地源热泵地埋管换热器换热量的测试

                               傅允准

                   (上海工程技术大学机械工程学院,上海　201620)

    摘要：分析了在设计阶段和实际运行阶段地源热泵地埋管换热器换热量的测试原理、换热量计算方法,测试注意事项、系统误差控制方法,并且对实际工程运行阶段地源热泵地埋管换热器换热量进行测量、数据分析。最后,通过试验表明,地埋管换热器换热量的测试方法是正确可行的。

    关　键　词：地源热泵;地埋管换热器;换热量;测试

    中图分类号: TK526·2　　文献标识码: B　　文章编号: 1672-4550(2010)02-0033-03

    1　引　言

    近年来,由于地源热泵系统具有环保、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。地源热泵系统在推广应用过程中,设计阶段的土壤热响应测试和使用过程中地埋管换热器的换热能力测试都是非常重要的。在地源热泵系统中地埋管换热器的设计是重要的一个环节。而其关键在于获得准确的当地土壤取、放热特性。地埋管取放热特性目前主要依靠土壤热响应测试方式获取。由于地下情况多变,往往由多个地层组成,单纯的按照简化模型和经验公式计算往往误差过大,不能作为地源热泵系统的设计依据。只有在地源热泵规划施工场所当地进行的土壤热响应测试能够获得完整和准确的土壤数据。因此,为保证一个地源热泵系统准确的设计,土壤热响应测试是必不可少的前提步骤。另外,为了监测地源热泵是否正常运行,经常会对在地源热泵系统实际运行中的运行情况进行跟踪测量,而地埋管换热器换热能力和土壤温度变化情况是重要测试内容。

    2　地埋管换热器换热量实验原理

    地埋管换热器换热量测量主要包括设计阶段的地埋管换热器换热量测试和运行阶段的地埋管换热器换热量测试。设计阶段地埋管换热器换热量测试也称为土壤热响应测试。

    2·1　土壤热响应测试原理

    散热试验是模拟夏天的运行工况,空调运行中把从各房间抽取的热量通过地埋管换热器排向地下土壤。测量地埋管夏天的传热功能,根据热泵机组运行所对应的冷却水温度,制成一定温度的热水,通过循环泵驱动热水在埋设的PE管中以一定的速度流动,让PE管中的热水在流动过程中,把热量散发到土壤中去,经过一段时间,回水温度达到恒定(供回水温差达到恒定),即地埋管换热器放热量恒定。通过实验测得此放热量,然后除以井深,即可得单位井深的放热量q。放热量的计算公式如下:

    Q =ρcpG(tg-th) =q×L(1)

    式中:Q为地埋管放热量, kW;ρ取1 000 kg/m3;G为水流量, m3/s;L为井深, m;q为单位井深换热量, W /m。

    单位井深的放热量q如下:

    q =Q /L =ρcpG(tg-th) /L(2

    2·2　运行阶段地埋管换热器换热量测试原理

    实际工程中,以地源热泵为冷热源,末端设备可以采用新风机组和风机盘管或普通地板辐射采暖系统、毛细管辐射采暖系统等,如土壤换热器换热量系统测试原理如图1所示。实际运行中,对地埋管换热器换热量的检测是非常关键,地埋管换热器换热能力的变化直接决定地源热泵系统是否能正常运行的关键。地源热泵换热器换热量主要测量地埋管换热器进出水温差、流量参数。地埋管换热器进出水温采用Pt100测量、流量测量采用涡街流量计或电磁流量计。

                

    3　地埋管换热器换热量测试注意事项

    垂直换热管长度分别为50 m、60 m、90 m、150 m等,垂直换热管换热管段以上的垂直管段和水平管段均采用橡塑保温材料保温,防止热损失,减少试验的误差。设计阶段的换热器测试实验台位置放在靠近管井的位置以减少由于输送距离长而引起的误差。散热、吸热特性实验需要持续数小时以上,当管井内土壤换热器埋管与周围土壤达到热平衡,管内循环水进出温差稳定后,得到的数据作为测试结果。

    另外,不管是土壤热响应实验或运行中换热器性能测试,尽量采用数据采集器与电脑连接,可以进行长时间对地埋管换热器性能进行跟踪测量,而且便于获取大量数据处理和减少一些人为的误差,保证测试结果正确。

    4　地埋管换热器换热量测试误差控制

    在地源热泵系统的地埋管换热量测试中,要注意控制测量过程和测量仪器产生的误差。地源热泵的测试误差源包括:各系统设备精度误差、测量仪器标定误差、数据处理舍入误差,其中占主要作用的是设备精度误差。

    测试避免误差所采用如下措施:

    (1)温度传感器的选择在所有的温度传感器中,铂电阻传感器是线性最好、稳定性最好的传感器。温度传感器目前普遍采用A级PT100型铂电阻传感器,在试验之前和试验之后,还需对温度传感器的进行校正与标定。

    (2)流量的测量,目前主要采用电磁流量计。

    (3)连接管道的隔热保温从试验台到地埋管出口的这部分连接管道会构成一定的热损失。在系统试验台测试期间,采用橡塑保温材料,对连接管道进行隔热,减小环境对管内循环水的传热影响。

    5　实验数据处理和分析

    某实验室地源热泵系统土壤埋管有3口90 m井,对其运行阶段地埋管换热器换热量的进行测试。当地源热泵机组启动供热模式后,水源侧流量3·78 m3/h,地埋管换热器进出水温度和换热量变化情况如图2所示。

              

    分析图2,可以看出:当7 min后,地埋管换热器进出水温差和换热量比较稳定,后250 min后,由于机组负荷侧供水温度达到设定值,开始出现间断性起停,所以地埋管换热器进出水温差和地下埋管换热量出现较大的波动。整个过程中,地埋管换热器进出水温差3·4℃,最大换热量21 kW,最大单位井深换热量78W /m,平均单位井深换热量55W /m。

    6　结　论

    通过以上的分析,可以得出:通过土壤热响应实验,可以正确得出地埋管换热器换热量,为地源热泵的优化设计提供保证。而运行阶段地埋管换热器换热能力的跟踪监测,是地源热泵可靠、正常运行的关键。故测试过程中,尽量减少测试误差,保证测试结果正确。另外,通过试验表明,地埋管换热器换热量的测试方法是正确可行的。

    参考文献

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