地源热泵土壤换热能力实验测试技术的研究

地源热泵土壤换热能力实验测试技术的研究
王术静
摘要：介绍了某校测试地源热泵土壤换热能力的实验台。并以某次实验测试的部分数据为例，分析了连接管换热、实验时间对测试结果的影响。
关键词：地源热泵、实验台、测试技术
1、前言
地源热泵技术是当前最有效的供能技术之一。土壤温度比较稳定，是比地球表面的空气和地表水更适合的冷、热源。地源热泵在在我国正在兴起，并积累了一定的经验、数据，其应用前景一片光明。但我国地域广阔，气候、地质条件差异很大，而土壤换热数据具有很强的地域特征，因此，为了给地源热泵系统的设计提供数据支持，地埋换热器换热能力的实验测试必不可少。
2、实验装置介绍
2.1总体介绍
整个实验台呈长方体（2m×1.6m×1.4m），总重约400kg。测试时，只需将设备运至现场，连上待测井的PE管，接通水电即可测试，无需再次组装设备。
考虑到在地源热泵的实际运行中，地埋管换热器与土壤有排热和取热两种过程，因此实验台设计成能分别模拟这两种过程。实验台包含了如下设备：风冷热泵机组、恒温水箱、循环水泵、超声波热表、电加热器、温控器、压力表等。另外，配备了测试初始低温及监测土壤温度变化的温度巡检仪，最多可同时监测6个点的温度。
模拟夏季排热工况时，来自地埋管换热器的回水从水箱下部进口进入，而后被电加热器加热至所需温度后，从水箱上部出口流出进入地埋管供水侧。模拟冬季取热工况时，来自地埋管换热器的回水首先进入风冷热泵，被冷却后进入恒温水箱，而后排向地埋管换热器供水侧。风冷热泵的启停温度为设定温度t±1℃,仅通过风冷热泵不能确保供水温度的精度。
在地埋管换热器进出水管路上设有超声波热表，可以测出管路流量、供水温度、回水温度、功率以及累积热量等，从而获得测试中所需的数据值。
2.2 设备的选择
风冷热泵选用某品牌的风冷热泵机组。参数如下。
名义制冷量： 13.6 kW 名义压缩机输入功率：5.2 kW
风机输入功率：80 W 额定水流量： 2.5 m3/h
机组水阻力： 58 kPa
按照机组的最大水流量选取水泵。水量为3m3/h，根据水力计算取扬程23m水柱。
3、实验测试及分析
3.1 工程概况
笔者对天津某地源热泵项目土壤换热能力进行了测试。待测井井口直径135mm，深100m。埋管后回填，回填材料：下部原浆加膨润土，上部黄砂密实。地埋管（PE管￠32）自然下管，按单U型布管，并分别在40m、90m处装有PT100热敏电阻，用于测试初始地温。连接管总长22m，为与地埋管同质同径的PE管，管外保温，保温材料为20mm厚的橡塑保温套管。
3.2 测试数据分析
在试验过程中，记录地埋管的进出水温度、流量及功率等，每半小时采集数据一次。连续运行，待系统各项指标稳定后停机。测试模拟的工况及测试数据如图1～4所示。为简化说明，分别以A、B命名两工况，对应关系见表2。

两工况连续运行。从图中可以看出，测试初期回水温度Th1、换热量Q1急剧变化，后经一段时间的波动后逐渐趋于稳定。这并不说明换热器的换热能力在极短的时间内发生了很大变化，而是由于测试开始时，循环泵将恒温热水送入地埋管换热器，而管中原有低温水被排向恒温水箱。即此时的温差是供水温度Tg1与地埋管中原有水的温度Th1’之差，其反映的也不是地埋管换热器真实的换热能力，一次完整的换热尚未完成。这一过程将持续几分钟。
随后进行的B工况没有出现回水温度Th2、换热量Q2急剧变化的情况，也说明了上述说法的可靠性。
3.3 连接管换热对实验结果的影响
以上测得的换热量主要由地埋管换热与连接管换热两部分组成，因而需要计算连接管的换热量，及其对总换热量的影响。
连接管换热，是一个长圆筒传热模型。为简化计算，现做如下假设：假定连接管只与周围空气发生传热，橡塑保温材料与连接管道接触良好，没有接触热阻；在连接管的供、回水段中，水温分别恒定。根据假设，连接管的换热热阻主要有四个部分：连接管导热热阻R1、保温套管热阻R2、管内对流热阻R3、套管与空气对流热阻R4。

此次测试，实验台与待测井间连接管总长为22m，连接管换热量在测试值中占的比重很小。因而，在连接管长度较小时可忽略其换热对测试结果产生的影响。
3.4 测试时间对实验结果的影响
作为中央空调的地源热泵系统，其运行时间一般为2～3个月，覆盖整个供冷（暖）期。土壤换热的能力在长期运行中会有所降低，而将实验持续2～3个月是不现实的。因此需要确定合理的实验测试时间，使得实验结果可以真实地反映土壤的换热能力。
本文运用神经网络技术，分别以A、B工况的测试数据为训练样本，预测了两个工况分别运行2个月后土壤的换热能力。预测结果见表2。从预测结果可以看出，2个月后的土壤换热量与测试值的误差在±10%以内。可以认为实验时间是充裕的，试验结果可以代表土壤的换热能力。

表3中列出了A、B工况在不同实验时间的测试数据。从表3中可以看出，实验前期的数据与后期的相差很大，其中10点（5h）与35点数据的误差达22%，因而需要保证一定的实验时间。对于A工况，实验持续20点（10h）以后的测试结果与35点测试数据的相对误差在±10%以内。实验进行到20点以后，土壤换热能力的变化速度非常缓慢，可以以25点（12.5h）的数据代表最终的测试结果，实验所需时间进一步缩短。从B工况看，试验持续10点（5h）后数据的相对误差都在±5%以内，10点的数据即能代表测试结果，实验所需时间仅为A工况的50%左右。同类工况（同为排热或取热的工况）连续运行时，后一工况的测试时间可大幅缩短。
4、结语
笔者以某次地源热泵土壤换热能力实验测试为例，通过分析得出如下结论：
（1）连接管换热对实验结果的影响不大，在连接管较短时可忽略其换热影响。
（2）实验时间对测试结果的影响很大，通过比较认为必须确保一定的实验时间，并初步认为，对于排热工况需保证10h左右的实验时间。
（3）对于连续运行的同类工况，后一工况的实验时间可缩短50%左右。
参考文献：
1.Yavuzurk,C. and J.D.Spitle. A short time step factor model for vertical ground loop heat exchangers[J]. ASHRAE Transactions. 1999.105(2). 475-485
作者简介：
王术静（1982-05），女，天津人，天津市诚信招标有限公司助理工程师，所学专业：建筑环境与设备工程，研究方向：通风空调制冷、采暖，天津，300201. 天津市河西区友谊路19号地震局院内老楼5-6层