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地源热泵地下换热器性能测试的研究
郭彬1陈九法2
（1.山东农业大学水利土木工程学院泰安271018；2.东南大学能源与环境学院南京210096）
【摘要】地源热泵是一种环保节能的绿色空调技术，可再生能源利用技术，高效节能，环境效益明显，具有优越的环保功能，其发展前景十分广阔。主要研究地源热泵地下换热器性能测试，以及Labview高级语言编写的程序在地源热泵地下换热器性能测试中应用，即程序对模块信号的采集，对试验台远程的控制，测试系统的模拟和数据保存界面的生成等内容。
【关键词】地源热泵；地下换热器；数据采集；Labview
中图分类号TK39文献标识码A
文章编号：1671-6612（2012）02-141-06
0·引言
目前，建筑能耗随人们生活水平提高越来越高，而建筑能耗增加主要在于暖通空调能耗的增加，同时暖通空调使用所带来的环境污染也越来越严重[1]，面对这样严峻的问题，使得具有多重优越性的地源热泵利用倍受人们的重视，它是一种环保节能的绿色空调技术，供热制冷系统主要优点是节能效果明显，可以充分利用可再生自然能量资源，同时对环境无污染，具有优越的环保功能。
1·研究分析地源热泵地下换热器的现实意义
建筑能耗中以供热采暖和空调能耗为主要部分之一，因此建筑节能的重点应放在采暖和降温能耗上。地源热泵空调是一种使用可再生能源的高效节能、环保的工程系统，冬季向建筑物供热，夏季可以制冷，可广泛应用于各类建筑中。中国城市化的发展，将一方面迫切需要减少城市燃煤采暖造成的污染，另一方面对采暖降温空调提出更多要求，地源热泵技术就提供了这一问题的有效解决方案。
自20世纪90年代后期，地源热泵空调技术在我国的研究和应用有了发展，理论和试验研究活跃，工程应用逐年增加，尤其是中国政府和美国政府将地源热泵空调技术纳入两国能源效率和可再生能源合作项目，促进了这一技术国际合作和推广应用。在我国，大量的能源消费被用于暖通空调，据调查研究，约占总能耗的20%，因此，提高空调的性能系数能够节约大量的能源，利用热泵技术就是提高空调性能系数有效途径之一[2]。地源热泵空调技术是一种新型的节能、环保空调技术；该技术是利用地球表面浅层土壤及水源吸收的大量太阳能而形成的低品位热能资源，利用热泵原理，通过少量的高位电能输入、实现低位热能向高位热能高效转移的一种技术；冬季将地热能传递到建筑物内，夏季将建筑物内的热量传递到土壤或地下水中，实现比常规空调更高效的供热、制冷；利用地源热泵技术毫无疑问的可以解决目前我国面对的能源紧张、环境污染这些十分严峻的问题。
这项技术在国外已经有大量研究和应用，但我国研究和使用情况，没有工程应用的试验测量数据，也没有相关的地下换热器换热性能参数，工程的设计和施工上对换热器的布置距离和埋管的深度没有可靠参考资料，在给定的地面面积上如何确定地下换热器的安装密度，根据已定的建筑物空调负荷如何确定需要多少数量的地下换热器，各地区土壤物性不同对换热效果有何影响，在地下换热器安装过程中管路紧靠一起引起的这种热短路现象对换热效果会造成什么样的不良后果等等这些问题都有待于研究分析[3,4]。鉴于目前现状和以上问题，为了规范工程施工和指导地源热泵空调系统设计的合理性，对地下换热器性能和对换热器热半径测试具有十分重要意义。
2·地源热泵地下换热器性能测试原理
2.1试验台的组成地源热泵地下换热器性能测试试验台系统主要由三部分组成：地下换热器、现场试验机组以及通过RS485与其连接的工控机。本试验台具有温度调节、流量调节、数据采集等方面的功能。试验台设计主要从流量、恒热流控制为设计出发点，选择水泵、控制器等。
试验设备系统以工控机为核心，通过RS-485通信线与试验台连接，实现对试验台远程的控制和数据采集等，其中软件系统起十分重要的作用。工控机采用P-IIIPC机，数据采集接口采用美国NI的Measurement&Automation和严华ADAM-4000的模块；测试试验台由一台空气源热泵机组、前置加热器（两个，分别为4kW和2kW）、后置加热器（由可控硅控制，量程为0～12kW）、变频水泵、流量计、温度传感器、阀门、管路、一些电气设备等连接组成，设计测试温度区间为5-50℃；换热器管材一般选择PE管。试验台示意图如图1（此图为Labview程序生成界面）。
2.2试验台控制系统和数据采集系统[5]
数据采集的结果主要满足试验要求的需要，数据测点如试验台系统示意图1上所示，还有工程前期埋入土壤中的一些温度传感器。测量传感器主要有：温度传感器、流量传感器、压力传感器；热电阻作为温度传感器，流量传感器选用结构轻巧、反应灵敏、测量精度高的涡轮流量传感器；数据采集软件系统是采用Labview语言编写的程序，本软件能够对数据进行自动采集和存储，间隔一段时间采集一次数据，间隔规定时间自动存储一次数据，并且能够完成必要的控制操作和数据库储存工作。试验台数据采集系统先进性在于实时采集和自动保存数据，精确度高。
