地源热泵制热性能实验系统设计与分析

傅允准，杜兴慧

(上海工程技术大学 机械工程学院，上海 201620)

近年来，地源热泵系统由于具有环保、高效节能的特点，在政府及相关部门的鼓励与支持下，地源热泵系统进入了发展热潮。地源热泵系统实际运行性能测试结果，为其设计及推广应用提供重要的技术支撑［1－5］。

本文利用上海工程技术大学实验室地源热泵空调系统，设计地源热泵制热性能测试系统，该实验系统对学生了解认识地源热泵工作原理和地源热泵制热性能具有很大的帮助。

1 实验系统

地源热泵实验系统如图1所示，位于学校实训楼实验室，实验室面积65 m2，主机为水－水地源热泵机组，额定制冷量为12.6 kW，制冷输入功率为3.07 kW，额定制热量为16.0 kW，输入功率为4.02 kW，冷冻水泵流量为4 m3/h，冷却水泵流量为4 m3/h。实验室房间末端设备采用新风机组和风机盘管。有三口90 m深的地埋管井，埋管形式为单U。室内布置负荷发生器调节房间空调冷热负荷。

2 地源热泵制热性能测试系统设计

地源热泵制热性能测试系统设计主要包括电源控制、流量测试、温度测试、机组功率测试等。

1)热泵机组、冷却水泵、冷冻水泵、室内新风机组等设备电源由一个电源控制柜集中控制，便于实验操作。

图1 地源热泵实验系统

2)地源热泵机组负荷侧供回水温度、地埋管侧供回水温度测量采用铂电阻Pt100，测量精度为0.5℃，数据由数据采集器采集，同时连接电脑，所有数据可以在电脑上显示、保存。

3)对于变负荷侧和地源侧水流量地源热泵制热性能测试，冷却水泵和冷冻水泵分别采用变频器变频调节水流量，水流量采用涡轮流量计测量。

4)地源热泵机组输入功率采用功率计测量，地源热泵空调系统耗电量采用电表计量。

5)为了监测地源热泵机组启动阶段、运行期间土壤温度的变化，在地埋管测试井的不同深度处布置热电偶传感器。

3 地源热泵制热测试运行步骤

地源热泵制热性能测试运行步骤如下:

1)接通热泵机组、水泵、室内新风机组、风机盘管电源;

2)首先，启动冷却水泵、冷冻水泵和新风机组，然后，启动热泵机组制热模式;

3)设定机组出水温度，观察热泵机组制热模式运行是否稳定;

4)记录冷却水进出回水温度和水流量，负荷侧进出水温度和流量，同时记录功率、电压、电流等读数;

5)改变负荷侧冷冻水泵或变频器频率3～5次，重复步骤3～步骤4;

6)计算地源热泵机组制热量和制热性能系数。

4 数据分析计算理论

1)地源热泵机组供热量计算

式中:Q为热泵机组供热量，kW;G为负荷侧平均水流量，kg/s;CP为水的定压比热，kJ/(kg·℃);ts—负荷侧换热器供水温度，℃;th为负荷侧换热器回水温度，℃。

2)热泵机组制热性能系数计算

式中:COP为热泵机组制热性能系数;Q为热泵机组供热量，kW;W为热泵机组输入功率，kW。

3)地埋管换热量计算

式中:Ql为U型埋管换热器换热量，kW;Cp为水的定压比热，kJ/(kg·℃);Gl为地埋管侧水流量，kg/s;tlin、tlout为U型地埋管进出口水温，℃。

5 实验数据处理和分析

当地源热泵机组启动制热模式后，负荷侧水流量为3 m3/h，地源热泵机组制热性能测试情况如表1所示。

表1 地源热泵机组制热性能测试

分析表1，可以发现:地源热泵机组供水温度50.2℃，回水温度为45.3℃，机组供热量为17.3 kW，机组制热性能系数为4.3。

当负荷侧水量变化时，地源热泵机组制热性能测试结果如表2所示。

表2 变流量地源热泵机组制热性能测试结果

分析表2，可以得出:随着负荷侧水流量逐渐变小，地源热泵机组供热量和COP值逐渐降低。当负荷侧水流量从3.2 m3/h降到2.8 m3/h，地源热泵机组供热量下降了20 。

6 结束语

地源热泵制热性能测试系统中温度、水流量、功率等参数测试仪器的正确设计与安装，是地源热泵制热性能实验能否获取准确测试结果的关键。同时，测试过程中，要尽量减少测试误差，保证测试结果正确。通过试验表明，地源热泵机组性能测试系统设计是正确可行的。

［1］ 胡松涛，张莉，王刚．太阳能－地源热泵与地板辐射空调系统联合运行方式探讨［J］．暖通空调，2005，35(3):41－44，53.

［2］ Li Xinguo.Theoretical and experimental study on groud coupled heat pump with vertical spiral coil［J］.Transaction of Tianjin University，2003，9(2):123－126．

［3］ 张玲，陈光明，黄奕沄．U型竖埋管地源热泵－辐射地板联合运行冬季启动特性试验研究［J］.流体机械，2005，33(增刊):108－113．

［4］ 中国建筑工业出版社.地源热泵系统工程技术规范(GB50366－2005)［s］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［5］ 傅允准．地源热泵地埋管换热器换热量的测试［J］.实验科学与技术，2010，8(2):33－34.