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1、第20卷增刊一1建筑科学V0120，Supplememt 12004年8月BUILDING SCIENCE Aug2004文章编号】10028528(2004)增刊1020306地源热泵运行特 性的影响因 素研究N、IU王景刚，孙建平(河北工程学院)摘要本文利用所建的地源热泵模拟模型对R22地源热泵系统的运行特性的模拟结果进行了分析，探讨了影响地源 热泵运行特性的主要因素，并对不同土壤类型、不同回填材料、不同运行方式的地源热泵运行特性进行了模拟分析对比。研究 表明，土壤特性对地源热泵的运行特性有重要的影响，回填材料也在一定程度上，制约着地源热泵的运行特性；适当增加埋管长 度，或者采用复合地源热
2、泵的系统形式，将有效改善地源热泵系统的循环性能。关键词地源热泵；运行特性；影响因素中图分类号TU833+3文献标识码B制约着地源热泵的运行特性。1前言本文利用所建立的基于圆柱源理论的地源热泵与传统的空调冷热源相比，地源热泵在运行能 运行特性模拟模型心1对R22地源热泵系统的全年 耗和环境特性等方面具有更大的优越性。虽然受地 运行模拟结果进行了分析，探讨了不同土壤类型、不 下埋管内流体与土壤之间热交换速率的影响，需要 同回填材料、不同运行方式对地源热泵运行特性的 布置较大的换热器面积和较高的投资成本，但地下 影响，以期对我国的地源热泵的推广应用能有所裨 土壤依然是一种较为理想的热泵低温热源和高温
3、热 益。汇。地源热泵冬季和夏季运行特性实验表明，即使2 R22地源热泵的运行特性模拟作为尚须进一步优化的实验系统本身也可取得较理想的结果，地源热泵作为一种空调冷热源方式，无论以河北工程学院地源热泵实验系统为模拟分析 在环境方面还是在运行能耗方面，都具有很大的发 对象。地下埋管系统设有两眼埋管井，钻孔直径为 展潜力。然而，就目前的现状而言，地源热泵还没 150mm，钻孔深度120m，埋管换热器以水为循环介 有获得和空气源热泵一样的广泛应用，其原因，一方 质，采用高密度聚乙烯塑料管(HDPE)U型埋管换热 面可归结为地源热泵较高的投资成本和需要一定的器，直径为25mm。热泵机组采用全封闭涡旋式压缩
4、 场地要求，但可能更重要的原因是，迄今为止，还缺 机，制冷剂为R22，压缩机的理论输气量为210 乏一种可靠的地源热泵设计方法和模拟模型。 m3h，ARI额定工况下的制冷量218kW，输入功率 国内最近几年在地源热泵研究方面，主要是对为654kW，电机转速为2900转分。蒸发器、冷凝 特定的地源热泵试验系统的结果整理与分析，所得 器均采用板式换热器，换热面积均为35m2 0模拟 到的结论一般只适合于特定条件下的地源热泵系分析时，设定当地的供暖期为每年的11月15日至 统。地源热泵的理论与实验研究结果表明，地源热 第二年的3月15日，空调期为每年的6月1日一9泵系统的运行特性依赖于热泵机组性能和
5、埋管换热月30日。 器陛能之间的相互耦合关系。热泵机组容量大小、全年运行特性的模拟结果见表1，热泵冬季和夏 埋管长度、埋管井分布、和土壤特性等因素都影响和季的启动工况性能见图l和图2。建筑科学 第20卷 表l P,22地源热泵系统全年运行模拟结果冬季工况夏季工况 平均每米管长吸热量度(Wm)2594 平均每米管长排热量(Wm)4956 平均每米管长供热量 (Wm) 3829 平均每米管制冷量 (Wm) 3587平均制热系数COPh310 平均制冷系数COP 262 埋管平均出水温度() 228 坦管平均出水温度() 4228 埋管换热器平均进水温度() 013 埋管换热器平均进水温度()465
