某示范地源热泵系统夏季运行特性测试与分析

梁幸福，杨卫波，2*，吴 晅3

（1.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏　扬州225127；

2.热流科学与工程教育部重点实验室（西安交通大学），西安710049；3.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古　包头014010）

某示范地源热泵系统夏季运行特性测试与分析

梁幸福1，杨卫波1，2*，吴 晅3

（1.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州225127；

2.热流科学与工程教育部重点实验室（西安交通大学），西安710049；3.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头014010）

为了探讨系统变工况运行与优化匹配对地源热泵系统性能及运行效益的影响，对苏中地区某办公建筑进行了相关测试.结果显示：地埋管变流量运行后系统节省运行功耗20 k W，节能率为5.71%，表明变流量运行可降低系统的输送成本，提高系统运行效率；在间歇运行时间比为4∶1的条件下，深度为35 m 和55 m处土壤最大温度恢复率为44.4%，且系统比连续运行时可节省电力消耗50 k W，节能率为15.87%；间歇运行期间，土壤最大恢复温度为1.8℃，表明间歇运行有利于改善土壤的散热条件，降低土壤温度的增加幅度.此外，通过系统优化匹配运行，有利于机组选择适宜地埋管分区和节省实际运行费用.

地源热泵；变流量；间歇运行；优化匹配

地源热泵系统由于具有运行费用低、无污染以及较高的运行能效等优点越来越受到人们的关注.在系统实际运行过程中，如何在满足室内温、湿度要求的前提下提高系统性能系数（Cp，sys）、节省运行费用也是一个重要的课题.国外这方面研究起步较早，在地源热泵系统的研究、设计与施工方面积累了大量经验与相关实验数据［1-7］.国内近年来对系统运行特性进行了较为深入的研究，杨卫波［8］、尚妍［9］等人对地源热泵系统在间歇运行模式下机组及系统的运行能效和土壤温度变化进行了数值模拟与实验对照，辛岳芝等人［10］对某实际地源热泵系统也进行了间歇运行测试的实验研究.但利用实际工程进行实验测试方面的研究大多局限于运行时系统性能系数和经济性分析，或者仅仅对间歇工况进行分析，而探讨工程其他变工况及系统优化匹配相对较少.本文针对苏中某示范工程地源热泵系统进行夏季变工况特性研究，分析系统在变工况运行下的运行规律，并对系统室内末端与机组和埋管匹配运行进行优化，为系统实现高效运行和节省运行成本提供参考依据.

1　测试工程概况

1.1示范工程简介

本测试工程为苏中地区某地源热泵示范项目，其建筑类型主要为办公建筑，建筑高度约为99.8 m.地源热泵系统分为室内末端、热泵系统和地埋管换热器系统3个部分，系统如图1所示.图中地埋管换热器系统分为A，B，C 3个区，对应埋管孔数为160，200，260个，每孔由直径为25 mm、埋深为100 m的高密度聚乙烯双U管并联构成.主机为卧式高效地源热泵机组，额定功率146 k W；末端侧水泵扬程34 m，功率18.5 k W；地埋管侧水泵扬程28 m，功率18.5 k W.

图1　地源热泵系统原理图Fig.1 The schematic diagram of ground source heat pump system

1.2测试内容及方法

本测试进行地源热泵系统变工况运行特性和系统优化匹配研究，分为地埋管变流量运行、间歇运行以及地埋管区域与优化匹配运行3个方案.地埋管变流量运行测试时，其流量从240 m3·h-1降低至180 m3·h-1，系统运行时间约为9 h；间歇运行时，机组开停机时间分别为2 h和0.5 h，运行时间为10 h；优化匹配分为机组与末端匹配运行和机组与地埋管区域匹配运行.当机组与地埋管匹配运行时，其分别与A，B，C 3个埋管分区进行匹配运行，每个分区运行时其他埋管分区阀门关闭，且每个分区运行时间为24 h.

对系统的测量采取热平衡法，通过采集的流量和相应进出口温差来计算机组和地埋管的制冷量与散热量.系统流量数据采集通过超声波流量计测得，蒸发器进出口温度、末端和地埋管侧分集水器内的温度由一体化温度变送器测得，土壤温度由PT100铂热电偶测得，机组和水泵的功率由系统内置电能采集系统记录，功率数据采集时间间隔为1 min.

2　测试结果与分析

2.1地埋管变流量运行

测试运行方案主要研究地埋管变流量调节对地埋管换热特性、系统输送功耗对系统能效比的影响，以期在保证室内应用效果的前提下，提高系统效率，节省运行费用.图2为地埋管换热量随时间变化曲线，图3为系统Cp，sys随时间变化曲线.

分析图2可知：在15：00左右系统进行地埋管变流量运行，地埋管换热量由2150 kW下降至1850 kW，地埋管换热量显著下降.此外，地埋管变流量运行后，电能表采集的系统功率由350 kW降低至330 kW，总输送功耗降低20 kW，系统节能5.71%，表明地埋管变流量运行可显著节省运行成本.

分析图3可知：系统运行初期，系统Cp，sys随运行时间逐渐降低；地埋管变流量运行后，系统Cp，sys 从3.1增加至3.25.这是由于输送功耗降低比例较大，而机组的制冷量由1 087 kW下降至1 063 kW，降低比例较小，使得系统Cp，sys有所增加，表明地埋管变流量运行条件下可有效提高系统运行效率.

