地源熱泵地埋管換熱影響因素的實驗研究

王松松 劉光遠 楊衛波

0 引言

地源熱泵系統是隨著全球性的能源危機和環境問題的出現而逐漸興起的一門熱泵技術［1］。地源熱泵空調系統是利用土壤作為冷熱源，通過地埋管換熱器與土壤進行熱量交換，進而由熱泵對建筑物進行供冷和供暖，它實現的只是一種單純的能量“搬運”過程，并具有可再生、適用范圍廣、經濟環保等幾大優點［2］。而地源熱泵的地埋管換熱器是地源熱泵系統的關鍵部件，地埋管換熱能力的大小直接影響地源熱泵系統的能效［3-5］。

1 實驗臺簡介

模型實驗臺主要由地層模擬裝置，換熱器模擬裝置，換熱流體動力模擬裝置和數據采集裝置等幾部分組成。模型試驗臺的原理圖如圖1所示。

圖1 試驗臺系統連接示意圖

1)地層模擬裝置:采用 0.8 m ×0.8 m ×1.2 m 木質箱體，裝滿質量比為2∶1的土和砂混合物模擬實際的地層，同時為了減少熱損失，在箱體的頂部和底部用發泡橡膠保溫棉保溫。

2)換熱器模擬裝置:模擬換熱器的埋管采用導熱性能好的銅管，內徑為0.5cm，外徑0.7cm。埋管周圍填充實驗所需的回填材料。

3)換熱流體動力裝置:進水溫度由501A型超級恒溫器提供，操作方便，控溫精確;管內換熱介質流量由轉子流量計控制;循環動力由小型水泵提供。

4)數據采集裝置:采用Agilent 34970A數據采集儀，采集間隔為10 s，可以達到實驗采集所要求的速度和精度。銅—康銅(T型)熱電耦作為測溫元件，布置在U形換熱管和換熱器周圍土壤中。U形換熱管上布置的測點，主要測定埋管內水溫的變化。

2 實驗結果與分析

2.1 回填材料導熱性能對U形埋管換熱性能的影響

以夏季工況下埋管換熱器傳熱性能為研究對象，分別采用三種不同熱物性的回填材料:原土(λ1=0.4 W/(m·K))、添加鵝卵石的回填材料(λ2=0.73 W/(m·K))和添加鐵屑的回填材料(λ3=1.02 W/(m·K))，在同等條件下(相同的進水溫度30℃和流速36 L/h)，連續運行7 h后U形管管壁各個測點溫度如圖2所示。

圖2 U形管管壁各個測點溫度

1)從實驗結果反映的情況看，在同等運行條件下，選用導熱性能好的回填材料，可以提高U形埋管進回水的溫差，從而提高了地埋管的換熱能力。

2)當回填材料導熱系數由0.4增加到1.02時，地埋管進回水溫度則相應地由1.88℃增加到2.15℃;單位管長換熱量由59.8 W/m增至70.2 W/m。相應的變化趨勢如圖3所示。

圖3 回填材料導熱系數與單位管長換熱量的變化關系

3)由圖3還可以看出，回填材料導熱系數與單位管長換熱量并非呈現線性增長關系，回填材料導熱系數由0.73 W/(m·K)增至1.02 W/(m·K)所增加的換熱量比導熱系數由0.4 W/(m·K)增至0.73 W/(m·K)所增加的換熱量要小，增量減少了5%。因此，在地埋管換熱系統中并不是選擇導熱系數越大的回填材料，強化換熱效果就越好。

2.2 不同運行模式對U形埋管換熱性能的影響

在地源熱泵系統運行過程中，地埋管換熱器與周圍土壤進行熱交換的過程是非穩態的。隨著熱泵機組運行時間的增長，熱量持續不斷地被帶走或釋放，土壤溫度持續變化，連續運行時間越長，土壤溫度會發生很大變化，換熱器內循環流體的溫度也會相應變化，最后直接導致機組運行工況惡化。為了能夠優化機組運行工況，應給土壤一定的時間進行溫度恢復，即應考慮非連續運行模式。