6、7全年运行总能耗：36470kWh图1 R22热泵冬季启动工况图2 1t22热泵夏季启动工况通过对R22地源热泵系统运行特性的模拟，可 温度为210、进水温度已达到00C、制热系数为3 以得出以下结论：09；夏季运行时，最后一时刻的埋管换热器出水温度 (1)地源热泵系统在冬季和夏季运行时，热泵启为4270、进水温度为4680、制冷系数为260。 动初期，埋管井壁温度、埋管换热器出水温度、热泵 (4)之所以出现上述特性，是因为埋管内循环流 循环性能系数呈现出较快的变化趋势，运行约200 体与土壤之间的热量交换主要是通过导热方式进行 小时后，热泵工况趋于稳定，这一结果与实验结果相 的。在土壤特性一
7、定的情况下，为与热泵机组的吸 吻合。热量或排热量相匹配，必然要求埋管内循环流体与 (2)地源热泵经过一个冬季或者夏季运行后，在土壤之间应具有一定的传热温差，因而导致热泵机 热泵停运的过渡季节，埋管井壁土壤温度可恢复到组冬季在较低的蒸发温度下运行，夏季则在较高的原始温度的水平。由于这一特性，在地源热泵的长冷凝温度下运行。期使用过程中，其循环特性并不会产生和初期使用3不同土壤和不同回填材料地源热泵模拟时的显著差别。结果(3)实验研究已表明，由于埋管井土壤温度变化特性的影响，导致地源热泵冬季运行时，埋管换热器 31不同土壤地源热泵系统模拟 出水温度较低，而夏季埋管换热器出水温度则较高本文所研究的地源
8、热泵实验系统，现场土壤属 的现象。地源热泵的模拟结果同样证明了这一结于重饱和潮湿性土壤，土壤的导热系数Ks=240 论。如冬季运行时，最后一时刻的埋管换热器出水 Wmk，土壤扩散系数仪=0003252m2h，前节的模增刊一1 王景刚，等：地源热泵运行特性的影响因素研究205拟结果即是在上述土壤特性条件下进行的。现考虑 器进出水温度都有较大程度的降低；夏季排热量、制 一重土潮湿性土壤，根据文献3，该类型土壤的导 冷量降低，埋管换热器进出水温度和热泵输人功率 热系数Ks=130Wmk，土壤扩散系数d= 有较大程度的升高，循环性能系数降低。00023m2h，冬季和夏季的启动工况模拟结果对比 从全年的
9、运行的角度看，土壤导热系数降低，在 见图3和图4，土壤导热系数K。=130Wmk时的 供热量和制冷量都降低的情况下，压缩机运行的总 冬季制热系数COPh和夏季循环性能系数COP分别 能耗增大。因此，总体来看，土壤导热系数大，有利 为282和187。 于地源热泵的安全运行和节能效果的提高。地源热 不同土壤的运行模拟结果表明，土壤特性对地 泵应用于不同地区时，应根据当地土壤特性，确定出 源热泵的运行性能有较大的影响，土壤导热系数降适宜的热泵机组容量和埋管换热器长度的匹配低以后，冬季吸热量、供热量、制热系数和埋管换热 关系。不同土壤冬季启动：r：况性能不同土壤夏季启动工况性能图3冬季启动工况性能对比
10、图4夏季启动工况性能对比32不同回填材料地源热泵系统模拟结果 热系数k。=291kWmk冬季制热系数COPh和夏 在埋管井中充填不同的回填材料，对地下埋管 季循环性能系数COP分别为312和269。换热器传热特性和地源热泵运行特性也有着不同程 不同回填材料的模拟研究结果表明，采用导热 度的影响。本文的地源热泵实验系统采用细砂和粘系数高的回填材料，冬季热泵运行时，埋管换热器进 土混合物作为回填材料，在土壤类型上也属于种重 水温度和出水温度都有所升高，吸热量和供热量增 饱和潮湿性土壤，导热系数k。=240kWmk。国外 加，热泵制热系数增大；夏季埋管换热器进水温度和 地源热泵的埋管井回填，通常采用
