小型地源熱泵水冷多聯(lián)機實驗平臺監(jiān)測及分析

孫長亮李蕾*寇鵬張文科

1濟南蓓麟機電設備有限公司

2山東建筑大學熱能工程學院

3三星（中國）投資有限公司

0 引言

本文中的淺層地熱能建筑利用形式主要指地埋管地源熱泵系統(tǒng)。在我國的北方地區(qū)，冬季熱負荷較大，即冬天從土壤中提取的熱量遠大于夏天向土壤中排放的熱量，而太陽能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，要合理的利用地源熱泵和太陽能熱這兩項可再生能源技術，將其有機地結(jié)合到一起，取長補短，形成太陽能淺層地熱能復合能源系統(tǒng)[1-2]。

該系統(tǒng)通過封閉地下埋管中流動的循環(huán)液（純水或以水為主要成分并摻有少量防凍液）與地下巖土進行換熱，冬季利用熱泵系統(tǒng)提取淺層地熱能并將其提升為高品位能源后對建筑物供熱，同時儲存所得冷量供夏季使用，夏季熱泵機組將提取地下土壤中的冷量以承擔建筑物的冷負荷從而達到對建筑物降溫的目的，同時將所得熱量儲存于地下土壤中以備冬季供暖使用。根據(jù)能量守恒定律，地源熱泵系統(tǒng)將地下土壤作為蓄能器，從而保證空調(diào)采暖系統(tǒng)的高效可靠運行[3-4]]。

1 實驗室簡介

該實驗室位于山東省濟南市，其建筑總面積為1000 m2，建筑總高度為9 m，共兩層，一、二層均為科研辦公室。該機房設置在一層樓梯間。

夏季空調(diào)冷源采用中溫型地源熱泵機組一臺，機組采用內(nèi)部轉(zhuǎn)換。冬季空調(diào)熱源采用地源熱泵機組和15 m2的太陽能集熱器。空調(diào)末端采用風機盤管。

該實驗室主要由豎直地埋管換熱器、水平埋管換熱器、太陽能集熱器、熱泵機房與建筑空調(diào)末端等五部分組成。

各部分的主要組成及設計參數(shù)如下：

1）地埋管換熱器。根據(jù)建筑負荷特性及地下巖土熱物性，設計了12個鉆孔，每個鉆孔深度為120 m，孔徑為150 mm，孔間距為5 m×5 m。鉆孔內(nèi)放置管徑為25 mm的雙U型管。12個鉆孔分別接至機房分集水器。

2）3個并聯(lián)的水平埋管環(huán)路，每個環(huán)路管長約120 m，分別為水平U型管、水平螺旋管與水平豎直螺旋管。U型埋管是埋在土壤下面的一根長直聚乙烯塑料軟管，軟管直徑為32 mm，壁厚1.5 m，其地埋管掩埋深度為2.0 m；水平豎直螺旋管螺旋直徑為0.8 m，螺距為0.4 m，其掩埋深度，以螺線中心為標志，距地面為2.0 m；水平螺旋管螺旋直徑為0.8 m，螺旋環(huán)的間距為0.4 m，其掩埋深度，距地面為2.0 m。

3）地源熱泵機房：包括一個水-制冷劑熱泵機組、水泵、蓄熱水箱等輔助設備。

4）室內(nèi)的末端：風機盤管。

5）15m2的太陽能集熱器。

系統(tǒng)的流程圖見圖1：

圖1 實驗室機房流程圖

其主要設備的選型如表1所示：

表1 主要設備選型

為了能更全面地分析太陽能-地源熱泵復合系統(tǒng)應用的可行性、經(jīng)濟性以及如何合理利用太陽能來輔助供熱，該實驗室共設計了3種不同運行工況，分別為熱泵系統(tǒng)、太陽能蓄熱系統(tǒng)和太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)。

2 實驗平臺數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

對該示范工程，設計了一套自動檢測系統(tǒng)，主要用于測試系統(tǒng)的循環(huán)液流量、溫度、功率和壓力，所有的測試數(shù)據(jù)可通過傳輸線直接傳輸并保存到電腦內(nèi)，通過顯示屏顯示出來。自動檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個作用是為了檢測系統(tǒng)各個部件工作的狀態(tài)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可在短時間內(nèi)查明故障原因；另一個作用是根據(jù)測試的運行參數(shù)，分析系統(tǒng)的運行效率與性能，提出優(yōu)化設計方法與優(yōu)化的運行控制策略。

