地源热泵系统的热短路分析

    随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25%-30%。 我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量污染物，包括大量SO2、NOX等有害气体以及CO2等温室效应气体。大量燃烧矿物燃料所产生的环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点。我国的供热已经历了一家一户的小煤炉到燃煤锅炉的转变。现在又进一步禁止在城镇建设中小型燃煤 锅炉房，体现了政府对保护大气环境的高度重视。因此，除了集中供热的型式以外，急需发展其他的替代供热方式。热泵就是能有效节省能源、减少大气污染和CO2排放的供热和空调新技术。

    地源热泵是一种与大地进行能量交换的空调系统，它是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的；即把传统空调器的外侧换热器直接埋入地下，使其与大地进行热交换， 或通过中间介质作为热载体，并使中间介质在封闭环路中通过大地循环流动，从而实现与大地进行热交换的目的。地源热泵不需要人工的冷热源，可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热，向建筑物供暖；夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水 放热给建筑物制冷。同时,它还可供应生活用水，可谓一举三得，是一种有效地利用能源的方式。其性能系数受土壤、岩土、原始地温、日照强度、回填材料、埋管形式、循环流量、管间距、管材等因素的影响，而这些影响因素又会决定地源热泵埋管换热器系统“热短路”损失的大小。

    地源热泵U型埋管换热器的“热短路”现象是指由于地源热泵U型埋管的进回水管内流体之间存在温差，且相距较近，就导致了埋管不仅与周围的土壤进行热传导，而且两管间同时也发生着热传导，从而引起了两管间发生的直接及间接热交换所产生的热量(冷量)损失，使埋管出水温度在供热工况(制冷工况)下，低于(高 于)理想的出水温度。热短路现象会使地下换热器的换热量减小，降低系统的换热效率。热短路主要受管内流体温度、流量、流态、管径大小、回填材料、地温、管间距、土壤特性、运行时间等因素的影响[1]。

    本文针对河北工程大学埋深120m的地源热泵实验系统，进行邯郸地区冬季性能测试。本实验的研究目标是：

    (1)测试该系统在冬季工况下地源热泵系统的热短路损失；
    (2)得到地源热泵系统在不同工况下的换热量；
    (3)为今后地源热泵系统的运行控制提供实验依据。

    河北工程大学的U型埋管地源热泵系统地下埋管系统设有两眼埋管主井，钻孔直径为170mm，钻孔深度120m，埋管换热器以水为循环介质，采用高密度聚乙 烯塑料管(HDPE)U型埋管换热器，直径分别为25mm和32mm。两组地下埋管换热器在地面以上采用PPR管并联连接，与两台并联的DF40-80/2型管道离心循环水泵、热泵机组的冷凝器(夏季)或蒸发器(冬季)和高位水箱组成闭式循环，环路可通过阀门之间的切换，埋管换热器可独立运行，也可改为串联运行。两台循环水泵由FRENIC 5000G11S型变频调速器控制可以调节循环流量。系统设置的涡轮流量传感器和旋翼式流量计可分别测量系统循环流量，除此以外，系统还布置了若干温度和压力测点来观测系统的运行状况[2]。

    为测试地下温度场的变化规律，另设有4眼测温井，其中1、2、3号测温井钻孔直径为100mm，孔深为90m；4号测温井钻孔深度为120m。埋管井和测温井的平面布置见图1。

    (1)冬季地源热泵实验系统地下换热器进出水温测试；
    (2)冬季地源热泵实验系统地下埋管壁温的测试；
    (3)地源热泵实验系统进行三种变流量工况的测试、比较，以求热泵的热短路损失[2]；
    (4)地源热泵冬季运行期间的单位井深的换热量。

    本实验对地源热泵U型埋管系统分别进行4t/h、3.5t/h、3t/h变流量运行，每个流量分别运行五天，然后根据各流量下的热短路损失的大小，从中可以选定运行的最佳方案。

    地源热泵系统以流量4t/h运行时，平均井深换热量为51.60W/m；系统以流量3.5t/h运行时，平均井深换热量为50.65 W/m；系统以流量3t/h运行时，平均井深换热量为41.89 W/m。地下埋管单位井深换热量(W/m)，ql=Qk*1000/n(L*h)[3]（式中n-钻井数；L-埋管深度，本实验为120米；h-热泵压缩机日运行小时数，h。）。由于流 量的减少，流速的减小，使得地下埋管日换热量减小，导致了地下埋管单位井深换热量的减小。

    热短路的分析

    (1)换热器效能的概念

    本文使用换热器效能[4]来衡量热短路，换热器效能是指在同样的腿温下，U型埋管换热器的实际换热量与最大换热量之比。实际换热量是U型管两腿存在热短路现象时计算出的换热量；最大换热量是假设U型管两腿相距足够远，不存在相互间热短路影响而计算出的换热量。换热器效能与管壁到土壤的换热量有直接的关系。当增加时换热量也增加，当没有热短路发生时，等于1，也即通常小于1。

     (2)换热器效能的计算[5]
         
     (3)热短路分析

     表1 1#埋管井并联运行时的热短路分析

 
    由表1可以得到以下结论：

    ①地下U型埋管中的流量变化对热短路有影响；
    ②地下U型埋管中的换热量的大小对热短路有影响；
    ③本试验中的热短路损失比较大，主要由U型埋管的两支管距离较近造成的。

    从表1中也可以发现，热短路严重的影响了U型埋管的地下换热量，热短路的损失在28%～50%之间，这与U型埋管的两支管距离有一定的关系。

    为了减少热短路损失可以采取以下措施：

    ①在埋管直径一定的前提下，尽量使U型埋管的两支管靠近井壁处，使两管尽量分开；
    ②增加U型管内的流体流量、流速，减少温度差；
    ③通过改变钻孔中U型埋管间的回填材料来减少热短路损失。

    结论

    本文通过对三口测温井、两口埋管井进行单位井深换热量的计算比较，通过热短路分析，证实了热短路的存在，并提出了解决的方法。

    地源热泵作为一项新兴的节能环保技术正在被人们接受和使用。地源热泵是以大地中的低品位热源为能源的热泵系统，冬季通过热泵将大地中的低品位热能提升，对建筑供暖，同时将冷量储存在大地中，以备夏季制冷用。夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到大地中，对建筑供冷，同时将热量储存在大地中，以备冬季供暖用。

    地源热泵可充分发挥大地储能作用，并能减少热污染，是一种节能且对环境无害的绿色供暖空调技术，并符合我国可持续发展战略的要求。由于地源热泵本身的优越性，以及人们环保、节能意识的日益增强，地源热泵在我国必将有着广阔的发展前景。怎样能够更好的设计并使用地源热泵系统，尽量减少热损失是我们所面临的关 键问题。

    参考文献

    [1] ASHRAE编著，徐伟等译.地源热泵工程技术指南[M].中国建筑工业出版社，北京:2001.
    [2] 侯立泉. U型垂直埋管式土壤源热泵运行特性的实验研究[D].太原大学硕士学位论文，2003.
    [3] 程群英. 50米深埋U型管地源热泵夏季性能测试及圆柱源理论模型[D].重庆大学硕士学位论文，2004
    [4]V C.Mei.Performance of a Ground-Coupled Heat Pump with Multiple Dissimilar U-Tube Coils in Series[J].ASHRAE trans.92(A).30~42
    [5] Svec O.J., Potential of ground-coupled heat source system[J].International Journal of Energy Research.1987,4.571～581