223 间歇运行工况下土壤源热泵实验研究

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1、间歇运行工况下土壤源热泵实验研究南京理工大学黄伙军，张少凡摘要：根据对南京地区土壤源热泵冬季运行性能的实测，对冬季制热工况间断运行特性与连续运行特性进行了实验研究。实测结果表明：对于本文的钻孔埋管结构，其单位井深换热量为40.63W/m～48.62W/m，钻孔平均传热系数范围为3.22W/m.℃～9.05W/m.℃；与连续运行工况相比，间断运行工况在改善机组运行效率的同时，可以提高钻孔内埋管的换热能力。关键字：土壤源热泵；实验研究0引言土壤源热泵空调系统(Groundsoilheatpump)利用地下土壤作为热泵的冷热源，通过室外埋地换热器中介质与土壤进行热量交换，从而实现由热泵对建筑物的供

2、冷和供暖。与传统空调系统相比具有环保、节能的特点。在欧美等发达国家已发展得比较成熟，且进人实用与商业化阶段，近些年来在我国也得到了迅速发展。国内一些单位对其进行了相关的实验研究[1-6]，并取得了一些成果，为其工程提供了有价值的参考依据。本文结合南京理工大学暖通空调实验室的土壤源热泵实验系统的冬季实测，重点对土壤源热泵冬季运行特性进行实验研究。以期为南京及江苏周边地区的土壤源热泵的应用设计提供依据。1土壤源热泵的构成及其工作原理土壤源热泵是热泵的一种，它是利用地下土壤作为热泵低位热源的热泵系统，其构成主要包括三套管路系统：室外管路系统、热泵工质循环系统及室内空调管路系统，与一般热泵系统相比，

3、其不同之处主要在于室外管路系统是由埋设于土壤中的聚乙烯塑料盘管构成，室外盘管换热器冬季作为热源从土壤中取热，相当于常规空调系统的锅炉；在夏季作为冷源向土壤中放热，相当于常规空调系统中的冷却塔，结构示意图如图1.1所示。其工作原理为：在制冷工况时，空调房间的冷负荷连同压缩机功耗所转化的热量被排入大地。室外埋管换热器1与换热器2(此时在热泵机组中起冷凝器的作用)之间通过管道连接成一个封闭的回路，在水泵7的作用下，水在回路中往复循环，在换热器2中吸收制冷剂的热量，通过室外埋管换热器1传入大地；在供热工况时，从压缩机5出来的制冷剂经换向阀8作用换向，此时换热器2转换成为热泵机组的蒸发器，循环水流经室

4、外埋管换热器1时吸收大地中的热量，在换热器2中释放给制冷剂。在室内侧，同样既可以通过水的循环进行热量传递，也可以使制冷剂直接流经房间换热器6与空气进行热交换。6图1.1土壤源热泵系统工作流程图2实验系统简介本文热泵装置位于南京理工大学动力工程学院803暖通空调教研室，室外地埋管换热器由4个钻孔组成，它们一字排开。钻孔之间的距离为6米，每个钻孔的直径为250mm，每个钻孔内埋有并联双U型管。并且埋管的管材是聚乙烯（HPDE）朔料，其导热系数为0.42W/m.k。每个U型管的外径为25mm，内径为20mm。U型管两个管之间的间距为85mm。钻孔井内的土壤物性参数由钻井埋管时取土壤的式样分析可知：

5、0～8m为轻质粘土，8～50m米为砂岩，没有发现地下水。回填土材料为水泥、膨润土和砂以1：2：3的比例混合。水管外露部分保温材料为铝箔玻璃纤维保温套管。土壤源热泵机组采用际高（合资）公司研制的HLRSW10机组，制冷量：10kW；制热量：12kW；输入功率：2.8kW（制冷），3.8kW（制热）。压缩机：采用美国Copeand公司生产的ZR47KC-TFD-522涡旋式压缩机；热力膨胀阀：采用丹佛斯公司生产的TDEZ26热力膨胀阀；板式换热器：采用Hrale公司生产的B3-27换热器；地下侧水环路水泵：扬程20m；水流量：2.1m3/h；用户侧水环路水泵：扬程7.5m；水流量：1.7m3/h

6、。室内末端由一台变风量空调机组和一台风机盘管组成，分别对两间不同送风形式的试验房间进行空气调节。本文主要利用该实验台进行土壤源热泵冬季运行工况的实验，测试系统包括温度、流量及功率的测量。3实验内容及数据处理3.1实验内容本次试验从2008年12月18日开始在试验台上对土壤源热泵冬季制热工况进行相关的测试。实验期间，室外埋管换热器的流量为定值1.77m3/h。表2.1是土壤源热泵机组具体的测试时间。6本文主要讨论土壤源热泵冬季制热间歇运行及连续运行工况的实验结果。对系统的测量主要采用热平衡法。热泵机组的制热量通过测量热泵机组室内侧换热器进出口水温和相应的流量得到。地下埋管的吸热量通过热泵机组室

7、外侧换热器进出口水温温差及流量得到。压缩机和室内外循环水泵的功耗通过功率表测得。通过热平衡分析，可定量地研究土壤源热泵在冬季制热工况下的运行特性。表3.1土壤源热泵机组具体的测试时间2008年12月18日～2008年12月24日白天运行8小时，晚上停机16小时2008年12月27日～2009年01月2日白天运行12小时，晚上停机12小时2009年01月3日～2009年01月11日每天连续运行24小时3.2实验