某示范地源熱泵系統夏季運行特性測試與分析

梁幸福，楊衛(wèi)波，2*，吳 晅3

（1.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇　揚州225127；

2.熱流科學與工程教育部重點實驗室（西安交通大學），西安710049；3.內蒙古科技大學能源與環(huán)境學院，內蒙古　包頭014010）

某示范地源熱泵系統夏季運行特性測試與分析

梁幸福1，楊衛(wèi)波1，2*，吳 晅3

（1.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇揚州225127；

2.熱流科學與工程教育部重點實驗室（西安交通大學），西安710049；3.內蒙古科技大學能源與環(huán)境學院，內蒙古包頭014010）

為了探討系統變工況運行與優(yōu)化匹配對地源熱泵系統性能及運行效益的影響，對蘇中地區(qū)某辦公建筑進行了相關測試.結果顯示：地埋管變流量運行后系統節(jié)省運行功耗20 k W，節(jié)能率為5.71%，表明變流量運行可降低系統的輸送成本，提高系統運行效率；在間歇運行時間比為4∶1的條件下，深度為35 m 和55 m處土壤最大溫度恢復率為44.4%，且系統比連續(xù)運行時可節(jié)省電力消耗50 k W，節(jié)能率為15.87%；間歇運行期間，土壤最大恢復溫度為1.8℃，表明間歇運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，通過系統優(yōu)化匹配運行，有利于機組選擇適宜地埋管分區(qū)和節(jié)省實際運行費用.

地源熱泵；變流量；間歇運行；優(yōu)化匹配

地源熱泵系統由于具有運行費用低、無污染以及較高的運行能效等優(yōu)點越來越受到人們的關注.在系統實際運行過程中，如何在滿足室內溫、濕度要求的前提下提高系統性能系數（Cp，sys）、節(jié)省運行費用也是一個重要的課題.國外這方面研究起步較早，在地源熱泵系統的研究、設計與施工方面積累了大量經驗與相關實驗數據［1-7］.國內近年來對系統運行特性進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在間歇運行模式下機組及系統的運行能效和土壤溫度變化進行了數值模擬與實驗對照，辛岳芝等人［10］對某實際地源熱泵系統也進行了間歇運行測試的實驗研究.但利用實際工程進行實驗測試方面的研究大多局限于運行時系統性能系數和經濟性分析，或者僅僅對間歇工況進行分析，而探討工程其他變工況及系統優(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進行夏季變工況特性研究，分析系統在變工況運行下的運行規(guī)律，并對系統室內末端與機組和埋管匹配運行進行優(yōu)化，為系統實現高效運行和節(jié)省運行成本提供參考依據.

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.地源熱泵系統分為室內末端、熱泵系統和地埋管換熱器系統3個部分，系統如圖1所示.圖中地埋管換熱器系統分為A，B，C 3個區(qū)，對應埋管孔數為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管并聯構成.主機為臥式高效地源熱泵機組，額定功率146 k W；末端側水泵揚程34 m，功率18.5 k W；地埋管側水泵揚程28 m，功率18.5 k W.

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

1.2測試內容及方法

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

對系統的測量采取熱平衡法，通過采集的流量和相應進出口溫差來計算機組和地埋管的制冷量與散熱量.系統流量數據采集通過超聲波流量計測得，蒸發(fā)器進出口溫度、末端和地埋管側分集水器內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，機組和水泵的功率由系統內置電能采集系統記錄，功率數據采集時間間隔為1 min.

2　測試結果與分析

2.1地埋管變流量運行

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

分析圖2可知：在15：00左右系統進行地埋管變流量運行，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，地埋管變流量運行后，電能表采集的系統功率由350 kW降低至330 kW，總輸送功耗降低20 kW，系統節(jié)能5.71%，表明地埋管變流量運行可顯著節(jié)省運行成本.

分析圖3可知：系統運行初期，系統Cp，sys隨運行時間逐漸降低；地埋管變流量運行后，系統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Cp，sys有所增加，表明地埋管變流量運行條件下可有效提高系統運行效率.