11、灌浆的方法，一般 出水温度降低，埋管换热器排热量、热泵制冷量增加， 采用水泥为基料的灌浆或以膨润土为基料的灌浆。热泵压缩机输入功率降低，热泵循环性能系数提高。 为考察回填材料对地源热泵运行特性的影响，在土 因此，总体来看，回填材料导热系数高，对热泵 壤特性等条件相同时，现以文献4中给出的增强型 的运行性能在冬季和夏季都有一定的程度的改善， 膨润土和砂浆混合物的灌浆材料(q=291 kWm 回填材料导热系数越大，其性能改善的程度也越大。k)进行地源热泵运行模拟，冬季和夏季不同回填材 此外，采用水泥基料的灌浆，也可有效防止污染物从料的启动工况性能比较见图5和图6。回填材料导 地面向下渗漏，并能防止
12、各含水层之间水的移动。建筑科学 第20卷图5冬季启动工程性能对比图6夏季启动工况性能对比有利于地下水资源的保护。灌浆材料的选择和灌浆 行能耗的比较结果见表3。 方法的研究，应是我国目前推广地源热泵技术的一运行能耗比较的结果表明，土壤特性对地源热 个值得研究的课题。泵全年运行能耗有着重要的影响，条件1与标准条33不同土壤特性和回填材料的热泵运行能耗比较 件相比，导热系数降低了458，全年运行能耗增加 根据模拟结果，在满足相同供热量和制冷了258。因此，对于不同地区，针对不同的土壤物 量条件下，采用相同的热泵机组型式和埋管换热器 性参数，在地源热泵运行模拟的基础上，确定合理的 长度，对不同土壤、不
13、同回填材料的热泵运行能耗进 热泵机组容量与埋管换热器长度之间的关系，是实行比较，比较的土壤和回填材料物性参数见表2，运 现地源热泵系统运行节能的前提。表2土壤和回填材料物性蚝土壤扩散系数 土壤比热 K比较类型 土壤材料 回填材料(Wmk)(m2h)(kJkg)(Wmk)标准 重饱和潮湿土壤 240 O003252 084 细砂和饱和粘土 240 条件1 重土壤潮湿 130 00023 096 细砂和饱和粘土 240 条件2 轻土壤潮湿 086 O0019 105 细砂和饱和粘土 240 条件3 重饱和潮湿土壤 240 0003252 084 膨润土一砂浆 291 条件4 重饱和潮湿土壤 240
14、 O003252 084 重砂浆 333注：土壤物性数据来源见文献3，回填材料物性数据来源见文献4、5；条件1、条件2为不同土壤类型，条件3、条件4为不同回填材料 类型。增刊一1王景刚，等：地源热泵运行特性的影响因素研究 表3不阿土壤和回填材料地源热泵运行能耗比较比较类型冬攀制热系数夏季制冷系数 全年运行能耗(kWh) 能耗比值()标准 310 262 36470 100条件1 282 187 45881 12580条件2 258 13458303 15987条件3 312 26935844 9828条件4 314 273 35461 9723耗对比见表4、冬季和夏季的模拟结果对比见图7和4不
15、同埋管长度和不同负荷比例地源热泵图8。模拟结果 模拟结果表明，当埋管换热器长度增加后，冬季 埋管吸热量、热泵供热量、埋管进出水温度和制热系4、1不同埋管长度地源热泵系统模拟结果数都有较大程度提高；夏季埋管进出水温度降低、埋 运行特性的理论分析已经表明，适当增加埋管管排热量和热泵制冷量、热泵制冷系数也有较大程 换热器长度、降低单位埋管换热器长度换热量，可进度的提高。全年运行能耗的比较也说明，当埋管长 一步提高地源热泵的运行节能效果。对应着本文研度增加了25后，运行能耗降低了967。不同埋 究的地源热泵实验系统的埋管换热器长度480m(2管换热器长度的地源热泵运行特性的模拟结果说 眼埋管井，井深1
