梁幸福，楊衛(wèi)波，2*，吳 晅3

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇　揚(yáng)州225127；

2.熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安交通大學(xué)），西安710049；3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古　包頭014010）

某示范地源熱泵系統(tǒng)夏季運(yùn)行特性測試與分析

梁幸福1，楊衛(wèi)波1，2*，吳 晅3

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127；

2.熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安交通大學(xué)），西安710049；3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010）

為了探討系統(tǒng)變工況運(yùn)行與優(yōu)化匹配對地源熱泵系統(tǒng)性能及運(yùn)行效益的影響，對蘇中地區(qū)某辦公建筑進(jìn)行了相關(guān)測試.結(jié)果顯示：地埋管變流量運(yùn)行后系統(tǒng)節(jié)省運(yùn)行功耗20 k W，節(jié)能率為5.71%，表明變流量運(yùn)行可降低系統(tǒng)的輸送成本，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率；在間歇運(yùn)行時間比為4∶1的條件下，深度為35 m 和55 m處土壤最大溫度恢復(fù)率為44.4%，且系統(tǒng)比連續(xù)運(yùn)行時可節(jié)省電力消耗50 k W，節(jié)能率為15.87%；間歇運(yùn)行期間，土壤最大恢復(fù)溫度為1.8℃，表明間歇運(yùn)行有利于改善土壤的散熱條件，降低土壤溫度的增加幅度.此外，通過系統(tǒng)優(yōu)化匹配運(yùn)行，有利于機(jī)組選擇適宜地埋管分區(qū)和節(jié)省實(shí)際運(yùn)行費(fèi)用.

地源熱泵；變流量；間歇運(yùn)行；優(yōu)化匹配

地源熱泵系統(tǒng)由于具有運(yùn)行費(fèi)用低、無污染以及較高的運(yùn)行能效等優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的關(guān)注.在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，如何在滿足室內(nèi)溫、濕度要求的前提下提高系統(tǒng)性能系數(shù)（Cp，sys）、節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用也是一個重要的課題.國外這方面研究起步較早，在地源熱泵系統(tǒng)的研究、設(shè)計與施工方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［1-7］.國內(nèi)近年來對系統(tǒng)運(yùn)行特性進(jìn)行了較為深入的研究，楊衛(wèi)波［8］、尚妍［9］等人對地源熱泵系統(tǒng)在間歇運(yùn)行模式下機(jī)組及系統(tǒng)的運(yùn)行能效和土壤溫度變化進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)對照，辛岳芝等人［10］對某實(shí)際地源熱泵系統(tǒng)也進(jìn)行了間歇運(yùn)行測試的實(shí)驗(yàn)研究.但利用實(shí)際工程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試方面的研究大多局限于運(yùn)行時系統(tǒng)性能系數(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析，或者僅僅對間歇工況進(jìn)行分析，而探討工程其他變工況及系統(tǒng)優(yōu)化匹配相對較少.本文針對蘇中某示范工程地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行夏季變工況特性研究，分析系統(tǒng)在變工況運(yùn)行下的運(yùn)行規(guī)律，并對系統(tǒng)室內(nèi)末端與機(jī)組和埋管匹配運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行和節(jié)省運(yùn)行成本提供參考依據(jù).

1　測試工程概況

1.1示范工程簡介

本測試工程為蘇中地區(qū)某地源熱泵示范項(xiàng)目，其建筑類型主要為辦公建筑，建筑高度約為99.8 m.地源熱泵系統(tǒng)分為室內(nèi)末端、熱泵系統(tǒng)和地埋管換熱器系統(tǒng)3個部分，系統(tǒng)如圖1所示.圖中地埋管換熱器系統(tǒng)分為A，B，C 3個區(qū)，對應(yīng)埋管孔數(shù)為160，200，260個，每孔由直徑為25 mm、埋深為100 m的高密度聚乙烯雙U管并聯(lián)構(gòu)成.主機(jī)為臥式高效地源熱泵機(jī)組，額定功率146 k W；末端側(cè)水泵揚(yáng)程34 m，功率18.5 k W；地埋管側(cè)水泵揚(yáng)程28 m，功率18.5 k W.