該實驗系統(tǒng)共設計了3種不同的運行工況，分別為：a）熱泵系統(tǒng)，即直接利用地源熱泵系統(tǒng)進行制冷，太陽能不參與其中，此種系統(tǒng)用于夏季制冷。b）太陽能蓄熱系統(tǒng)，即直接利用太陽能對用戶進行供熱，并對地下溫度場進行補熱，熱泵不參與其中，此系統(tǒng)一般在過渡季使用。c）太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)，即太陽能熱泵聯(lián)合供熱，此時太陽能和熱泵同時參與，此系統(tǒng)用于冬季供熱。

該自動檢測系統(tǒng)可測試及計算出的數(shù)據(jù)有：

1）地埋管側(cè)的流量、溫度。

2）在太陽能蓄熱工況下，根據(jù)測試的地埋管流量與溫度，計算太陽能向地埋管換熱器的蓄熱量，同時分析地溫場的恢復情況。

3）測試機組壓縮機功率、循環(huán)水泵功率、負荷側(cè)的流量與溫度，計算地源熱泵系統(tǒng)的運行效率與水-制冷劑熱泵機組的運行性能。

4）在太陽能供熱工況下，也可根據(jù)測試的負荷側(cè)的流量與溫度，計算太陽能供熱的保證率，并進一步分析太陽能直接供熱的可行性與經(jīng)濟性。

系統(tǒng)運行時，12個豎直埋管和3個并聯(lián)水平埋管一起運行，實驗測試設置共計55個監(jiān)測點，測試數(shù)據(jù)為相對應的溫度、流量、壓力和功率，其中測試孔溫度傳感器有11個，測試鉆孔回水溫度的傳感器有16個。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

該實驗系統(tǒng)自2013年冬季供熱開始記錄數(shù)據(jù)，系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)運行了3個采暖季與3個空調(diào)季，第一個采暖季是從2013年11月1日到2014年3月20日，第一個空調(diào)季是從2014年6月1日到2014年9月1日。建立的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測并記錄系統(tǒng)運行時的各項參數(shù)。下面列舉部分時段的部分運行數(shù)據(jù)。

3.1 冬季地源側(cè)供回水溫度及COP監(jiān)測

3.1.1 冬季地源側(cè)供回水溫度監(jiān)測

冬季采用太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)，即地源熱泵和太陽能聯(lián)合供熱。由圖2可以看出，地源側(cè)供水溫度最高14℃，地源側(cè)供水溫度最低6℃，平均供水溫度為10℃。由圖3可以看出，地源側(cè)的供回水溫差最大值為5℃，地源側(cè)的平均供回水溫差為2℃，地源側(cè)的供回水溫差一般在2℃上下波動，這是由于地源熱泵實驗室人員密度小，部分房間為實驗設備，流動較大，系統(tǒng)運行時僅有部分末端運行，熱泵機組也僅在部分負荷下運行，因此溫差較小。

圖2 地源側(cè)供回水溫度

圖3 地源側(cè)供回水溫差

3.1.2 冬季太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)COP監(jiān)測

從圖4可以看出，COP最低值為2.5，COP最高值為4.8，COP平均值為3.65。由此可見，該系統(tǒng)的制熱工況運行效率較高，這主要源于水冷多聯(lián)機末端省掉循環(huán)水泵的功耗。

圖4 太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)COP隨時間變化曲線圖

3.2 夏季地源側(cè)供回水溫度及COP監(jiān)測

圖5 地源側(cè)供回水溫度

3.2.1 夏季地源側(cè)供回水溫度監(jiān)測

夏季采用地源熱泵系統(tǒng)，即僅靠地源熱泵供冷。由圖5、6可以看出：地源側(cè)的供水溫度最高為24℃，地源側(cè)的供水溫度最低為16℃，平均供水溫度為19℃；地源側(cè)的供回水溫差最大值為4.5℃，地源側(cè)的平均供回水溫差為2℃，地源側(cè)的供回水溫差一般在2℃上下波動。