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系統間歇運行

系統運行方案可為同一埋管分區(qū)土壤溫度預留出恢復時間，以達到強化地埋管傳熱、提高淺層地熱能利用效率的目的.根據建筑使用特性，在維持室內溫、濕度要求前提下，找出間歇運行與土壤溫度變化規(guī)律及系統性能系數之間的關系.間歇運行方案為系統開啟2 h之后關閉0.5 h，開停時間比為4∶1.圖4為土壤溫度恢復率隨時間變化曲線，圖5為機組蒸發(fā)器與冷凝器進出口溫度隨時間變化曲線，圖6為系統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率不同，埋深35 m與55 m處土壤最大溫度恢復率為44.4%，埋深15m處土壤最大溫度恢復率為25.3%；土壤溫度恢復率與時間相關，間歇時間增加，土壤溫度恢復率降低.由此可見，間歇運行對土壤溫度恢復及提高埋管換熱效果有重要意義.

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

分析圖5可知：系統穩(wěn)定運行時，機組蒸發(fā)器進、出口溫度分別為10.5，7℃，由于機組關閉期間室內末端仍在供冷，使得蒸發(fā)器進口溫度上升到18.7℃，系統開啟0.5 h后蒸發(fā)器進、出口又重新恢復至10.5，7℃.間歇期間，土壤最大恢復溫度為1.8℃，表明系統間歇運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；實驗期間室內采集的最高溫度為24.6℃，表明間歇運行依舊可以滿足室內溫度要求.

圖5　蒸發(fā)器與冷凝器進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：系統間歇運行時穩(wěn)定工況Cp，sys約為2.8，再次啟動時系統Cp，sys為3.0，表明在保證室內溫、濕度要求前提下，間歇運行可一定程度地提高系統運行效率.對電能表采集的系統功率取均值，其平均輸入功率為265 k W，而連續(xù)運行平均功率為315 k W，間歇運行系統節(jié)能率為15.87%，表明間歇運行可較大程度地節(jié)省運行費用.

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

2.3系統優(yōu)化匹配

系統優(yōu)化匹配時，以系統運行結束機組冷凝器出口溫度和室內逐時溫度作為評價標準，并認為運行結束時冷凝器出口溫度高于35℃或運行期間室內逐時溫度超過26℃，末端與機組或地埋管與機組不相匹配.

1）末端與機組.在系統優(yōu)化匹配中，當末端開啟12層風機盤管和12層新風機時，房間內溫度可迅速降至25℃以下，增加負荷時房間溫度不滿足要求，表明單臺機組最大承擔末端為12層風機盤管和12層新風機帶來的負荷.

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

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

地埋管A區(qū)與機組匹配運行時，系統開啟10層風機盤管和10層新風機.分析圖7可知：機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.運行結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溫度過高現象.此外，系統運行后室內溫度迅速降至26℃以下，表明埋管A區(qū)域與機組匹配時能夠承擔相應的冷負荷.

地埋管B區(qū)與機組匹配運行時，系統開啟12層風機盤管和12層新風機.運行結束時冷凝器出口最高溫度為34.8℃，系統運行后室內溫度迅速降至26℃以下，表明埋管B區(qū)域能夠承擔相應冷負荷.

地埋管C區(qū)與機組匹配運行時，系統開啟13層風機盤管和13層新風機.運行結束時冷凝器出口溫度為32.68℃，但從機組8：30開啟至13：00，室內距地面1.2 m處溫度都保持在26℃以上，在開啟另外冷源后室內溫度才滿足要求，這表明機組無法承擔相應工況下的冷負荷.

綜合分析上述結果可知：在滿足室內設計要求前提下，單臺機組最大承擔12層風機盤管和12層新風機帶來的冷負荷；機組在承擔最大冷負荷情況下，地埋管B區(qū)和C區(qū)可滿足系統散熱的要求.

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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

（責任編輯 賈慧鳴）

2014-04-22.*聯系人，E-mail：yangwb2004@163.com.

江蘇省自然科學基金資助項目（BK20141278）；熱流科學與工程教育部重點實驗室（西安交通大學）開放基金資助（KLTFSE2014KF05）；內蒙古自治區(qū)自然科學基金資助項目（2014MS0530）.

梁幸福，楊衛(wèi)波，吳暄.某示范地源熱泵系統夏季運行特性測試與分析 ［J］.揚州大學學報：自然科學版，2015，18（1）：65-69.