圖1　地源熱泵系統(tǒng)原理圖Fig.1 The schematic diagram of ground source heat pump system

1.2測試內(nèi)容及方法

本測試進(jìn)行地源熱泵系統(tǒng)變工況運(yùn)行特性和系統(tǒng)優(yōu)化匹配研究，分為地埋管變流量運(yùn)行、間歇運(yùn)行以及地埋管區(qū)域與優(yōu)化匹配運(yùn)行3個方案.地埋管變流量運(yùn)行測試時，其流量從240 m3·h-1降低至180 m3·h-1，系統(tǒng)運(yùn)行時間約為9 h；間歇運(yùn)行時，機(jī)組開停機(jī)時間分別為2 h和0.5 h，運(yùn)行時間為10 h；優(yōu)化匹配分為機(jī)組與末端匹配運(yùn)行和機(jī)組與地埋管區(qū)域匹配運(yùn)行.當(dāng)機(jī)組與地埋管匹配運(yùn)行時，其分別與A，B，C 3個埋管分區(qū)進(jìn)行匹配運(yùn)行，每個分區(qū)運(yùn)行時其他埋管分區(qū)閥門關(guān)閉，且每個分區(qū)運(yùn)行時間為24 h.

對系統(tǒng)的測量采取熱平衡法，通過采集的流量和相應(yīng)進(jìn)出口溫差來計算機(jī)組和地埋管的制冷量與散熱量.系統(tǒng)流量數(shù)據(jù)采集通過超聲波流量計測得，蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度、末端和地埋管側(cè)分集水器內(nèi)的溫度由一體化溫度變送器測得，土壤溫度由PT100鉑熱電偶測得，機(jī)組和水泵的功率由系統(tǒng)內(nèi)置電能采集系統(tǒng)記錄，功率數(shù)據(jù)采集時間間隔為1 min.

2　測試結(jié)果與分析

2.1地埋管變流量運(yùn)行

測試運(yùn)行方案主要研究地埋管變流量調(diào)節(jié)對地埋管換熱特性、系統(tǒng)輸送功耗對系統(tǒng)能效比的影響，以期在保證室內(nèi)應(yīng)用效果的前提下，提高系統(tǒng)效率，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用.圖2為地埋管換熱量隨時間變化曲線，圖3為系統(tǒng)Cp，sys隨時間變化曲線.

分析圖2可知：在15：00左右系統(tǒng)進(jìn)行地埋管變流量運(yùn)行，地埋管換熱量由2150 kW下降至1850 kW，地埋管換熱量顯著下降.此外，地埋管變流量運(yùn)行后，電能表采集的系統(tǒng)功率由350 kW降低至330 kW，總輸送功耗降低20 kW，系統(tǒng)節(jié)能5.71%，表明地埋管變流量運(yùn)行可顯著節(jié)省運(yùn)行成本.

分析圖3可知：系統(tǒng)運(yùn)行初期，系統(tǒng)Cp，sys隨運(yùn)行時間逐漸降低；地埋管變流量運(yùn)行后，系統(tǒng)Cp，sys 從3.1增加至3.25.這是由于輸送功耗降低比例較大，而機(jī)組的制冷量由1 087 kW下降至1 063 kW，降低比例較小，使得系統(tǒng)Cp，sys有所增加，表明地埋管變流量運(yùn)行條件下可有效提高系統(tǒng)運(yùn)行效率.

圖2　地埋管換熱量隨時間變化曲線Fig.2 Variation of underground pipe heat transfer with operation time

圖3　地源熱泵系統(tǒng)Cp，sys隨時間變化曲線Fig.3 Variation of ground source heat pump system Cp，syswith operation time

2.2系統(tǒng)間歇運(yùn)行

系統(tǒng)運(yùn)行方案可為同一埋管分區(qū)土壤溫度預(yù)留出恢復(fù)時間，以達(dá)到強(qiáng)化地埋管傳熱、提高淺層地?zé)崮芾眯实哪康?根據(jù)建筑使用特性，在維持室內(nèi)溫、濕度要求前提下，找出間歇運(yùn)行與土壤溫度變化規(guī)律及系統(tǒng)性能系數(shù)之間的關(guān)系.間歇運(yùn)行方案為系統(tǒng)開啟2 h之后關(guān)閉0.5 h，開停時間比為4∶1.圖4為土壤溫度恢復(fù)率隨時間變化曲線，圖5為機(jī)組蒸發(fā)器與冷凝器進(jìn)出口溫度隨時間變化曲線，圖6為系統(tǒng)Cp，sys隨時間變化曲線.

分析圖4可知：不同埋管深度土壤溫度恢復(fù)率不同，埋深35 m與55 m處土壤最大溫度恢復(fù)率為44.4%，埋深15m處土壤最大溫度恢復(fù)率為25.3%；土壤溫度恢復(fù)率與時間相關(guān)，間歇時間增加，土壤溫度恢復(fù)率降低.由此可見，間歇運(yùn)行對土壤溫度恢復(fù)及提高埋管換熱效果有重要意義.

