地源热泵空调系统的应用研究
地源热泵空调系统的应用研究
随着当今传统能源的日趋枯竭及环境污染的加剧，在“节能减排”的国策指导下，地源热泵系统因其显著的节能、环保、高效益用等特点而愈加受到人们的重视。自上世纪90年代国内展开地源热泵技术研究以来，已经过了约二十年的发展历程。吸收了国外的应用研究成果，地源热泵技术在国内已取得了一定的研发进展。重庆大学自上世纪九十年代起，也在此领域开展了一系列的理论与实践研究，积累了大量设计、施工及运行的数据资料及实际工程经验。本文主要对近几年重庆大学科研组在地源热泵系统方面所做的研究进行综述。
1地源热泵泵冬夏暖冷联供试验研究
早在1990年前后，随着国外的地源热泵系统应用研究成果在国内逐渐普及，原重庆建筑大学（现重庆大学B区）的冯雅就对利用浅地层蓄能的横埋管道冷却或加热空气以改善室内热环境进行了研究[1]。到上世纪90年代末，重庆大学刘宪英教授带领课题组成员，在自行建设的10kW浅埋竖直套管式地下换热器地热源热泵系统上，进行了为期四年的冬季、夏季连续间歇运行、变水量运行以及浅埋水平埋管的换热研究，以及过渡季大地温度场测试，得到了大量实测数据[2] ~[4][11]~ [13]。重庆大学的胡鸣明、丁勇等采用能量平衡结合热传导方程，并辅以管群修正系数，建立了浅埋竖管地热源热泵系统的传热模型，并按径向和管长方向建立了二维传热方程用于计算过渡季大地温度场的恢复情况，并将数学模型计算值与实测值进行了比较 [5]。在2001~2003年，重庆大学孙纯武、丁勇、胡彦辉等人新搭建了制冷量为7Kw的U形管地下换热器地源热泵系统，围绕50m垂直深埋U型管地源热泵冬季运行开展了研究，进行了为期一个月的原始地温测试和长达三个月的供热运行测试[10]。
在理论研究的同时，课题组记录了冬、夏季定水量的运行效果和变水量运行时各性能指标的变化。通过地源热泵系统冬夏冷暖联供测试，针对具体工程初步获得了如下结论：
1）、冬季运行测试结果表明，在保持室温 17～22 ℃情况下，土壤源热泵系统供热性能系数 COP = 3.06，单位埋管深度换热量qL =77.93W/ m。夏季连续运行，保持室温21～27 ℃情况下，其系统制冷能效比 EER = 3. 46，单位埋管深度换热量qL =90.6W/ m。
2）、埋管单位深度的换热量qL，是衡量地源热泵系统的重要技术和经济指标。系统水流量是影响qL大小的重要因素，通过变水量测试，得到了该系统每组套管式换热器管流量 600L/ h 左右时为最佳流量，在此流量下，热泵系统性能系数及qL值为最大。
3）、采用能量平衡结合热传导方程，并辅以管群修正系数，建立了浅埋竖管地源热泵系统传热模型。经与实测值比较，计算值比实测值偏低10 %左右。若适当加以修正，对地源热泵系统的设计及运行具有重要的参考价值。
2.地源热泵系统地下换热器设计的研究
随着地源热泵技术的不断成熟与应用的逐渐广泛，对地源热泵技术的研究向着更深层次的方向发展。在2001~2003年，课题组根据当时的工程应用需要，重新搭建了U形管深埋为50m、制冷量为7kW的地源热泵性能实验平台。由此开展了整个冬季的供热工况测试及换热分析、多流量变工况测试及确定换热效果较优的埋管水流量、建立三维瞬态传热模型对深埋U形管的地下换热情况进行数值模拟、并编制了埋地U形管换热的通用性计算程序等。通过试验研究，得到了如下结论[10]：
1）、地下埋管的换热量与系统供热性能系数随系统累计运行时间的增加而递减，并逐渐趋于稳定。在供热工况下，埋管周围土壤的冷积聚程度与系统累计运行时间有关，运行时间越长，冷积聚程度越严重，埋地U型管进、回水管间的热短路现象也越明显。热短路导致的热损失占埋管换热量的份额，从开始的2.0%增长到最后的7.1%。
2）、通过建立三维瞬态传热模型对实验涉及的四种不同工况进行了模拟，将计算结果与实验测试结果进行比较，发现二者吻合较好，最大相对误差在9.1%以内；最小相对误差在4.1%以内。
经过课题组多年来的潜心研究和技术总结，课题组就地下埋管换热器在地源热泵系统设计中的关键问题进行了详细讨论，这些问题包括岩土热物性参数的确定、垂直竖井的回填材料、岩土冻结对埋管换热器的影响、埋管形式及埋管深度的选择、地下埋管系统环路方式、埋管材料、埋管间距、埋管内工作流体的确定、季节性地下岩土热平衡等十大问题，在文献[6]~[9]中就上述问题在地源热泵系统设计中的重要作用进行了分析，为系统设计提供了参考。
