地源热泵地埋管换热影响因素的实验研究

王松松 刘光远 杨卫波

0 引言

地源热泵系统是随着全球性的能源危机和环境问题的出现而逐渐兴起的一门热泵技术［1］。地源热泵空调系统是利用土壤作为冷热源，通过地埋管换热器与土壤进行热量交换，进而由热泵对建筑物进行供冷和供暖，它实现的只是一种单纯的能量“搬运”过程，并具有可再生、适用范围广、经济环保等几大优点［2］。而地源热泵的地埋管换热器是地源热泵系统的关键部件，地埋管换热能力的大小直接影响地源热泵系统的能效［3-5］。

1 实验台简介

模型实验台主要由地层模拟装置，换热器模拟装置，换热流体动力模拟装置和数据采集装置等几部分组成。模型试验台的原理图如图1所示。

图1 试验台系统连接示意图

1)地层模拟装置:采用 0.8 m ×0.8 m ×1.2 m 木质箱体，装满质量比为2∶1的土和砂混合物模拟实际的地层，同时为了减少热损失，在箱体的顶部和底部用发泡橡胶保温棉保温。

2)换热器模拟装置:模拟换热器的埋管采用导热性能好的铜管，内径为0.5cm，外径0.7cm。埋管周围填充实验所需的回填材料。

3)换热流体动力装置:进水温度由501A型超级恒温器提供，操作方便，控温精确;管内换热介质流量由转子流量计控制;循环动力由小型水泵提供。

4)数据采集装置:采用Agilent 34970A数据采集仪，采集间隔为10 s，可以达到实验采集所要求的速度和精度。铜—康铜(T型)热电耦作为测温元件，布置在U形换热管和换热器周围土壤中。U形换热管上布置的测点，主要测定埋管内水温的变化。

2 实验结果与分析

2.1 回填材料导热性能对U形埋管换热性能的影响

以夏季工况下埋管换热器传热性能为研究对象，分别采用三种不同热物性的回填材料:原土(λ1=0.4 W/(m·K))、添加鹅卵石的回填材料(λ2=0.73 W/(m·K))和添加铁屑的回填材料(λ3=1.02 W/(m·K))，在同等条件下(相同的进水温度30℃和流速36 L/h)，连续运行7 h后U形管管壁各个测点温度如图2所示。

图2 U形管管壁各个测点温度

1)从实验结果反映的情况看，在同等运行条件下，选用导热性能好的回填材料，可以提高U形埋管进回水的温差，从而提高了地埋管的换热能力。

2)当回填材料导热系数由0.4增加到1.02时，地埋管进回水温度则相应地由1.88℃增加到2.15℃;单位管长换热量由59.8 W/m增至70.2 W/m。相应的变化趋势如图3所示。

图3 回填材料导热系数与单位管长换热量的变化关系

3)由图3还可以看出，回填材料导热系数与单位管长换热量并非呈现线性增长关系，回填材料导热系数由0.73 W/(m·K)增至1.02 W/(m·K)所增加的换热量比导热系数由0.4 W/(m·K)增至0.73 W/(m·K)所增加的换热量要小，增量减少了5%。因此，在地埋管换热系统中并不是选择导热系数越大的回填材料，强化换热效果就越好。

2.2 不同运行模式对U形埋管换热性能的影响

在地源热泵系统运行过程中，地埋管换热器与周围土壤进行热交换的过程是非稳态的。随着热泵机组运行时间的增长，热量持续不断地被带走或释放，土壤温度持续变化，连续运行时间越长，土壤温度会发生很大变化，换热器内循环流体的温度也会相应变化，最后直接导致机组运行工况恶化。为了能够优化机组运行工况，应给土壤一定的时间进行温度恢复，即应考虑非连续运行模式。

图4 连续运行工况下埋管单位长度换热量

图5 开停比为1: 1间歇运行工况下埋管单位长度换热量

图6 开停比为2: 1间歇运行工况下埋管单位长度换热量

图4～图6给出了不同运行模式下单位管长换热量随时间的变化，从图中可以看出，在连续运行工况下，单位管长换热量是逐渐下降的，但下降的幅度逐渐减小。在间歇运行模式下，单位管长的换热量总体趋势也是下降的，但在每次间歇后，土壤的温度得到一定程度的恢复，因此换热量也有所提高。在7 h运行后，三种不同运行模式所对应的单位管长换热量分别为50.62 W/m，54.51 W/m和60.11 W/m。两种间歇运行模式下换热量比连续运行模式下分别高7%和18.8%。这也说明了间歇时间越长，对土壤换热能力的影响越小，结束时刻钻孔壁面的平均温度越小，而单位换热量越大。

图7 不同进口水温对单位管长换热量的影响

因此，合理的开停比能够使土壤温度得到较好的恢复，有利于地下换热器的长期、有效运行，且能够提高系统的换热效率，达到节约运行费用的目的。

2.3 进口水温对U形埋管换热性能的影响

为研究进口水温对U形埋管换热器换热性能的影响，将进口水温分别设在22℃，30℃和35℃，对埋管换热性能影响结果如图7所示。由图7可知，当入口流体温度由22℃增加到35℃时，换热量由56.6 W/m增加到66.4 W/m，增幅为17.4%，这说明:在相同进水流量条件下，单位管长换热量随进口水温的升高而增大。这主要是由于进口水温较高时，水与周围土壤的可利用温差较大，换热得到加强所致。还应该看到的是，夏季工况下进口水温较高时，虽然可以使换热得到加强，减小换热器的设计容量，但热量在土壤中的扩散非常缓慢，如果地源热泵长期连续运行，土壤温度的升高将导致热泵机组换热条件变得恶劣，热泵机组的COP会降低，因此需要在实际工程设计当中根据热泵机组的出口水温设计合适的地埋管系统。

3 结语

1)在相同条件的进水温度情况下，进出口温差随着回填材料导热系数的增大而增加，从而提高了地埋管的换热能力。但回填材料导热系数与单位管长换热量并非呈现线性增长关系，回填材料导热系数由0.73 W/(m·K)增至1.02 W/(m·K)所增加的换热量比导热系数由0.4 W/(m·K)增至0.73 W/(m·K)所增加的换热量要小，增量减少了5%。因此，在地埋管换热系统中并不是选择导热系数越大的回填材料，强化换热效果就越好。

2)间歇运行能使土壤温度得到一定程度的恢复，换热量也有所提高。在7 h运行后，开停比为1∶1和开停比为2∶1间歇运行模式下换热量比连续运行模式下分别高7%和18.8%。因此，合理的开停比能够使土壤温度得到较好的恢复，提高了地热能的利用率，有利于地下换热器的长期、有效运行。

3)夏季运行工况下，单位管长换热量随着进口水温的升高而增大。这主要是由于进口水温较高时，水与周围土壤的可利用温差较大，换热得到加强所致。但埋管进口水温较高，热泵机组的效率越低，因此，应综合考虑选择适宜的水温。

［1］ 徐 伟.可再生能源建筑应用技术指南［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［2］ 刘建柱.地源热泵的应用与前景［J］.中国高新技术企业，2010(1):33-34.

［3］ 庄迎春，孙友宏，谢康和，等.直埋闭式地源热泵回填土性能研究［J］.太阳能学报，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］ 赵 军，戴传山.地源热泵技术与建筑节能应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［6］ 李 琼.地源热泵及其优越性［J］.山西建筑，2010，36(19):170-171.