供回 水温度的比较，图2 1 8 给出了3 月1 5 日至3 月2 4 日，1 1 月2 2 至1 t 月3 0 日 单位管长换热量及系统性能系数的比较。 熏二 一 、 【_雩v 二 、。 一 第三主垫塑垫墨鎏星查兰望笪塑茎竺婴壅 - _ _ _ _ _ _ 一 一 1 7 5 “ 一2 p4 1 。4 0 篝* 时间 图2 1 7 毒 i v 蟛 台 h 期 图2 1 8 由图2 1 7 中可以看出，1 1 月的房间供回水温度较3 月份的高，而性能系数 c o p 却较低。具体如下：1 1 月供、回水温度分别为4 0 2 9 。c ，4 2 5 7 5 。c ，而3 月 供回水温度分别为3 8 9 5 。c ，4 2 ，7 2 6 。c 。可见房间进回水温度保持在相对较高的 水平上，房间会很快达到所要求的室温，但是这制约了循环性能系数的进一步 提高。 由图2 1 8 可见，1 1 月下旬的地下埋管换热量低于3 月下旬的，这是因为3 月取数据时建筑楼还没有完全竣工，没有门窗的保温，所以整个办公楼热负荷 较大，水平埋管必须在地下吸取较大的热量满足室内温度的要求。 2 3 2 夏季供冷运行效果测试 2 3 2 1 热泵系统间歇运行供冷效果分析 热泵系统从8 月2 0 日起开始进入供冷阶段，图2 - 1 9 是选取8 月2 1 同至8 月2 6 日间歇运行期间的数据处理结果，间歇运行即上午9 点左右开机，下午5 点左右停机。 由图2 - 1 9 可见，水平埋管出水温度曲线缓慢上升，由2 4 8 66 c 升至2 5 1 9 5 ，但工况较稳定。进水温度由3 1 3 1 7 。c 上升到3 2 。c 。水平埋管平均进出水温 度分别为3 1 6 7 。c 、2 5 1 ；水平埋管向地下平均排热量为1 9 0 5 k w ，平均制冷 量为1 5