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重庆某地源热泵系统冬季供热能力实验研究点击：1770 日期：[ 2014-04-26 22:21:25 ] |
| 重庆某地源热泵系统冬季供热能力实验研究 王明国 付祥钊 （重庆大学城市建设与环境工程学院） 摘要：本文对地源热泵系统在间歇和连续两种运行工况下进行了对比实验研究。研究结果表明， 在间歇运行工况下， 供热性能系数 ＣＯＰ 平均值为 ４．４６８； 在连续运行工况下， 供热性能系数 ＣＯＰ 平均值为 ３．４８０。由此认为在重庆地区应用地源热泵系统冬季供热具有很高的节能价值。 关键词： 地源热泵 供热能力 间歇运行 连续运行 地源热泵是一种利用浅层和深层的大地能量， 包括土壤、地下水、地表水等天然能源作为冬季热源和夏季冷源， 然后再由热泵机组向建筑物供冷供热的系统， 是一种利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空调系统［１］。地源热泵技术是一项绿色、环保、节能型的建筑供能技术。 １ 实验装置及其测试仪器 １．１ 实验系统简介 本实验系统最初于 ２００４年３月建成， 位于重庆大学Ｂ区绿化科苗圃露天空地。地下岩土结构为： 回填土层（ ０ ｍ～３６ ｍ），砂岩层（３６ｍ～５０ ｍ） 。地下埋管管群包括１６根Ｕ型管换热器，其中１２根埋管（ 北面的１号至６号和南面的９号至 １４号）分２组并联连接， 各管间的切换可通过阀门控制。地下孔井的平面布置及孔深如图１所示。每个孔井内布置单根 Ｕ 型垂直埋管， 埋深总计 ５２７ ｍ， 埋管总计１０５４ ｍ。埋管采用内径 ２０ ｍｍ 的铝塑复合管 ＰＰＲ 管。回填材料为细河沙。该系统安装了一台水 － 空气热泵空调器。地源热泵系统原理图如图 ２ 所示。 １．２ 测试参数及仪器 该实验装置中主要参数为温度， 同时还要对流量、出口风速和压力进行测量。在 １２ 个孔井供回水管壁埋深 １ ｍ、 ３ ｍ、 ６ ｍ、 ９ ｍ、 １９ ｍ、２９ ｍ、３９ ｍ 和 ４９ ｍ处均布置有铜—康铜热电偶温度测点， 利用数据采集仪进行显示采集。对于进出地下埋管换热器的进出水温、环境温度、回风温度和出风温度， 采用热电偶和水银温度计同时测量。 采用 ＬＺＢ－５０ 型玻璃转子流量计， 测量范围 ０．４ｍ３／ｈ～４ ｍ３／ｈ， 基本误差±１．５ ％， 压力≤０．４ ＭＰａ。热泵机组的送风口风速采用热球风速仪测量， 测量范围 ０．０５ ｍ／ｓ～５ ｍ／ｓ， 基本误差±５ ％。分别在风口左、中、右测量 ３ 次， 取其平均值作为风口平均风速。 水泵进出水段均装有压力表，测量范围为０￣１ＭＰａ， 精度 １．５， 用以测试环路的工作压力和系统阻力。 ２ 传热模型的数据处理 地下岩土换热器的单孔供热能力可按下式计算： 式中： ｑ１（τ为换热器的单孔供热能力， Ｗ／ｍ； ｃ 为水的）质量比热， Ｊ／（ｋｇ·℃）； ｍ 为单孔水流量， ｋｇ／ｓ， ｍ＝ｌ·ρｌ 为 ；水的体积流量， ｍ３／ｓ； ρ为水的密度， ｋｇ／ｍ３； ｈ 为岩土换 热器的单孔深度， ｍ； ｔ１（τ为岩土换热器的单孔进水温）度， ℃； ｔ２（τ为岩土换热器单孔出水温度， ℃。） 地下岩土换热器的单孔换热系数为： 式中： Ｋ１（τ为换热器单孔换热系数， Ｗ／（ｍ·℃）； ｔ∞ 为未）受干扰处， 整个孔深范围内的平均地温， ℃。 