不同供水温度下地源热泵群孔换热性能的试验研究

李雷雷，寇 利，王小清，王其昌

（上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

1 前言

地源热泵技术是一种可再生供能技术，主要利用深埋于地下的埋管与其周围土壤进行热交换，夏季向土壤排热，冬季向土壤吸热，全年循环达到可再生的目的［1，2］。地源热泵空调系统因具有高效节能、环境效益好、稳定性好、可靠性高、占地面积少等显著优点而越来越备受关注，其应用前景相当广阔［3，4］。目前，地源热泵竖直地埋管系统大多采用U型埋管换热器，其换热性能的好坏直接影响到热泵系统的运行效率和稳定性，许多专家学者对其进行试验和模拟研究［5～11］，但这些试验模拟研究均是在单孔基础上进行的；战国会对群孔长期换热建立了有限长体热源模型［12］，对群孔系统长期运行后的温度场进行模拟研究，但未对群孔换热性能进行探究；实际工程中，夏季室外温度变化使建筑总冷负荷变化，进而引起地源热泵系统地埋管侧供水温度改变，供水温度变化会对地下换热器的换热能力产生一定影响。

本文主要以地源热泵群孔竖直地埋管为研究对象，在群孔循环总流量恒定，供水温度不同条件下，分别对单、双U竖直埋管群孔换热性能进行试验研究，探究不同供水温度对群孔地埋管换热能力的影响，为工程设计提供参考依据。

2 试验系统

2.1 试验场地

本试验是对上海青浦某科学实验场内的3个双U支路和3个单U支路进行现场测试，每个支路均由8个换热孔，每个孔深均120 m，孔间距均为4.5 m×4.5 m，双U埋管材料为PE100DE25*2.3，单U埋管材料为PE100DE32*3.0，单、双U回填料均由膨润土、水泥、黄砂按照2∶2∶1比例配比而成，具体测试支路位置分布见图1。

图1 测试支路位置分布示意

2.2 测试设备

测试设备采用DRGS-48型地埋管地源热泵群孔换热性能测试仪，该测试仪采用PLC智能控制系统，既可以远程控制设备测试参数（进出口水温、压力、系统流量等），也可以通过触摸屏来设定测试参数，研发过程中经过多次调试、校验，最终使误差控制在2%以内。

地埋管地源热泵群孔换热性能测试仪的测试原理如图2所示。

图2 测试原理示意

将测试仪的水路循环部分与所要测试地埋换热管回路相连接，形成闭式环路，通过循环水泵驱动流体在整个回路中循环流动，夏季模拟热泵机组内冷凝器散发出的热量传递给流体，流经地下埋管回路与土壤进行换热，通过测得的换热功率来评估所测群孔的换热能力。

3 试验方案

在2016年8，9，10月份对青浦某科学实验场的6个支路分别进行测试，为了保证试验的准确性和客观性，测试过程中每个支路进行重复测试，并且取3个双U支路的平均值和3个单U支路的平均值作为最终数据进行处理。

每个支路的测试采用恒温法，即给定流量和供水温度，测试回水的温度和换热功率；试验测试有4组工况：供水温度分别为30，33，37和40 ℃，流量均为8 m3/h条件下连续测试24 h，对所测得的回水温度和换热功率进行对比分析。

4 试验结果及分析

试验过程中，所测支路的地埋管供、回水温度、流量、换热量的数据每10 s记录一次，连续运行24 h，剔除测试仪刚开始运行时的不稳定数据之后进行处理。

图3为单U埋管形式，循环流量均为8 m3/h，供水温度为30，33，37和40 ℃条件下4组工况的换热功率和回水温度的变化曲线。从图中可以看出，支路的流量和供水温度恒定时，其换热功率随着测试时间的延长而逐渐衰减，且刚开始时衰减较快，逐渐趋于稳定，因为刚开始测试的一段时间，地埋管周围土壤温度和设定供水温度的温差大，换热快。随着换热进行，地埋管周围土壤温度逐渐升高，温差变小，换热速率减小，此时，地埋管周围土壤温度略高于距地埋管稍远处土壤温度，进而把热量传递过去，使地埋管外壁和周围土壤的换热形成一个动态的平衡状态，如果连续几周或几个月换热量超过地埋管周围土壤的热承载力，就会引起该区域土壤温度升高，破坏土壤的生态环境，这也是地源热泵空调系统地下换热器设计时要根据全年周期，保证土壤换热处在动态热平衡状态的原因。