圖4　間歇運(yùn)行土壤溫度恢復(fù)率隨時間變化曲線Fig.4 Variation of intermittent operation recovery rate of soil temperature with operation time

分析圖5可知：系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)、出口溫度分別為10.5，7℃，由于機(jī)組關(guān)閉期間室內(nèi)末端仍在供冷，使得蒸發(fā)器進(jìn)口溫度上升到18.7℃，系統(tǒng)開啟0.5 h后蒸發(fā)器進(jìn)、出口又重新恢復(fù)至10.5，7℃.間歇期間，土壤最大恢復(fù)溫度為1.8℃，表明系統(tǒng)間歇運(yùn)行可一定程度地改善地下土壤的散熱條件，降低地下溫度增幅；實(shí)驗(yàn)期間室內(nèi)采集的最高溫度為24.6℃，表明間歇運(yùn)行依舊可以滿足室內(nèi)溫度要求.

圖5　蒸發(fā)器與冷凝器進(jìn)出口溫度隨時間變化曲線Fig.5 Variation of inlet and outlet water temperature of evaporator and condenser with operation

分析圖6可知：系統(tǒng)間歇運(yùn)行時穩(wěn)定工況Cp，sys約為2.8，再次啟動時系統(tǒng)Cp，sys為3.0，表明在保證室內(nèi)溫、濕度要求前提下，間歇運(yùn)行可一定程度地提高系統(tǒng)運(yùn)行效率.對電能表采集的系統(tǒng)功率取均值，其平均輸入功率為265 k W，而連續(xù)運(yùn)行平均功率為315 k W，間歇運(yùn)行系統(tǒng)節(jié)能率為15.87%，表明間歇運(yùn)行可較大程度地節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用.

圖6　間歇運(yùn)行系統(tǒng)Cp，sys隨時間變化曲線Fig.6 Variation of intermittent operationsystem Cp，syswith operation time

2.3系統(tǒng)優(yōu)化匹配

系統(tǒng)優(yōu)化匹配時，以系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)束機(jī)組冷凝器出口溫度和室內(nèi)逐時溫度作為評價標(biāo)準(zhǔn)，并認(rèn)為運(yùn)行結(jié)束時冷凝器出口溫度高于35℃或運(yùn)行期間室內(nèi)逐時溫度超過26℃，末端與機(jī)組或地埋管與機(jī)組不相匹配.

1）末端與機(jī)組.在系統(tǒng)優(yōu)化匹配中，當(dāng)末端開啟12層風(fēng)機(jī)盤管和12層新風(fēng)機(jī)時，房間內(nèi)溫度可迅速降至25℃以下，增加負(fù)荷時房間溫度不滿足要求，表明單臺機(jī)組最大承擔(dān)末端為12層風(fēng)機(jī)盤管和12層新風(fēng)機(jī)帶來的負(fù)荷.

2）地埋管與機(jī)組.地埋管與機(jī)組匹配運(yùn)行主要目的在于整個系統(tǒng)負(fù)荷較小開啟單臺機(jī)組時，對應(yīng)的3個不同埋管分區(qū)是否能夠承擔(dān)相應(yīng)的建筑冷負(fù)荷.對于機(jī)組運(yùn)行選擇適宜埋管區(qū)域，減小輸送功耗有重要意義.圖7為地埋管A區(qū)域與機(jī)組匹配運(yùn)行時，冷凝器進(jìn)出口溫度和室內(nèi)垂直溫度隨時間變化曲線.地埋管B，C 2個區(qū)域與機(jī)組匹配運(yùn)行時的討論內(nèi)容與A區(qū)域相同，故圖從略.

圖7　地埋管A區(qū)域與機(jī)組匹配運(yùn)行Fig.7 The unit operating with underground pipe region A

地埋管A區(qū)與機(jī)組匹配運(yùn)行時，系統(tǒng)開啟10層風(fēng)機(jī)盤管和10層新風(fēng)機(jī).分析圖7可知：機(jī)組冷凝器溫度在測試期間逐漸增加，增加幅度隨時間變化逐漸降低.運(yùn)行結(jié)束時冷凝器出口最高溫度為34.2℃，表明埋管A區(qū)域土壤溫度在匹配條件下并未出現(xiàn)溫度過高現(xiàn)象.此外，系統(tǒng)運(yùn)行后室內(nèi)溫度迅速降至26℃以下，表明埋管A區(qū)域與機(jī)組匹配時能夠承擔(dān)相應(yīng)的冷負(fù)荷.

地埋管B區(qū)與機(jī)組匹配運(yùn)行時，系統(tǒng)開啟12層風(fēng)機(jī)盤管和12層新風(fēng)機(jī).運(yùn)行結(jié)束時冷凝器出口最高溫度為34.8℃，系統(tǒng)運(yùn)行后室內(nèi)溫度迅速降至26℃以下，表明埋管B區(qū)域能夠承擔(dān)相應(yīng)冷負(fù)荷.

