傅允準

                   (上海工程技術大學機械工程學院,上?！?01620)

    摘要：分析了在設計階段和實際運行階段地源熱泵地埋管換熱器換熱量的測試原理、換熱量計算方法,測試注意事項、系統誤差控制方法,并且對實際工程運行階段地源熱泵地埋管換熱器換熱量進行測量、數據分析。最后,通過試驗表明,地埋管換熱器換熱量的測試方法是正確可行的。

    關　鍵　詞：地源熱泵;地埋管換熱器;換熱量;測試

    中圖分類號: TK526·2　　文獻標識碼: B　　文章編號: 1672-4550(2010)02-0033-03

    1　引　言

    近年來,由于地源熱泵系統具有環保、高效節能的特點,在政府及相關部門的鼓勵與支持下,地源熱泵系統進入了發展熱潮。地源熱泵系統在推廣應用過程中,設計階段的土壤熱響應測試和使用過程中地埋管換熱器的換熱能力測試都是非常重要的。在地源熱泵系統中地埋管換熱器的設計是重要的一個環節。而其關鍵在于獲得準確的當地土壤取、放熱特性。地埋管取放熱特性目前主要依靠土壤熱響應測試方式獲取。由于地下情況多變,往往由多個地層組成,單純的按照簡化模型和經驗公式計算往往誤差過大,不能作為地源熱泵系統的設計依據。只有在地源熱泵規劃施工場所當地進行的土壤熱響應測試能夠獲得完整和準確的土壤數據。因此,為保證一個地源熱泵系統準確的設計,土壤熱響應測試是必不可少的前提步驟。另外,為了監測地源熱泵是否正常運行,經常會對在地源熱泵系統實際運行中的運行情況進行跟蹤測量,而地埋管換熱器換熱能力和土壤溫度變化情況是重要測試內容。

    2　地埋管換熱器換熱量實驗原理

    地埋管換熱器換熱量測量主要包括設計階段的地埋管換熱器換熱量測試和運行階段的地埋管換熱器換熱量測試。設計階段地埋管換熱器換熱量測試也稱為土壤熱響應測試。

    2·1　土壤熱響應測試原理

    散熱試驗是模擬夏天的運行工況,空調運行中把從各房間抽取的熱量通過地埋管換熱器排向地下土壤。測量地埋管夏天的傳熱功能,根據熱泵機組運行所對應的冷卻水溫度,制成一定溫度的熱水,通過循環泵驅動熱水在埋設的PE管中以一定的速度流動,讓PE管中的熱水在流動過程中,把熱量散發到土壤中去,經過一段時間,回水溫度達到恒定(供回水溫差達到恒定),即地埋管換熱器放熱量恒定。通過實驗測得此放熱量,然后除以井深,即可得單位井深的放熱量q。放熱量的計算公式如下:

    Q =ρcpG(tg-th) =q×L(1)

    式中:Q為地埋管放熱量, kW;ρ取1 000 kg/m3;G為水流量, m3/s;L為井深, m;q為單位井深換熱量, W /m。

    單位井深的放熱量q如下:

    q =Q /L =ρcpG(tg-th) /L(2

    2·2　運行階段地埋管換熱器換熱量測試原理

    實際工程中,以地源熱泵為冷熱源,末端設備可以采用新風機組和風機盤管或普通地板輻射采暖系統、毛細管輻射采暖系統等,如土壤換熱器換熱量系統測試原理如圖1所示。實際運行中,對地埋管換熱器換熱量的檢測是非常關鍵,地埋管換熱器換熱能力的變化直接決定地源熱泵系統是否能正常運行的關鍵。地源熱泵換熱器換熱量主要測量地埋管換熱器進出水溫差、流量參數。地埋管換熱器進出水溫采用Pt100測量、流量測量采用渦街流量計或電磁流量計。

                

    3　地埋管換熱器換熱量測試注意事項

    垂直換熱管長度分別為50 m、60 m、90 m、150 m等,垂直換熱管換熱管段以上的垂直管段和水平管段均采用橡塑保溫材料保溫,防止熱損失,減少試驗的誤差。設計階段的換熱器測試實驗臺位置放在靠近管井的位置以減少由于輸送距離長而引起的誤差。散熱、吸熱特性實驗需要持續數小時以上,當管井內土壤換熱器埋管與周圍土壤達到熱平衡,管內循環水進出溫差穩定后,得到的數據作為測試結果。

    另外,不管是土壤熱響應實驗或運行中換熱器性能測試,盡量采用數據采集器與電腦連接,可以進行長時間對地埋管換熱器性能進行跟蹤測量,而且便于獲取大量數據處理和減少一些人為的誤差,保證測試結果正確。

    4　地埋管換熱器換熱量測試誤差控制

    在地源熱泵系統的地埋管換熱量測試中,要注意控制測量過程和測量儀器產生的誤差。地源熱泵的測試誤差源包括:各系統設備精度誤差、測量儀器標定誤差、數據處理舍入誤差,其中占主要作用的是設備精度誤差。

    測試避免誤差所采用如下措施:

    (1)溫度傳感器的選擇在所有的溫度傳感器中,鉑電阻傳感器是線性最好、穩定性最好的傳感器。溫度傳感器目前普遍采用A級PT100型鉑電阻傳感器,在試驗之前和試驗之后,還需對溫度傳感器的進行校正與標定。

    (2)流量的測量,目前主要采用電磁流量計。

    (3)連接管道的隔熱保溫從試驗臺到地埋管出口的這部分連接管道會構成一定的熱損失。在系統試驗臺測試期間,采用橡塑保溫材料,對連接管道進行隔熱,減小環境對管內循環水的傳熱影響。

    5　實驗數據處理和分析

    某實驗室地源熱泵系統土壤埋管有3口90 m井,對其運行階段地埋管換熱器換熱量的進行測試。當地源熱泵機組啟動供熱模式后,水源側流量3·78 m3/h,地埋管換熱器進出水溫度和換熱量變化情況如圖2所示。

              

    分析圖2,可以看出:當7 min后,地埋管換熱器進出水溫差和換熱量比較穩定,后250 min后,由于機組負荷側供水溫度達到設定值,開始出現間斷性起停,所以地埋管換熱器進出水溫差和地下埋管換熱量出現較大的波動。整個過程中,地埋管換熱器進出水溫差3·4℃,最大換熱量21 kW,最大單位井深換熱量78W /m,平均單位井深換熱量55W /m。

    6　結　論

    通過以上的分析,可以得出:通過土壤熱響應實驗,可以正確得出地埋管換熱器換熱量,為地源熱泵的優化設計提供保證。而運行階段地埋管換熱器換熱能力的跟蹤監測,是地源熱泵可靠、正常運行的關鍵。故測試過程中,盡量減少測試誤差,保證測試結果正確。另外,通過試驗表明,地埋管換熱器換熱量的測試方法是正確可行的。

    參考文獻

[1]　胡松濤,張莉,王剛·太陽能-地源熱泵與地板輻射空調系統聯合運行方式探討[J]·暖通空調, 2005,35(3): 41-44, 53·

[2]　Li Xinguo·Theoretical and experimental study on groudcoupled 

heatpumpwith vertical spiral coil[J]·Transac-tion ofTianjinUniversity,

 2003, 9(2): 123-126·

[3]　張玲,陳光明,黃奕沄·U型豎埋管地源熱泵-輻射地板聯合運行冬季啟動特性試驗研究[J]·流體機械,2005, 33: 108-113·

[4]　GB50366-2005地源熱泵系統工程技術規范[M]·北京:中國建筑工業出版社, 2005·