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季节条件对于地源热泵系统运行的影响点击：1691 日期：[ 2014-04-26 22:05:53 ] |
| 季节条件对于地源热泵系统运行的影响 刘湘云 陈颖 杨敏 (广东工业大学材料与能源学院,广东广州510006) 摘 要:随着常规能源的不断消耗,人类对可再生能源的需 求日渐增强。而地源热泵作为一种先进、高效、节能、环保的 技术,得到了众多研究者的关注。地源热泵可以利用建筑地 下温度恒定的特点从地下取热/冷,具有零污染的良好品质。 通过实验对比了夏季和冬季不同条件对于地源热泵运行系 统的影响,得到了如下结论:如果单纯从地下取热或取冷,在 地源热泵周围的地下温度在3个月后会发生显著的变化,而 使得系统不能够继续正常运行。只有在热泵系统采用交替 从地下取热和取冷的模式后,地下土壤才能保持其作为热源 的能力。 关键词:气候条件;地源热泵;土壤温度;模式 中图分类号:TK521 文献标识码:A 引 言 由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保 持恒定的温度,远高于冬季的室外温度,又低于夏季 的室外温度。地源热泵就是利用地温恒定这一特 点,在冬季把地能中的热量“取”出来,提高温度后, 供给室内的热用户;在夏季,把室内的热量取出来, 释放到地层中。地源热泵系统的基本结构可分为地 上和地下两个部分。地上部分主要是热泵机组、补 水箱和水泵。地下部分主要是与大地耦合的埋地换 热器,通过这个换热器从大地中取热和放热[1]。这 就决定了埋地换热器的换热能力与当地的土壤、气 候的类型有很大关系。LundJW详细研究了地源热 泵技术[2],结果表明,地源热泵的初期成本较空气源 热泵的成本高约30%~50%。一旦埋管安装完毕, 年运行成本大大低于其它形式的热泵系统(如空气 源热泵系统)。在地源热泵应用系统中,由于从地下 提取热能是利用埋地换热器(GHE)完成的,GHE和 邻近土壤之间的传热主要是通过热传导,并在一定程度上依靠水分迁移[3]。因此,传热过程严重依赖 于土壤类型、温度和土壤含水率。研究表明,在制冷 模式下垂直闭环系统能更好地运行[4]。垂直埋地换 热器通常是在垂直的钻孔中插入一个或两个高密度 聚乙烯U型管充当接地环路。OlympiaZogou研究还 表明[5],尽管地源热泵具有很多优点,但是地源也不 是可以无限制的利用,气候条件的变化对与系统运 行有很大的影响。本文研究了制冷和供热两种模式 下,气候变化对于地源热泵系统运行的影响。 1 实验装置 本实验装置的原理如图1所示。实验装置建立 在广东工业大学实验室内。该实验系统主要由两个独立的回路组成:(1)水回路;(2)制冷剂回路。水回 路中的水箱可以保证足够的水供应。制冷剂回路是 由封闭的铜管组成,热泵中制冷剂为R22。实验中, 热电偶的输出温度传送到给一个数据记录器,并记 录在计算机内。为了得到埋地换热器的进出口水温 以及冷凝器、蒸发器进出口制冷剂的温度,在管道内 部每一个需要测试的位置都安装了热电偶。转子流 量计用来测量每一个埋地换热器的流量,制热循环 到制冷循环的转化通过热泵机组的一个四通阀实 现。图中集中井的设置既可以平衡3个埋地换热器 的压力,同时可以减少铺设管路。实验装置可以实 现在夏季制冷,冬季供热。 埋地换热器采用并联方式工作。埋地换热器周 围热电偶布置情况如图2所示。埋地换热器总深度 为30m,换热器之间的间距是5m。埋地换热器周 围垂直分布6组热电偶以采集土壤温度。热电偶之 间的距离从下到上依次为10、8、6、3和3m,如图2 所示。埋地换热器采用了3种形式,如图3所示。 2 结果分析 为了确定系统的整体性能,本地源热泵系统在 稳态条件下进行实验。对于运行中由实验得到的每 个埋管周围的温度(土壤温度)的变化情况,事实上 反映了以下两部分的温度:首先也是主要方面反映 了钻孔中的线源(U型管换热器)自身的运作造成温度的升高/降低,另外是反映了由土壤的湿度(季节 变化引起)变化而引起的土壤温度变化情况。 在图4(a)和(b)为在地下20m的深度条件下, 地源热泵运行在夏季(单纯取冷)时,不同埋地换热 器周围平均每天的地下温度以及不同埋地换热器换 热量分布情况。