图3 单U埋管形式下，支路换热功率和回水温度的变化曲线

另外，不同供水温度下，换热功率和回水温度变化趋势一致；测试时间相同，供水温度越高，支路的换热功率越大。

图4为不同供水温度下，单、双U埋管换热功率对比曲线。从图中可以看出，随着换热时间延长，不同温度下，单、双U支路换热功率均呈现衰减趋势；对比图4（a）、（b）可以看出，同样供水温度下，由于DN25双U管比DN32单U管外表面积大，即埋管与周围土壤间的换热面积大，因此，在其他条件相同的情况下，双U比单U埋管形式换热功率大；另外，供水温度为30 ℃时，单、双换热功率差值相比33，37和40 ℃时偏小，是因为随着供水温度升高，埋管周围土壤的温度也升高，影响了埋管外壁与土壤间的换热系数，而双U管的换热面积大在相同时间内，其管壁周围土壤温度变化大导致其换热系数变化明显，进而影响换热功率较明显。

图4 不同供水温度下，单、双U埋管换热功率曲线

为了进一步定量分析不同运行工况下换热量随换热时间的增长而减小的大小，分别对单、双U埋管形式在不同运行工况下的换热功率随时间的变化曲线进行拟合。对图4中单、双U支路换热功率曲线进行拟合，拟合曲线与实测曲线十分吻合，且拟合公式为对数函数，表明地源热泵竖直地埋管与土壤间的换热规律呈对数函数形式变化。

根据拟合公式定量计算其换热功率随时间减小的百分量，换热功率减小百分量ηh定义为某一时刻的换热功率w0与上一时刻的换热功率w1之差占上一时刻的换热功率w1的百分比，其公式为：

根据图4中的拟合公式分别计算不同工况下换热9，10，11，12和20 h的ηh。图5所示为不同工况下换热功率随换热时间增长而减少的百分量柱状图，从图中可以看出，换热9 h时不同工况ηh大小不一样，但均在3.1%以内，换热12时后不同工况的ηh均在2.1%以内，换热20 h时不同工况的ηh均在0.9%以内，因此，测试20 h后换热功率的减小量可忽略，可认为此时的换热功率为该支路的实际换热能力值。

图5 不同工况下换热功率随运行时间增长而减少的百分比

表1为群孔循环流量为8 m3/h，换热20 h时不同工况下的换热功率值，该值可以为地源热泵地埋管换热系统的工程设计提供参考依据；另外，对表格中数据进行分析可得出，供水温度每增加1 ℃，单U换热功率平均增加2.47 kW，双U换热功率平均增加3.06 kW。

表1 流量8 m3/h换热20 h时不同工况下的换热功率值

5 结论

（1）当供水温度恒定时，其换热功率随着换热时间的延长而逐渐衰减，且刚开始时衰减较快，逐渐趋于稳定。

（2）不同供水温度下，单、双U埋管形式与土壤间的换热功率变化趋势一致，且呈对数函数形式变化。

（3）随着供水温度升高，双U比单U埋管形式换热功率大，且供水温度每增加1 ℃，单U换热功率平均增加2.47 kW，双U换热功率平均增加3.06 kW。

（4）连续换热20 h后的换热功率值可作为群孔实际换热能力值，该值可以为地源热泵地埋管系统的工程设计提供参考依据。

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