地下岩土换热器的埋管热阻为： ３ 冬季供热运行结果分析 该地源热泵系统实验从 ２００５ 年 ３ 月上旬开始到２００５ 年 ４ 月上旬结束， 积累了大量的实验数据。 ３．１ 间歇运行工况 对 ３ 号孔井进行了间歇性实验，每天运行时间为８： ００～１２：００， １４：００～１８：００。主要的数据处理情况见图３￣６ 及分析说明。 该实验中， 供回水温差的平均值为 ３．０９２ ℃，在８： ００～１２： ００ 的时间段里， 平均温差为 １．７５５ ℃，在１４： ００～１８： ００ 时间段里平均温差为 ４．５７８ ℃。单孔的平均供热能力为 ０．０７３ ｋＷ／ｍ， 由图 ４ 可以看出变化趋势与温差值相似， 也是在两个时间段里随着时间呈现出递增的趋势。供热系数平均值为 ０．０３０ ｋＷ／（ｍ·℃），由图 ５ 可以看出供热系数随着时间呈现下降趋势在１４： ００～１８： ００ 时间段的下降趋势比较明显， 说明随着时间的延续， 土壤的换热能力逐渐降低， 换热性能趋向于稳定； 供热能效比 ＣＯＰ 的平均值为 ４．４６８。 ３．２ 连续运行工况 对 １４ 号孔井进行了为期 ２ 天 （ 从某天 １４： ００ 至第三天 １４： ００） 的连续运行工况， 现在将主要参数的变化处理为如图 ７￣ 图 １０ 所示。 由图 ７ 可以看出在连续运行的工况下， 在连续运行的 ２ 天时间里， 供回水的平均温差为 ０．９６３ ℃， 在图中反映出的是温差波动的趋势不大， 基本保持在 １ ℃的位置。该孔的换热能力平均为 ０．０３３ ｋＷ／ｍ， 由图 ８可以看出其波动幅度不大， 基本上趋向于稳定状态。而该孔的换热系数平均值为 ０．００７ ｋＷ／（ｍ·℃）， 其最大值为 ０．０４９ ｋＷ／（ｍ·℃）， 由图 ９ 可以看出在开始运行的开始 ２ 个小时里， 换热系数呈下降趋势， 在以后的时间里基本上保持平均状态， 波动幅度很小。供热能效比ＣＯＰ 的平均值为 ３．４８０。 ４ 总结 通过本文研究， 可得出以下结论： ① 当孔井在通水运行时， 单孔供热能力的变化与供回水温差的变化趋势是相似的： 在流量一定的情况下， 单孔的供热能力与供回水温差是呈正比关系的， 即供热能力随着温差的增大而增大， 随着温差的减小而减小。 ② 当孔井在通水运行时， 其单孔换热系数随着时间呈下降的趋势， 即刚开始运行时换热系数最高， 然后逐渐降低， 最后趋向于一种稳定的水平。而单管的埋管热阻的变化曲线与换热系数的变化曲线正好相反， 即表明换热系数与埋管热阻呈反比关系。 ③ 在间歇运行的情况下， 平均供热能力为 ０．０７３ｋＷ／ｍ， 平均换热系数为 ０．０３０ ｋＷ／（ｍ·℃）， ＣＯＰ 的平均值为 ４．４６８。在连续运行的情况下， 平均供热能力为０．０３３ ｋＷ／ｍ， 平均换热系数为 ０．００７ ｋＷ／（ｍ·℃）， ＣＯＰ的平均值为 ３．４８０。 ④ 该地源热泵系统在间歇运行情况下比连续运行情况下其性能系数 ＣＯＰ 提高了 ２８．４ ％， 在允许的情况下应该使系统分区工作以提高运行效率与节能效果。 参考文献 ［１］ 地源热泵系统工程技术规范［Ｓ］． 广东： 广东省建筑科学研究院， ２００６ |
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