土壤源热泵冬季工况试验装置介绍

土壤源热泵(g round source heat pump)以其良好的节能和环保特性, 近年来在欧美等国受到了极大的重视, 目前已经进入商业实用性阶段。截止到1998 年年底, 在美国投入实际运行的大型土壤源热泵装置系统就有1 000 多台(套)。1998 年美国供暖制冷空调工程师学会(ASHRAE)的优秀设计项目奖中就有一项授予了土壤源热泵工程。

 

  土壤源热泵在中国, 目前真正的实际工程应用仅有一例。它的应用推广受到了限制, 其中一个重要原因是土壤源热泵的初投资较常规的空气热泵系统(ASHP)要大;另外, 国内在这方面开展＊ 美国联合技术开发公司(UT RC)和高校骨干教师资助计划联合资助项目的研究工作尚属起步阶段, 设计研究人员及业主还缺乏有关土壤源热泵的性能和节能潜力的一些基础性数据, 因此开展土壤源热泵相关基础理论及实验研究极为必要。本文将结合在由美国联合技术开发公司(U TRC)等资助、在同济大学建成的大型土壤源热泵实验台上的初步测试结果, 对土壤源热泵冬季制热工况下的特性作初步分析, 并着重分析它的启动特性和节能特性。

 

  在U TRC 公司等的资助下, 同济大学的土壤源热泵实验台于1999 年5 月建成。实验装置的系统示意图见图1 。该热泵装置实验台的室外侧的图1  土壤源热泵实验装置系统示意图取热采用竖直埋设的6 组共约600 m 管径为20mm 的高密度聚乙烯塑料管, 埋设于直径为120mm 的钻孔中, 并采用土、砂混合物(混合比为1∶2)对埋管周围空隙进行回填。室内侧通过风机盘管散热(以上均指冬季工况, 夏季工况室内外侧互换)至被调房间。在室内外的管路上共设置6 个测温点, 采用Pt100 铂热电阻作为测温元件;流量测量采用了涡轮式流量计并利用频率变送器将流量信号转变为电信号;埋管壁附近的土壤温度变化及地下温度场的变化采用Cu50 铜电阻进行测量。压缩机、循环水泵、风机盘管等的电耗采用功率表测定, 仪表精度等级为0 .5 级。所有热电阻的读数均采用SI7601 型高精度的多功能数值万用表进行读数计量。测量系统中仪器、仪表及传感器、变送器等在实验进行之前进行了标定。经分析, 测量系统的测量误差分别为:测温系统2 .6 %, 流量系统为5 %。更详细的内容可参见文献。

 

  测试开始之前, 对埋管周围的土壤热物性进行了实测。上海地区的地下水位较高, 在钻孔的过程中地下1 ～ 1 .5 m 处即有地下水涌出, 土壤的含水率高。实测的土壤导热系数范围在1 .0 ～ 1 .6 W/(m·K)之间。从1999 年7 月开始在实验台上进行相关的测试。对土壤源热泵夏季工况的初步测定在1999 年8 ～ 9 月进行, 相关的实验结论可参见文献[ 4] 。考虑到土壤源热泵施工过程中对埋管周围的土壤的固有热物理特性的破坏, 土壤必须要有足够的时间得到热恢复。因此与夏季工况的测试相同, 本文主要进行了土壤源热泵冬季启动工况的测试(短时间工况)。对系统的测量主要采用了热平衡法。热泵机组的制热量通过测量热泵机组室内侧进出口水温和相应的流量得到。地下埋管的取热量通过热泵机组室外侧进出口水温温差及流量得到。压缩机和室内外循环水泵、风机盘管的电耗可通过功率电度表测得。通过热平衡分析, 可定量地研究土壤源热泵在冬季制热工况下的启动特性。

 

  同时, 通过比较热泵机组和压缩机的COP 值来研究系统的节能特性及改进措施。