地埋管C區(qū)與機(jī)組匹配運(yùn)行時，系統(tǒng)開啟13層風(fēng)機(jī)盤管和13層新風(fēng)機(jī).運(yùn)行結(jié)束時冷凝器出口溫度為32.68℃，但從機(jī)組8：30開啟至13：00，室內(nèi)距地面1.2 m處溫度都保持在26℃以上，在開啟另外冷源后室內(nèi)溫度才滿足要求，這表明機(jī)組無法承擔(dān)相應(yīng)工況下的冷負(fù)荷.

綜合分析上述結(jié)果可知：在滿足室內(nèi)設(shè)計要求前提下，單臺機(jī)組最大承擔(dān)12層風(fēng)機(jī)盤管和12層新風(fēng)機(jī)帶來的冷負(fù)荷；機(jī)組在承擔(dān)最大冷負(fù)荷情況下，地埋管B區(qū)和C區(qū)可滿足系統(tǒng)散熱的要求.

［1］HEPBASLI A，AKDEMIR O，HANCIOGLU E.Experimental study of a closed loop vertical ground source heat pump system［J］.Energy Convers Manage，2003，44（4）：527-548.

［2］OZYURT O，EKINCI D A.Experimental study of vertical ground-source heat pump performance evaluation for cold climate in Turkey［J］.Appl Energy，2011，88（4）：1257-1265.

［3］OMER A M.Ground-source heat pumps systems and applications［J］.Renewable Sustainable Energy Rev，2008，12（2）：344-371.

［4］BAKIRCI K.Evaluation of the performance of a ground-source heat-pump system with series GHE（ground heat exchanger）in the cold climate region［J］.Energy，2010，35（7）：3088-3096.

［5］KARABACAK R，ACAR S G，KUMSAR H，et al.Experimental investigation of the cooling performance of a ground source heat pump system in Denizli，Turkey［J］.Int J Refrig，2011，34（2）：454-465.

［6］PULAT E，COSKUN S，UNLU K，et al.Experimental study of horizontal ground source heat pump performance for mild climate in Turkey［J］.Energy，2009，34（9）：1284-1295.

［7］KWON O，BAE K，PARK C.Cooling characteristics of ground source heat pump with heat exchange methods［J］.Renewable Energy，2014，71：651-657.

［8］楊衛(wèi)波，施明恒，陳振乾.土壤源熱泵夏季運(yùn)行特性的實(shí)驗(yàn)研究 ［J］.太陽能學(xué)報，2007，28（9）：1012-1016.

［9］尚妍，李素芬，代蘭花.地源熱泵間歇運(yùn)行地溫變化特性及恢復(fù)特性研究 ［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報，2012，52（3）：350-356.

［10］辛岳芝，胡松濤，田郁，等.某工程土壤源熱泵間歇運(yùn)行的測試研究 ［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報，2008，29（4）：65-69.

Test and analysis on the operating characteristics of a demonstration ground source heat pump system operated in summer

LIANG Xingfu1，YANG Weibo1，2*，WU Xuan3
（1.Sch of Hydraul&Energy Power Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China；2.Key Lab of Ministr of Educ for Thermo-Fluid Sci&Engin，Xi’an Jiaotong Univ，Xi’an 710049，China；3.Sch of Energy&Environ，Inn Mongolia Univ of Sci&Technol，Baotou 014010，China）

To explore the impact of variable operating conditions and system optimization matching on the operation performance of ground source heat pump system，an experimental test is carried out for an office building in the middle region of Jiangsu.The results indicate that the transportation costs of the system can be reduced and 20 k W of the operating power be saved under the variable ground flow rate operation mode，the energy saving rate is 5.71%.Under the intermittent running time ratio of 4∶1，the maximum soil temperature recovery rate is 44.4%at the depth of 35 m and 55 m and compared to the continuous operation mode 50 k W electricity consumption is reduced，the energy saving rate is 15.87%.During intermittent operation mode，the maximum recovery soil temperature is 1.8℃.It shows that the soil thermal conditions can be improved and the increasing rate of the soil temperature can be reduced under this mode.Furthermore，it is conducive for the unit to select the appropriate pipe partition and save the actual operation costs by the system optimization.

ground source heat pump；variable flow；intermittent operation；optimization match

TU 831.3

A

1007-824X（2015）01-0065-05

（責(zé)任編輯 賈慧鳴）

2014-04-22.*聯(lián)系人，E-mail：yangwb2004@163.com.

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK20141278）；熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安交通大學(xué)）開放基金資助（KLTFSE2014KF05）；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2014MS0530）.

梁幸福，楊衛(wèi)波，吳暄.某示范地源熱泵系統(tǒng)夏季運(yùn)行特性測試與分析 ［J］.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，18（1）：65-69.