图2　地埋管换热量随时间变化曲线Fig.2 Variation of underground pipe heat transfer with operation time

图3　地源热泵系统Cp，sys随时间变化曲线Fig.3 Variation of ground source heat pump system Cp，syswith operation time

2.2系统间歇运行

系统运行方案可为同一埋管分区土壤温度预留出恢复时间，以达到强化地埋管传热、提高浅层地热能利用效率的目的.根据建筑使用特性，在维持室内温、湿度要求前提下，找出间歇运行与土壤温度变化规律及系统性能系数之间的关系.间歇运行方案为系统开启2 h之后关闭0.5 h，开停时间比为4∶1.图4为土壤温度恢复率随时间变化曲线，图5为机组蒸发器与冷凝器进出口温度随时间变化曲线，图6为系统Cp，sys随时间变化曲线.

分析图4可知：不同埋管深度土壤温度恢复率不同，埋深35 m与55 m处土壤最大温度恢复率为44.4%，埋深15m处土壤最大温度恢复率为25.3%；土壤温度恢复率与时间相关，间歇时间增加，土壤温度恢复率降低.由此可见，间歇运行对土壤温度恢复及提高埋管换热效果有重要意义.

图4　间歇运行土壤温度恢复率随时间变化曲线Fig.4 Variation of intermittent operation recovery rate of soil temperature with operation time

分析图5可知：系统稳定运行时，机组蒸发器进、出口温度分别为10.5，7℃，由于机组关闭期间室内末端仍在供冷，使得蒸发器进口温度上升到18.7℃，系统开启0.5 h后蒸发器进、出口又重新恢复至10.5，7℃.间歇期间，土壤最大恢复温度为1.8℃，表明系统间歇运行可一定程度地改善地下土壤的散热条件，降低地下温度增幅；实验期间室内采集的最高温度为24.6℃，表明间歇运行依旧可以满足室内温度要求.

图5　蒸发器与冷凝器进出口温度随时间变化曲线Fig.5 Variation of inlet and outlet water temperature of evaporator and condenser with operation

分析图6可知：系统间歇运行时稳定工况Cp，sys约为2.8，再次启动时系统Cp，sys为3.0，表明在保证室内温、湿度要求前提下，间歇运行可一定程度地提高系统运行效率.对电能表采集的系统功率取均值，其平均输入功率为265 k W，而连续运行平均功率为315 k W，间歇运行系统节能率为15.87%，表明间歇运行可较大程度地节省运行费用.

图6　间歇运行系统Cp，sys随时间变化曲线Fig.6 Variation of intermittent operationsystem Cp，syswith operation time

2.3系统优化匹配

系统优化匹配时，以系统运行结束机组冷凝器出口温度和室内逐时温度作为评价标准，并认为运行结束时冷凝器出口温度高于35℃或运行期间室内逐时温度超过26℃，末端与机组或地埋管与机组不相匹配.

1）末端与机组.在系统优化匹配中，当末端开启12层风机盘管和12层新风机时，房间内温度可迅速降至25℃以下，增加负荷时房间温度不满足要求，表明单台机组最大承担末端为12层风机盘管和12层新风机带来的负荷.

2）地埋管与机组.地埋管与机组匹配运行主要目的在于整个系统负荷较小开启单台机组时，对应的3个不同埋管分区是否能够承担相应的建筑冷负荷.对于机组运行选择适宜埋管区域，减小输送功耗有重要意义.图7为地埋管A区域与机组匹配运行时，冷凝器进出口温度和室内垂直温度随时间变化曲线.地埋管B，C 2个区域与机组匹配运行时的讨论内容与A区域相同，故图从略.

图7　地埋管A区域与机组匹配运行Fig.7 The unit operating with underground pipe region A

地埋管A区与机组匹配运行时，系统开启10层风机盘管和10层新风机.分析图7可知：机组冷凝器温度在测试期间逐渐增加，增加幅度随时间变化逐渐降低.运行结束时冷凝器出口最高温度为34.2℃，表明埋管A区域土壤温度在匹配条件下并未出现温度过高现象.此外，系统运行后室内温度迅速降至26℃以下，表明埋管A区域与机组匹配时能够承担相应的冷负荷.

地埋管B区与机组匹配运行时，系统开启12层风机盘管和12层新风机.运行结束时冷凝器出口最高温度为34.8℃，系统运行后室内温度迅速降至26℃以下，表明埋管B区域能够承担相应冷负荷.

地埋管C区与机组匹配运行时，系统开启13层风机盘管和13层新风机.运行结束时冷凝器出口温度为32.68℃，但从机组8：30开启至13：00，室内距地面1.2 m处温度都保持在26℃以上，在开启另外冷源后室内温度才满足要求，这表明机组无法承担相应工况下的冷负荷.

综合分析上述结果可知：在满足室内设计要求前提下，单台机组最大承担12层风机盘管和12层新风机带来的冷负荷；机组在承担最大冷负荷情况下，地埋管B区和C区可满足系统散热的要求.

［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］杨卫波，施明恒，陈振乾.土壤源热泵夏季运行特性的实验研究 ［J］.太阳能学报，2007，28（9）：1012-1016.

［9］尚妍，李素芬，代兰花.地源热泵间歇运行地温变化特性及恢复特性研究 ［J］.大连理工大学学报，2012，52（3）：350-356.

［10］辛岳芝，胡松涛，田郁，等.某工程土壤源热泵间歇运行的测试研究 ［J］.青岛理工大学学报，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

（责任编辑 贾慧鸣）

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

江苏省自然科学基金资助项目（BK20141278）；热流科学与工程教育部重点实验室（西安交通大学）开放基金资助（KLTFSE2014KF05）；内蒙古自治区自然科学基金资助项目（2014MS0530）.

梁幸福，杨卫波，吴暄.某示范地源热泵系统夏季运行特性测试与分析 ［J］.扬州大学学报：自然科学版，2015，18（1）：65-69.