圖4 連續運行工況下埋管單位長度換熱量

圖5 開停比為1: 1間歇運行工況下埋管單位長度換熱量

圖6 開停比為2: 1間歇運行工況下埋管單位長度換熱量

圖4～圖6給出了不同運行模式下單位管長換熱量隨時間的變化，從圖中可以看出，在連續運行工況下，單位管長換熱量是逐漸下降的，但下降的幅度逐漸減小。在間歇運行模式下，單位管長的換熱量總體趨勢也是下降的，但在每次間歇后，土壤的溫度得到一定程度的恢復，因此換熱量也有所提高。在7 h運行后，三種不同運行模式所對應的單位管長換熱量分別為50.62 W/m，54.51 W/m和60.11 W/m。兩種間歇運行模式下換熱量比連續運行模式下分別高7%和18.8%。這也說明了間歇時間越長，對土壤換熱能力的影響越小，結束時刻鉆孔壁面的平均溫度越小，而單位換熱量越大。

圖7 不同進口水溫對單位管長換熱量的影響

因此，合理的開停比能夠使土壤溫度得到較好的恢復，有利于地下換熱器的長期、有效運行，且能夠提高系統的換熱效率，達到節約運行費用的目的。

2.3 進口水溫對U形埋管換熱性能的影響

為研究進口水溫對U形埋管換熱器換熱性能的影響，將進口水溫分別設在22℃，30℃和35℃，對埋管換熱性能影響結果如圖7所示。由圖7可知，當入口流體溫度由22℃增加到35℃時，換熱量由56.6 W/m增加到66.4 W/m，增幅為17.4%，這說明:在相同進水流量條件下，單位管長換熱量隨進口水溫的升高而增大。這主要是由于進口水溫較高時，水與周圍土壤的可利用溫差較大，換熱得到加強所致。還應該看到的是，夏季工況下進口水溫較高時，雖然可以使換熱得到加強，減小換熱器的設計容量，但熱量在土壤中的擴散非常緩慢，如果地源熱泵長期連續運行，土壤溫度的升高將導致熱泵機組換熱條件變得惡劣，熱泵機組的COP會降低，因此需要在實際工程設計當中根據熱泵機組的出口水溫設計合適的地埋管系統。

3 結語

1)在相同條件的進水溫度情況下，進出口溫差隨著回填材料導熱系數的增大而增加，從而提高了地埋管的換熱能力。但回填材料導熱系數與單位管長換熱量并非呈現線性增長關系，回填材料導熱系數由0.73 W/(m·K)增至1.02 W/(m·K)所增加的換熱量比導熱系數由0.4 W/(m·K)增至0.73 W/(m·K)所增加的換熱量要小，增量減少了5%。因此，在地埋管換熱系統中并不是選擇導熱系數越大的回填材料，強化換熱效果就越好。

2)間歇運行能使土壤溫度得到一定程度的恢復，換熱量也有所提高。在7 h運行后，開停比為1∶1和開停比為2∶1間歇運行模式下換熱量比連續運行模式下分別高7%和18.8%。因此，合理的開停比能夠使土壤溫度得到較好的恢復，提高了地熱能的利用率，有利于地下換熱器的長期、有效運行。

3)夏季運行工況下，單位管長換熱量隨著進口水溫的升高而增大。這主要是由于進口水溫較高時，水與周圍土壤的可利用溫差較大，換熱得到加強所致。但埋管進口水溫較高，熱泵機組的效率越低，因此，應綜合考慮選擇適宜的水溫。

［1］ 徐 偉.可再生能源建筑應用技術指南［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［2］ 劉建柱.地源熱泵的應用與前景［J］.中國高新技術企業，2010(1):33-34.

［3］ 莊迎春，孫友宏，謝康和，等.直埋閉式地源熱泵回填土性能研究［J］.太陽能學報，2004，25(2):216-220.

［4］ Ingersoll L.R，Plass H.J.Theroy of the ground pipe heat source for the heat pump［J］.Heating，Piping and Air Conditioning，1948，20(7):119-122.

［5］ 趙 軍，戴傳山.地源熱泵技術與建筑節能應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［6］ 李 瓊.地源熱泵及其優越性［J］.山西建筑，2010，36(19):170-171.