控制系统主要是上位机通过RS485连接线远程控制现场试验台，包括控制水泵的变频器的频率，前置加热器的开关，后置加热器的输入电压，热泵机组的电源开关和涡旋压缩机及变频压缩机的启停；为满足不同管径不同流速的测试要求，试验台配置是变频高压水泵，能够为DN25或DN32的换热器提供0.4～3m/s流速的稳定循环水流；试验最根本要求应用恒定流量加热或者取热，所以通过控制系统配备的PID程序，对循环水流进行恒热或者恒温方面的控制。试验台上主要安装三块美国NI的Measurement&Automation的模块，分别是AIO模块，DIO模块，RTD模块；AIO模块主要控制变频器的频率和可控硅加热器的输入电压，同时采集流量计和压力表的数据；DIO模块就是控制热泵机组开启开量，试验台前置加热器的开关量；RTD模块主要负责采集试验台上进出试验台管路上水温、热泵前后的水流温度、水泵进口水流温度以及试验台周围的环境温度。另外工控机还可以连接其他一些模块，例如温度采集模块，温湿度采集模块等等，能够满足诸多组数据采集之用。试验台控制系统和数据采集系统流程如图2所示。
2.3测试试验原理
试验分两个过程：模拟夏季空调制冷工况（换热器放热）和模拟冬季空调取暖工况（换热器取热）。换热器放热试验是通过现场试验机组中加热器加热热水在换热器中循环，向地下放出热量，模拟夏季空调工况冷凝器向外放热。换热器取热试验是通过现场试验机组中制冷机冷冻水在换热器中循环，从地下土壤吸热，模拟冬季空调工况冷凝器从外界取热。地下换热器通过水泵与试验机组连接，试验机组根据不同测试工况制热制冷，冷热水在地下换热器中循环，热水在地下换热器中放热，冷水在地下换热器中取热，来分别模拟夏季工况和冬季工况。
其数据处理方法[6-8]如下：
（1）井埋管的地下换热器总的换热量Q（kW）
Q=GCp ρ(t1-t2) （1）
式中，G为管中的水流量，m3/h；Cp为水的比热，kJ/(kg·℃)；ρ为水的密度，kg/m3；t1为管进口水温度，℃；t2为管出口水温度，℃。
（2）每米井深的单位换热量q（W/m）
式中，qo为置于地面上的水平连接管与外界的热量损失，W；l为井的深度，m。
（3）利用线热源模型在土壤物性等已知的条件下，根据进回水温差平均值和规范标准规定时间，计算出土壤的导热系数λ，反过来利用导热系数求取要求规定的进出口温度下的换热量，分析如下。
其中，n为常数，与土壤初始条件和物性有关。
这里通过已知进出口的温差，和测试时间t，求出k值，然后求出土壤导热系数：
3·试验结果
在试验的过程中，数据的扫描采集每10秒钟一次，6个小时保存一次文件，文件的形式以二进制的形式保存，所以试验结束需要数据处理，把保存的二进制文件通过编制的Labview程序读取出来，得出试验实时记录的数据，温度、流量、压力等数据，通过这样读取找出稳定工况的试验数据，在EXCEL中编写了简单程序，包括流速计算，总热量计算，水平管热损失计算，单位井深热量计算等等，只要输入测试所得到的稳定试验数据，就可以得出所需要计算的结果。
这里以华中某地区测试试验为例说明Labview程序记录试验结果，当时环境温度30℃，测试井两口：
1#井，单U，打井36m，埋管35m，水平连接管长度2×17m，回填材料黄沙；管径DN32×2.9，内径26.2。
2#井，W管，打井35m，埋管34.5m，水平连接管长度2×15m，回填材料黄沙；管径DN32×2.9，内径26.2。
图3是散热实验稳定后的数据采集窗口。对应于1#井和2#井，“1.2_in（℃）”是1#井进水温度，“6_in（℃）”是2#井进水温度，“1.2_out（℃）”是1#井回水温度，“6_in（℃）”是2#井回水温度，“WPump_in（℃）”是循环水泵的进口温度，“HP_out（℃）”是热泵的出水温度；“1fl（m3/h）”是1#井循环水流量，“6fl（m3/h）”是2#井循环水流量。
试验结果可以作为设计与施工可靠的数据，数据的采集与保存完全是计算机独立操作，具有极高的真实性。
4·结论
随着地源热泵技术进一步的推广，政府大力的扶持和提倡，关于节能减排政策的倾向，地源热泵技术在我国未来必将得到广阔的发展[9]。我国目前情况，地源热泵的设计、安装施工初级阶段，地源热泵地下换热器的换热量很大程度取决于当地地质条件，不同地质条件的导热性与蓄热能力差异性很大，工程上没有可靠工程应用的数据，也没有可靠的工程设计参数，工程的设计和施工都是建立在粗略估计的基础上的，存在着很大的冒险性和盲目性。有些工程从安全和可靠的角度采用特大的地下换热器，结果造成工程耗资庞大，资源浪费；有些工程地下换热器太小，热泵不能正常运行，能耗升高，空调品质恶化；所有这些问题都归结为地下换热器传热性能分析，根据国外的标准和先进经验，必须对地源热泵换热器性能进行现场测试，因此说，地源热泵换热器性能测试具有十分的重要意义。应用Labview编写程序，数据自动采集，连续运行，所进行的地下换热器性能测试，为地源热泵的设计提供了第一手的设计数据，可以正确的评定初投资，节约不必要浪费，必将为我国的地源热泵的发展起到了积极的推动作用，在节约能源，减少污染，环境保护等方面，为社会的进步和经济的发展发挥重要的作用。
参考文献：
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