3地源热泵地埋管换热量测试仪的研发
地源热泵空调系统主要由地下换热器、热泵机组和空调末端三部分组成，其中地下换热器设计与施工是整个地源热泵空调系统成败的关键，而地下换热器的设计依据主要是地下换热量的确定。目前关于地下换热器的换热量的确定方法主要有两种：软件计算法和现场测试法。软件计算法是根据土壤及回填料热物性参数，采用专用软件进行计算，国外的计算软件有瑞典隆德Lund大学开发的EED程序，美国威斯康星Wisconsin-Madison大学Solar Energy实验室开发的TRNSYS程序、美国俄克拉荷马州Oklahoma大学开发的GLHEPRO程序等。国内的计算软件有山东建筑大学开发的G-Stars计算程序、重庆大学研发的GSHP和JSW计算程序等。软件计算法主要基于土壤的热物性参数，而土壤的热物性存在很大的不确定性，土壤是一个多孔介质，土壤中的含水率会随着热量的传递而发生变化，而土壤的导热系数和比热容都会随含水率的变化而发生改变，然而目前用函数关系来描述土壤导热系数、比热容与土壤含水率之间的变化规律还具有一定难度，这给土壤热物性参数的测定带来了一定困难，从而影响到了软件的计算结果。
相比于软件计算法，现场测试法更为科学，准确。现场测试法是模拟地源热泵实际运行工况，对实验孔进行放热或吸热实验，通过分析测试得到的数据，得出测试孔的换热量。通过此思路，重庆大学的刘宪英、李百战、丁勇等人自主研发了地源热泵地埋管换热量测试仪。通过地源热泵地埋管换热量测试仪可以进行夏季工况和冬季工况换热量的测试，能够较精确地测得在不同工况下钻孔的单位长度换热量，找出最优的工况，计算出钻孔的数量和深度。此种方法不仅简单易行，精度高，而且能够考虑到地下水的径流对换热的影响，测试结果对实际工程的应用具有较强的指导性。
4实际工程的测试研究
课题组先后对重庆大学城环学院实验楼地源热泵实验室、重庆市解放军后勤工程学院外训楼等多个实际工程进行了单U形管和双U形管的多工况换热量测试。通过两工程的测试数据对比，发现如下值得讨论的问题：
1、单U形管和双U形管的换热能力对比
传统认为，双U形管地下换热器比单U形管地下换热器的换热能力较强。通过上述项目的实测数据分析得知，在流速同为0.58m/s时，单U形管的单位井深换热量为74.15w/m，双U形管的单位井深换热量为68.44w/m，双U形管的单位井深换热量反而比单U形管的单位井深换热量小约8.3%；在流速为0.8m/s时，双U形管单位井深换热量为62.20w/m，单U形管单位井深换热量为60.30w/m，双U形管稍高。
这一现象与常规的认识不太一致，分析认为：实验所采用的双U形管由于构造的原因使得换热各管间存在较明显的换热影响，从而造成换热不充分，当流速较低时，这一影响显得更加突出，而相比之下，单U形管由于管间的影响较少，因此可实现比双U形管较为充分的换热，故在流速较低时，单U形管比双U形管的换热效果好；当流速增大后，管间的传热影响所占的比例减少，而双U形管由于有较多的与土壤接触的换热面积，换热效果增强的比例增大，因此双U形管的换热量大于单U形管的换热量。
2、地埋管管径的大小对换热量的影响
根据《地下建筑暖通空调设计手册》中的岩石和土壤热物性能表可以查得岩石和土壤热物性参数，并通过分析得到其计算参数。分析两项目所在地的土壤热物性参数可知，两者导热系数相差0.23w/（m•℃），密度相差137 kg/m3，比热相差300 J/（kg•℃），总体说来两者热物性能相差不大，而通过实测得到的单位孔深换热量在相同流速下相差约为16w/m。
除土壤热工性能的差别外，影响测试结果的主要是埋管的管径。根据测试结果分析，由于管径加大，在加大与土壤热接触面积的同时，也产生了负面影响：管径增大同时也使得管间距减小，从而增加了管间热影响；管内流体在流速较低时，并不一定能实现与壁面的充分热交换。因此，应对地埋管的管径进行恰当得选择。
5 结束语
以上所讨论的是重庆大学地源热泵题组在近二十年中关于地源热泵空调系统的研究成果汇总，其中汇集了多位专家教授的科研结晶，在此基础之上，本课题组正在积极结合国家法规要求以及实际工程需求，进一步推广地源热泵工程实用技术的应用。
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