16、20m)，现考虑一埋管换热器系统，明，在地源热泵系统设计和方案规划时，应综合考虑当埋管换热器长度增加到600m(3眼埋管井，井深系统初投资和运行费用的大小，合理确定埋管长度。lOOm)时，满足同样供热量和制冷量的全年运行能运行时f町运行时间 图7冬季启动工况性对比 图8夏季启动工况性能对比 不同负荷比例热莱冬事启动r况fi-M 不商负荷比例热泵I摹扈动工况性精远行时阍图9冬季启动1：况性能对比建友科学 第20卷裹4不同埋管长度全年运行能耗比较埋管长度m冬季制热系数 夏季制冷系数 全年运行能耗kWh能耗比值480310 262 36470 loo600 32430632945 903342不同机
17、组容量比例地源热泵系统模拟结果性能和埋管换热器性能的影响，热泵机组容量、土壤 在冬季和夏季冷热负荷相差较大的地区，或者和回填材料特性、埋管长度和地源热泵的运行方式 在较干燥土壤的地区，采用复合地源热泵系统形式， 都影响和制约着地源热泵系统的运行特性。其中，可有效提高地源热泵系统的能效。为了对这一问题 土壤特性对地源热泵的运行特性有重要的影响。 做出说明，考虑一复合地源热泵系统，热泵机组容量 (2)适当增加埋管长度，或者采用复合地源热泵 确定为峰值负荷的80，20的尖峰负荷由辅助设 的系统形式，将有效改善地源热泵系统的循环性能。 备承担。在这一前提下，地源热泵系统(不包括辅助 埋管长度、辅助设备
18、容量，应在地源热泵运行模拟分 冷却和加热设备)冬季和夏季的热泵启动工况模拟 析的基础上，综合考虑场地面积、初投资和运行费用 结果对比见图9和图10，复合地源热泵的冬季制热加以确定。 系数和夏季循环性能系数分别为327和316。 (3)需要特别指出的是，由于土壤作为热源和热对比模拟结果，可以发现，当增加辅助冷却和加 汇的特点，地源热泵的运行节能效果，很大程度上取 热设备、降低热泵机组装机容量后，冬季，埋管进出 决于钻孔的合理间距和埋管换热器的长度。地源热 水温度和制热系数有较大提高；夏季，埋管进出水温 泵技术在不同地区的推广和应用，必须建立在经过 度则有较大程度的降低，循环性能系数有较大程度 有
19、效性和可靠性验证的地源热泵模拟基础之上。的提高。与增加埋管长度的方式相比，容量降低参考文献】20的地源热泵系统，其单位管长的换热量、循环性能系数都要高于埋管长度增加25的地源热泵 1王景刚自然工质热泵循环和地源热泵运行特性研究D博系统。士论文天津：天津大学，20032王景刚，马一太，张子平地源热泵的运行特性模拟研究J-T当增加埋管长度受到场地面积限制的情况下，程热物理学报，2003，24(3)：361366为改善地源热泵的性能，采用复合地源热泵的方式，3谢汝镛地源热泵系统的设计见：殷平主编，现代空调(3)就成了唯一的选择。当然，对于复合地源热泵系统， M北京：中国建筑工业出版社，2001：33
20、73要增加辅助设备的投资，在总的运行能耗分析中，还 4Zhang Q，Murphy W EMeasurement of thermal conductivity for 应同时考虑辅助设备的运行能耗。复合地源热泵系three borehole衄materials used for GSHPJASHRAE Transac- 统各部分承担的负荷比例，应根据具体情况，通过运 ti晶，2000。106(2)：434441 行模拟和能耗分析加以确定。5I【8vanaug,h S P，Au肌M LTesting of thermally enhanced cementground heat exchanger groutsJASHER Trans，1999，105(1)：5结论44645】(1)地源热泵系统的运行特性受地面热泵机组