温度初始点是在热泵启动运行40h 后开始采集。从图4(a)看出,在夏季实验开始时的 地下温度约为28℃,随着实验的进行,地下温度很快上升。在运行20天到40天期间,温度上升很快, 在运行40天后直到结束实验的第90天的时间段, 随着热平衡的建立,温度变换趋于平稳。对于不同 的埋地换热器,地下温度最终基本停留在一个稳定 的值,平均温度超过了37℃。另外从图(b)看出,在 最初运行的40天里,双U的换热能力大于单U的 换热能力,40天后传热开始恶化,双U和单U的换 热能力相当,套管的换热能力最差。在这里需要说 明的是,实验过程中,当夏季地下温度上升到37℃, 也就是运行40天后,热泵机组开始出现停机现象, 说明地下温度已达到了传热极限,不适合热泵机组 继续运行。 受不同季节空气温度、湿度的影响,地下温度也 会发生变化。图5(a)和(b)分别显示出在冬季(单 纯取热),不同埋地换热器周围平均每天的地下温度(20m下)以及不同埋地换热器换热量分布情况。 此时的实验为夏季土壤温度恶化后,系统停止运行 两个月后,受季节变化的影响,土壤温度有所变化, 最初运行时土壤温度为22℃,在运行20天后,土壤 温度降低到17℃左右。从图(b)看出,单U管和双 U管从地下提取热量时,换热能力从初始运行的60 W/m降到不足45W/m。套管的传热能力从45W/m 降到不足25W/m。在运行30天后,热泵机组又出 现停运情况。 经过4个月春季的系统停运后,到了第二年的 夏天,重新进行该实验,发现地下温度已经恢复到热 泵可以重新运作的水平。图6(a)为第二年取冷条 件下,3种不同型式的埋地换热器周围地下温度(20 m下)分布示意图,地下层的初始温度为25℃。可 以看到,相同的运行时间,土壤温度与图5(a)的温 度分布相比,随着运行时间的延长,土壤温度升高幅度较小。图6(b)为第二年取冷条件下,3种不同型 式埋地换热器换热能力示意图,相同的运行时间,3 个埋地换热器的换热能力与图5(b)的传热能力相 比要高20%左右。该实验结果表明,埋地换热器和 土壤的换热特性在经过前一年的夏季和冬季分别运 行后,换热能力得到了提高。结果表明,从地下取冷 和从地下取热的过程应该相对平衡,才能使系统正 常运行。 3 结 论 对地源热泵系统进行了一系列实验,研究了不 同季节条件对地源热泵系统的影响。结果表明,气候条件显著影响着地源热泵系统的工作性能。如果 单纯从地下取热,两个月后,埋地换热器附近的地下 温度将减少到不足20℃。如果单纯从地下取冷,3 个月后,地下温度将超过37℃,地源传热恶化,不再 适合进行空气调节。为了保护好地源,使其成为可 持续利用的土壤源,从地下取冷和从地下取热应该 相对平衡。 参考文献: [1] 李新国,薛玉伟,赵 军.不同方式地下埋管换热器的实验研究 [J].制冷学报,2004,25(2):39-42· [2] LUNDJW,FREESTONDH.World-widedirectusesofgeothermalen- ergy2000[J].Geothermics,2001,30(3):29-68· [3] ARIFHEPBASLIA,OZAYAKDEMIRA,EBRUHANCIOGLU,et al·Experimentalstudyofaclosedloopverticalgroundsourceheat pumpsystem[J]·EnergyConversionandManagement,2003,44(2): 527-548· [4] ONDEROZGENERA,ARIFHEPBASLI·Effectofsoiltypeandmois- turecontentongroundheatpumpperformance[J]·IntJRefrig,1998, 21(8):595-606· [5] OLYMPIAZOGOU,ANASTASSIONSSTAMATELOS·Effectofclimatic conditionsonthedesignoptimizationofheatpumpsystemsforspace heatingandcooling[J]·EnengyConvers,1998,39(7):609-622· (编辑 何静芳) |
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