不同供水溫度下地源熱泵群孔換熱性能的試驗(yàn)研究

李雷雷，寇 利，王小清，王其昌

（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

1 前言

地源熱泵技術(shù)是一種可再生供能技術(shù)，主要利用深埋于地下的埋管與其周圍土壤進(jìn)行熱交換，夏季向土壤排熱，冬季向土壤吸熱，全年循環(huán)達(dá)到可再生的目的［1，2］。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)因具有高效節(jié)能、環(huán)境效益好、穩(wěn)定性好、可靠性高、占地面積少等顯著優(yōu)點(diǎn)而越來越備受關(guān)注，其應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊［3，4］。目前，地源熱泵豎直地埋管系統(tǒng)大多采用U型埋管換熱器，其換熱性能的好壞直接影響到熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，許多專家學(xué)者對其進(jìn)行試驗(yàn)和模擬研究［5～11］，但這些試驗(yàn)?zāi)M研究均是在單孔基礎(chǔ)上進(jìn)行的；戰(zhàn)國會對群孔長期換熱建立了有限長體熱源模型［12］，對群孔系統(tǒng)長期運(yùn)行后的溫度場進(jìn)行模擬研究，但未對群孔換熱性能進(jìn)行探究；實(shí)際工程中，夏季室外溫度變化使建筑總冷負(fù)荷變化，進(jìn)而引起地源熱泵系統(tǒng)地埋管側(cè)供水溫度改變，供水溫度變化會對地下?lián)Q熱器的換熱能力產(chǎn)生一定影響。

本文主要以地源熱泵群孔豎直地埋管為研究對象，在群孔循環(huán)總流量恒定，供水溫度不同條件下，分別對單、雙U豎直埋管群孔換熱性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，探究不同供水溫度對群孔地埋管換熱能力的影響，為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)場地

本試驗(yàn)是對上海青浦某科學(xué)實(shí)驗(yàn)場內(nèi)的3個雙U支路和3個單U支路進(jìn)行現(xiàn)場測試，每個支路均由8個換熱孔，每個孔深均120 m，孔間距均為4.5 m×4.5 m，雙U埋管材料為PE100DE25*2.3，單U埋管材料為PE100DE32*3.0，單、雙U回填料均由膨潤土、水泥、黃砂按照2∶2∶1比例配比而成，具體測試支路位置分布見圖1。

圖1 測試支路位置分布示意

2.2 測試設(shè)備

測試設(shè)備采用DRGS-48型地埋管地源熱泵群孔換熱性能測試儀，該測試儀采用PLC智能控制系統(tǒng)，既可以遠(yuǎn)程控制設(shè)備測試參數(shù)（進(jìn)出口水溫、壓力、系統(tǒng)流量等），也可以通過觸摸屏來設(shè)定測試參數(shù)，研發(fā)過程中經(jīng)過多次調(diào)試、校驗(yàn)，最終使誤差控制在2%以內(nèi)。

地埋管地源熱泵群孔換熱性能測試儀的測試原理如圖2所示。

圖2 測試原理示意

將測試儀的水路循環(huán)部分與所要測試地埋換熱管回路相連接，形成閉式環(huán)路，通過循環(huán)水泵驅(qū)動流體在整個回路中循環(huán)流動，夏季模擬熱泵機(jī)組內(nèi)冷凝器散發(fā)出的熱量傳遞給流體，流經(jīng)地下埋管回路與土壤進(jìn)行換熱，通過測得的換熱功率來評估所測群孔的換熱能力。

3 試驗(yàn)方案

在2016年8，9，10月份對青浦某科學(xué)實(shí)驗(yàn)場的6個支路分別進(jìn)行測試，為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和客觀性，測試過程中每個支路進(jìn)行重復(fù)測試，并且取3個雙U支路的平均值和3個單U支路的平均值作為最終數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

每個支路的測試采用恒溫法，即給定流量和供水溫度，測試回水的溫度和換熱功率；試驗(yàn)測試有4組工況：供水溫度分別為30，33，37和40 ℃，流量均為8 m3/h條件下連續(xù)測試24 h，對所測得的回水溫度和換熱功率進(jìn)行對比分析。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)過程中，所測支路的地埋管供、回水溫度、流量、換熱量的數(shù)據(jù)每10 s記錄一次，連續(xù)運(yùn)行24 h，剔除測試儀剛開始運(yùn)行時的不穩(wěn)定數(shù)據(jù)之后進(jìn)行處理。

