土壤源热泵垂直地埋管换热器换热性能的实验研究
刘 越
（铁道第三勘察设计院集团有限公司 天津 300142）
摘 要：为研究土壤源热泵垂直地埋管换热器的换热特性，对长沙地区一套土壤源热泵系统进行夏季及冬季工况连续运行的实验，实时采集U型管的进出口水温、流量以及地温等数据。通过对所采集的实验数据进行处理分析，对比了不同工况、不同埋管形式、不同埋深条件下的地埋管换热器进出口温差及单位井深换热量，结果表明，无论是夏季工况还是冬季工况，双U型管的单位孔深换热量比单U型管高25%～30%。
关键词：U型管换热器；进出口水温；换热能力
引言
土壤源热泵系统即地下耦合地源热泵系统，是利用土壤作为热源或热汇，通过循环液(水或以水为主要成分的防冻液)在封闭的地下埋管中流动，实现系统与大地之间的传热[1] 。U型管地埋管换热器长期以来一直为地源热泵设计及施工的难点。近年来，国内外许多学者对U型管换热器的换热特性进行了大量的实验研究。Arif Hepbasli通过对单U地埋管的运行特性实验，测量了冬季运行期间地埋管的进出口水温，计算了机组的性能系数COP，并提出了对于特定的制热量存在一个最佳循环水流量的结论[2] ；Kyoungbin Lim对垂直地埋管换热器进行了热反应实验，测试了地埋管在钻孔内的换热表现，验证了地下水流动、环境温度、埋深对换热性能的影响[3] ；L Zhao通过实验分析了压缩机工作频率、冷却水流量与机组性能系数COP之间的关系，认为当冷却水流量小于0.114 kg/s时,可以通过减小压缩机功率的办法提高机组的性能系数COP，并指出了在特定频率下工作的压缩机，存在使机组性能系数COP达到最大的最优冷却水流速 [4] ；李新国等通过对不同类型的地埋管换热器进行测试的结果表明，同样埋管形式的桩基地埋管换热器单位长度换热量是钻孔地埋管换热器的1.5倍[5] 。
由于各地区气候地质差异较大，大部分研究还只是局限于某些特定地区，因此有必要在一些适合推广热泵技术的地区，特别是夏热冬冷，且冷热累积负荷相当的地区进行相关的实验研究，为地源热泵的设计、施工提供更多试验数据。本文根据对中南大学一套实验用地源热泵系统的冬、夏季运行工况的实测数据，重点对比了不同工况、不同埋管形式、不同埋深条件下地埋管换热器的换热性能，以期为长沙及周边地区的地源热泵的应用设计提供依据。
1 、实验系统
实验系统位于中南大学第二综合实验楼南，主要包括室外地下换热器部分、热泵机组和末端风机盘管。地下部分包括1号（单U）、2号（单U）、3号（双井）3个直径150 mm的钻孔，孔间距为7 m，孔深分别为77，43，43 m；地埋管换热器选用DN25的PE100管，传热介质为水；热泵机组选用一台额定制冷量为10.4 kW，额定制热量15.7 kW的冷热水型水源热泵机组；在1，2，3号钻孔的进出口、热泵机组总冷却水的进出口、总冷冻水的进出口和1号钻孔60 m埋深处盲管内共布置11个PT100温度传感器，将11组信号接入巡检仪，每分钟采集6个数据，使用LabVIEW软件编制的程序进行温度信号的采集记录。
2 、实验结果及处理方法
夏季工况实验从2009年5月22日开始，连续运行 53 h；冬季工况实验从2009年12月21日开始，连续运行48 h。在机组运行前，先对地温进行测试。试验期间采集各钻孔的循环水进出口水温、机组冷冻水进出口水温、冷却水温和地温；在机组运行达到基本稳定的阶段，记录若干次流量；机组运行稳定时，记录机组功率和水泵功率。
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