土壤源热泵系统的运行参数实验及分析
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摘要： 本文应用本课题组设计的土壤源热泵实验系统，首先进行了以考察地埋管制冷制热能力为目的的运行实验，然后用DEST程序进行了实验系统的动态负荷模拟，并采用GLHEPRO程序对该系统的运行参数模拟，进行对照和分析；由于土壤源热泵系统与常规空调系统的差别，主要在水源侧的地埋管系统，水源侧进出口平均温度反映了其制热制冷能力，而进出口平均温度，又是其数量级的主要标志；由于本系统需要长期的运行实验；本文目前公布了部分平均水温运行数据。以进行初步的讨论和分析。引 言 尽管土壤源热泵系统在国外已有三十多年的历史，技术相对比较成熟，但是国外的研究成果由于地理条件、地质条件，技术条件、经济条件，及使用习惯等因素的差异，很少能完全直接为国内所用。针对这一情况，北工大地热供暖示范工程课题组在对深层地热水进行研究和建设示范工程的同时，又于2000年底开始，在实验室设计了若干垂直埋管和水平埋管的土壤源热泵实验系统。并于2001--2002年之间施工，开始实验。同时还进行了多项的配套工程的中试实验研究。本项目得到市科委"低温地热能利用技术研究"和市可持续发展科技促进中心的"地源热泵技术和工程模式研究"的立项支持。1、本校土壤源热泵实验系统介绍1.1 实验系统 分三个系统。本文所分析的为其中一个系统，即系统一。流程见图1和图2。该系统热泵水源侧的塑料地埋管内径26mm，由4个单U型垂直地埋管吸/散热，钻孔孔深75米左右，孔距6米，在每两个孔中间3米处有一个等深的检测孔，每个检测孔中埋设上中下三个土壤温度传感器，分布在不同地层，以测试土壤温度场；在系统环路中安装了多组水管温度传感器，用以对土壤源热泵系统的运行参数进行持续的研究。 为比较回填材料对于温度场的影响，四个单管钻孔中分别填充四种回填料。为比较负荷变化对水源侧水温影响，目前冬夏均开至最大负荷，用TRANE 公司的WPVE051-3.5冷吨的水-风型 水源热泵，送至北工大制冷实验室阳光大棚供暖制冷。
图1 实验系统一U形地埋管及地下传感器布置图
图2 实验系统一机房内流程及水管传感器图 图2中： A,B,C,D----- U形地埋管
T11--A,B,C,D--U形地埋管入口水温（℃）
T12--A,B, C,D-U形地埋管出口水温（℃）
T13-- U形地埋管总出口水温（℃）2、实验仪器及测量误差2.1 温度传感器：阻抗型脉冲信号温度传感器；相对误差:±0.2 %；2.2 棒式精密温度计：即标准玻璃管水银温度计，精度±0.1；2.3 压差变送器:扩散硅型，相对误差:±0.5 %；2.4 插入式切向涡轮流量传感器：适用于流速为0.1～6m/s，据标定数据，在实际流速下得到实际的输出信号，将所得的仪表系数输入计算机，得到相对误差值±1% ；2.5 旋翼式湿式水表。DN25, 测试误差 ±2% ；2.6 远传式三相四线有功电度表；3、误差分析 由于涉及的量比较多，此处仅选与本文有关的量；3.1 基本量误差:3.1.1 温度T（℃），温差ΔT (ºC)，及平均温度Tave(ºC): 温度误差值≤±0.2℃; 经国家标准鉴定机构标定合格，测量范围 0-40℃，其相对误差≤±1% ；温差ΔT误差值≤±0.4℃; 其相对误差≤±3 %；平均温度值误差≤±0.2℃ ；其相对误差≤±1 ；3.1.2 水流量L（m3/hr）：旋翼式湿式水表，精度≤±2 ％；3.1.3 电量E(Kwh) 及电功率N（Kw）：采用三相四线有功电度表，精度≤±2 ％。3.2 测量误差： 依据误差分析理论计算结果，基于上述基本量的测量误差，见表一：表 一 直接测试参数和计算参数的不确定度基本参数计算参数水温水温差平均水温水流量输入电功率制热量热力循环特性系数总效率TΔTTaveWNQCOPη(℃)(℃)(℃)(m3/hr)(KW)(KW)11±1%±2 %±2 %±2%±2%±3.8%±3.8%±3.8%4、实验结果4.1 夏季和冬季热泵水源侧入出口平均温度SWTave（℃）的变化：依图2 ,T11A,B整理。
图3 使用U形垂直地埋管时夏冬及水源侧入出口平均温度SWTave（℃）的变化4.2 运行室温效果： 冬季室温维持 22—24℃，夏季室温维持 24-26℃；日夜均维持最大负荷，以考察地埋管的制冷及制热能力；4.3 地埋管进出口水温差变化： 在日夜不停的运行下，本系统水源侧进出口水温差：冬季≤2.3℃，夏季≤5.0℃;平均水源侧水温夏季最高32℃，冬季最低则为7.8℃。
图4 热泵水源侧进水温度---制热量 图5 热泵水源侧进水温度 -- EER4.4 系统制热量： 根据所选用的TRANE公司 WP051机组，其数据图4，5：5、数据分析及结论5.1 逐时负荷计算的正确与否至关重要： 根据原设计，并在后来用DEST计算逐时负荷，其全年负荷夏季峰值负荷14.18 Kw, 冬季峰值负荷7.66 kw; 夏季最大月（7月）总制冷量4332 KWh，冬季最大月(1月)总制热量3881Kwh; 本实验冬季及夏季均超过了设计要求的负荷；在这种条件下得出的后面的水源侧平均水温，以及相关的制热量，制冷量数据，应该能反应出运行阶段的真实数据。5.2 水源侧平均供回水温度是标志性参数，选择一个性能好的热泵也极为重要。 在冬季平均水源侧水温最低为7.8℃的条件下，制热量由图4可查出冬季制热量为：10Kw; 足以满足甚至更恶劣条件的要求；夏季最高32℃下的制冷量11Kw。
图6 水源侧流体平均温度随运行工况的变化5.3 模拟预计未来的重要性： 根据GLHEPRO 程序分析，在采暖季维持最大峰值负荷时的冬夏季50 年的数据，如图6所示： 图6左图中显示冬季按峰值负荷在运行，右图显示冬季最低平均水温达7℃左右。但是由于夏季没有按照峰值负荷运算（见上左图），图6（见上右图）中只显示了最高水温27℃左右。同时，准确的预计要有准确的现场地质资料；限于本文篇幅，有关本问题，见本课题相关文章。参考文献 1 清华大学江 忆，燕 达，等 ，DEST 软件；2003年
2 美国地源热泵协会，GLHEPRO 软件；3.03版
3 Bose, J.E., Smith.J.D. Spitler, J.D, 2002. Advances in GSHP systems — An International Overview, Proceedings of the seventh International Energy Agency Heat Pump Conference,1:313—324,Beijing,May 19-22,2002.