圖3為單U埋管形式，循環(huán)流量均為8 m3/h，供水溫度為30，33，37和40 ℃條件下4組工況的換熱功率和回水溫度的變化曲線。從圖中可以看出，支路的流量和供水溫度恒定時，其換熱功率隨著測試時間的延長而逐漸衰減，且剛開始時衰減較快，逐漸趨于穩(wěn)定，因?yàn)閯傞_始測試的一段時間，地埋管周圍土壤溫度和設(shè)定供水溫度的溫差大，換熱快。隨著換熱進(jìn)行，地埋管周圍土壤溫度逐漸升高，溫差變小，換熱速率減小，此時，地埋管周圍土壤溫度略高于距地埋管稍遠(yuǎn)處土壤溫度，進(jìn)而把熱量傳遞過去，使地埋管外壁和周圍土壤的換熱形成一個動態(tài)的平衡狀態(tài)，如果連續(xù)幾周或幾個月?lián)Q熱量超過地埋管周圍土壤的熱承載力，就會引起該區(qū)域土壤溫度升高，破壞土壤的生態(tài)環(huán)境，這也是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設(shè)計(jì)時要根據(jù)全年周期，保證土壤換熱處在動態(tài)熱平衡狀態(tài)的原因。

圖3 單U埋管形式下，支路換熱功率和回水溫度的變化曲線

另外，不同供水溫度下，換熱功率和回水溫度變化趨勢一致；測試時間相同，供水溫度越高，支路的換熱功率越大。

圖4為不同供水溫度下，單、雙U埋管換熱功率對比曲線。從圖中可以看出，隨著換熱時間延長，不同溫度下，單、雙U支路換熱功率均呈現(xiàn)衰減趨勢；對比圖4（a）、（b）可以看出，同樣供水溫度下，由于DN25雙U管比DN32單U管外表面積大，即埋管與周圍土壤間的換熱面積大，因此，在其他條件相同的情況下，雙U比單U埋管形式換熱功率大；另外，供水溫度為30 ℃時，單、雙換熱功率差值相比33，37和40 ℃時偏小，是因?yàn)殡S著供水溫度升高，埋管周圍土壤的溫度也升高，影響了埋管外壁與土壤間的換熱系數(shù)，而雙U管的換熱面積大在相同時間內(nèi)，其管壁周圍土壤溫度變化大導(dǎo)致其換熱系數(shù)變化明顯，進(jìn)而影響換熱功率較明顯。

圖4 不同供水溫度下，單、雙U埋管換熱功率曲線

為了進(jìn)一步定量分析不同運(yùn)行工況下?lián)Q熱量隨換熱時間的增長而減小的大小，分別對單、雙U埋管形式在不同運(yùn)行工況下的換熱功率隨時間的變化曲線進(jìn)行擬合。對圖4中單、雙U支路換熱功率曲線進(jìn)行擬合，擬合曲線與實(shí)測曲線十分吻合，且擬合公式為對數(shù)函數(shù)，表明地源熱泵豎直地埋管與土壤間的換熱規(guī)律呈對數(shù)函數(shù)形式變化。

根據(jù)擬合公式定量計(jì)算其換熱功率隨時間減小的百分量，換熱功率減小百分量ηh定義為某一時刻的換熱功率w0與上一時刻的換熱功率w1之差占上一時刻的換熱功率w1的百分比，其公式為：

根據(jù)圖4中的擬合公式分別計(jì)算不同工況下?lián)Q熱9，10，11，12和20 h的ηh。圖5所示為不同工況下?lián)Q熱功率隨換熱時間增長而減少的百分量柱狀圖，從圖中可以看出，換熱9 h時不同工況ηh大小不一樣，但均在3.1%以內(nèi)，換熱12時后不同工況的ηh均在2.1%以內(nèi)，換熱20 h時不同工況的ηh均在0.9%以內(nèi)，因此，測試20 h后換熱功率的減小量可忽略，可認(rèn)為此時的換熱功率為該支路的實(shí)際換熱能力值。

圖5 不同工況下?lián)Q熱功率隨運(yùn)行時間增長而減少的百分比

表1為群孔循環(huán)流量為8 m3/h，換熱20 h時不同工況下的換熱功率值，該值可以為地源熱泵地埋管換熱系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)；另外，對表格中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得出，供水溫度每增加1 ℃，單U換熱功率平均增加2.47 kW，雙U換熱功率平均增加3.06 kW。

表1 流量8 m3/h換熱20 h時不同工況下的換熱功率值

5 結(jié)論

（1）當(dāng)供水溫度恒定時，其換熱功率隨著換熱時間的延長而逐漸衰減，且剛開始時衰減較快，逐漸趨于穩(wěn)定。

（2）不同供水溫度下，單、雙U埋管形式與土壤間的換熱功率變化趨勢一致，且呈對數(shù)函數(shù)形式變化。

（3）隨著供水溫度升高，雙U比單U埋管形式換熱功率大，且供水溫度每增加1 ℃，單U換熱功率平均增加2.47 kW，雙U換熱功率平均增加3.06 kW。

（4）連續(xù)換熱20 h后的換熱功率值可作為群孔實(shí)際換熱能力值，該值可以為地源熱泵地埋管系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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