圖6 地源側(cè)供回水溫差

3.2.2夏季地源熱泵系統(tǒng)COP監(jiān)測

由圖7可知，在夏季運行期間，COP最低值為2.6，COP最高值為4.5，COP平均值為3.84，由此可見，該系統(tǒng)的夏季運行效率較高，與其他小型冷水機組或傳統(tǒng)水-水地源熱泵機組相比，該系統(tǒng)的綜合COP要高。

圖7 地源熱泵系統(tǒng)COP變化曲線圖

3.3 數(shù)據(jù)分析

通過對測試數(shù)據(jù)處理結(jié)果（表3）可知，該系統(tǒng)單位孔深最大放熱量為51.1 W/m，最大吸熱量為44.1W/m。冬季的系統(tǒng)平均COP為3.65，夏季系統(tǒng)平均 COP為3.84。

表3 實驗室數(shù)據(jù)分析

4 模型驗證

《地熱之星》是上述傳熱模型基礎上開發(fā)的地源熱泵專用設計軟件，在a工況（即夏季直接利用地源熱泵制冷工況）下，將地埋管換熱量作為負荷輸入軟件中，實測的流量同樣作為已知值輸入，對地埋管側(cè)的進出口水溫進行模擬分析，并與實測結(jié)果進行對比來驗證地埋管模型是否可行。此時，地面的溫度在整個過程中是穩(wěn)定的，在距離地面無窮遠處的溫度也是不變的且等于初始溫度。

圖8給出了計算模擬得到的地埋管的進出口水溫，并與實測結(jié)果進行對比分析。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的對比圖可知，在系統(tǒng)運行過程中，理論計算的入口水溫與實測結(jié)果的變化趨勢相同，且二者相差不大；從總體上來看，在系統(tǒng)初始運行的數(shù)小時內(nèi)熱泵機組負荷側(cè)的供水溫度模擬值比實測值要稍大一點，誤差不大于1℃，計算值與實測值相差較小。除開始階段外，地源側(cè)實測的供水溫度與模擬的供水溫度誤差小于0.5℃。這表明建立的地埋管傳熱模型是準確的，能夠滿足模擬分析所要求的精度，可以預測。如果對系統(tǒng)進行長期地模擬與分析，傳熱模型的精確度會更高。

圖8 模擬與實測地源側(cè)供水溫度對比圖

實測值與理論值有偏差的原因可能有以下幾個方面原因：一鉑電阻溫度傳感器與流量傳感器儀器本身的測試誤差；二是巖土的熱物性的測試有一定的誤差，或者是回填材料的導熱系數(shù)與實際值也有一定的誤差，這些不確定因素必然導致實測值與理論值不完全吻合[5]。

5 結(jié)論

本文對一小型地源熱泵熱泵水冷多聯(lián)機的實驗系統(tǒng)進行了介紹，通過建立的系統(tǒng)監(jiān)控平臺與數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，對系統(tǒng)運行參數(shù)進行了監(jiān)測，測試結(jié)果表明地源側(cè)供水溫度的理論計算值與實驗測試值變化趨勢一致，說明建立的地埋管傳熱模型是準確的。測試的夏季工況系統(tǒng)COP為3.84，冬季制熱工況系統(tǒng)COP為3.65，該數(shù)據(jù)要略高于傳統(tǒng)的小型水-水地源熱泵系統(tǒng)。利用課題組研發(fā)的地埋管換熱器專用設計軟件對該實驗工況進行模型對比，研究結(jié)果表明該傳熱模型可以用于指導工程設計與性能模擬分析，具有較高的精確度與可靠性。

與傳統(tǒng)的水-水熱泵機組相比，地源熱泵水冷多聯(lián)機省掉了末端循環(huán)水泵，減少了運行能耗，該系統(tǒng)不僅提高了系統(tǒng)的運行效率，也避免了水-水熱泵系統(tǒng)在冬季非運行工況室內(nèi)盤管凍裂的風險。但該系統(tǒng)的末端為制冷劑循環(huán)，因此舒適性要略差于水系統(tǒng)。