地源熱泵制熱性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

傅允準(zhǔn)，杜興慧

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

近年來，地源熱泵系統(tǒng)由于具有環(huán)保、高效節(jié)能的特點(diǎn)，在政府及相關(guān)部門的鼓勵(lì)與支持下，地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)入了發(fā)展熱潮。地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行性能測(cè)試結(jié)果，為其設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用提供重要的技術(shù)支撐［1－5］。

本文利用上海工程技術(shù)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)地源熱泵制熱性能測(cè)試系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生了解認(rèn)識(shí)地源熱泵工作原理和地源熱泵制熱性能具有很大的幫助。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

地源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，位于學(xué)校實(shí)訓(xùn)樓實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室面積65 m2，主機(jī)為水－水地源熱泵機(jī)組，額定制冷量為12.6 kW，制冷輸入功率為3.07 kW，額定制熱量為16.0 kW，輸入功率為4.02 kW，冷凍水泵流量為4 m3/h，冷卻水泵流量為4 m3/h。實(shí)驗(yàn)室房間末端設(shè)備采用新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管。有三口90 m深的地埋管井，埋管形式為單U。室內(nèi)布置負(fù)荷發(fā)生器調(diào)節(jié)房間空調(diào)冷熱負(fù)荷。

2 地源熱泵制熱性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地源熱泵制熱性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括電源控制、流量測(cè)試、溫度測(cè)試、機(jī)組功率測(cè)試等。

1)熱泵機(jī)組、冷卻水泵、冷凍水泵、室內(nèi)新風(fēng)機(jī)組等設(shè)備電源由一個(gè)電源控制柜集中控制，便于實(shí)驗(yàn)操作。

圖1 地源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2)地源熱泵機(jī)組負(fù)荷側(cè)供回水溫度、地埋管側(cè)供回水溫度測(cè)量采用鉑電阻Pt100，測(cè)量精度為0.5℃，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器采集，同時(shí)連接電腦，所有數(shù)據(jù)可以在電腦上顯示、保存。

3)對(duì)于變負(fù)荷側(cè)和地源側(cè)水流量地源熱泵制熱性能測(cè)試，冷卻水泵和冷凍水泵分別采用變頻器變頻調(diào)節(jié)水流量，水流量采用渦輪流量計(jì)測(cè)量。

4)地源熱泵機(jī)組輸入功率采用功率計(jì)測(cè)量，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)耗電量采用電表計(jì)量。

5)為了監(jiān)測(cè)地源熱泵機(jī)組啟動(dòng)階段、運(yùn)行期間土壤溫度的變化，在地埋管測(cè)試井的不同深度處布置熱電偶傳感器。

3 地源熱泵制熱測(cè)試運(yùn)行步驟

地源熱泵制熱性能測(cè)試運(yùn)行步驟如下:

1)接通熱泵機(jī)組、水泵、室內(nèi)新風(fēng)機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤管電源;

2)首先，啟動(dòng)冷卻水泵、冷凍水泵和新風(fēng)機(jī)組，然后，啟動(dòng)熱泵機(jī)組制熱模式;

3)設(shè)定機(jī)組出水溫度，觀察熱泵機(jī)組制熱模式運(yùn)行是否穩(wěn)定;

4)記錄冷卻水進(jìn)出回水溫度和水流量，負(fù)荷側(cè)進(jìn)出水溫度和流量，同時(shí)記錄功率、電壓、電流等讀數(shù);

5)改變負(fù)荷側(cè)冷凍水泵或變頻器頻率3～5次，重復(fù)步驟3～步驟4;

6)計(jì)算地源熱泵機(jī)組制熱量和制熱性能系數(shù)。

4 數(shù)據(jù)分析計(jì)算理論

1)地源熱泵機(jī)組供熱量計(jì)算

式中:Q為熱泵機(jī)組供熱量，kW;G為負(fù)荷側(cè)平均水流量，kg/s;CP為水的定壓比熱，kJ/(kg·℃);ts—負(fù)荷側(cè)換熱器供水溫度，℃;th為負(fù)荷側(cè)換熱器回水溫度，℃。

2)熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)計(jì)算

式中:COP為熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù);Q為熱泵機(jī)組供熱量，kW;W為熱泵機(jī)組輸入功率，kW。

3)地埋管換熱量計(jì)算

式中:Ql為U型埋管換熱器換熱量，kW;Cp為水的定壓比熱，kJ/(kg·℃);Gl為地埋管側(cè)水流量，kg/s;tlin、tlout為U型地埋管進(jìn)出口水溫，℃。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析

當(dāng)?shù)卦礋岜脵C(jī)組啟動(dòng)制熱模式后，負(fù)荷側(cè)水流量為3 m3/h，地源熱泵機(jī)組制熱性能測(cè)試情況如表1所示。

表1 地源熱泵機(jī)組制熱性能測(cè)試

分析表1，可以發(fā)現(xiàn):地源熱泵機(jī)組供水溫度50.2℃，回水溫度為45.3℃，機(jī)組供熱量為17.3 kW，機(jī)組制熱性能系數(shù)為4.3。

當(dāng)負(fù)荷側(cè)水量變化時(shí)，地源熱泵機(jī)組制熱性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 變流量地源熱泵機(jī)組制熱性能測(cè)試結(jié)果

分析表2，可以得出:隨著負(fù)荷側(cè)水流量逐漸變小，地源熱泵機(jī)組供熱量和COP值逐漸降低。當(dāng)負(fù)荷側(cè)水流量從3.2 m3/h降到2.8 m3/h，地源熱泵機(jī)組供熱量下降了20 。

6 結(jié)束語

地源熱泵制熱性能測(cè)試系統(tǒng)中溫度、水流量、功率等參數(shù)測(cè)試儀器的正確設(shè)計(jì)與安裝，是地源熱泵制熱性能實(shí)驗(yàn)?zāi)芊瘾@取準(zhǔn)確測(cè)試結(jié)果的關(guān)鍵。同時(shí)，測(cè)試過程中，要盡量減少測(cè)試誤差，保證測(cè)試結(jié)果正確。通過試驗(yàn)表明，地源熱泵機(jī)組性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)是正確可行的。

［1］ 胡松濤，張莉，王剛．太陽能－地源熱泵與地板輻射空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行方式探討［J］．暖通空調(diào)，2005，35(3):41－44，53.

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［3］ 張玲，陳光明，黃奕沄．U型豎埋管地源熱泵－輻射地板聯(lián)合運(yùn)行冬季啟動(dòng)特性試驗(yàn)研究［J］.流體機(jī)械，2005，33(增刊):108－113．

［4］ 中國(guó)建筑工業(yè)出版社.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(GB50366－2005)［s］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［5］ 傅允準(zhǔn)．地源熱泵地埋管換熱器換熱量的測(cè)試［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010，8(2):33－34.