地源熱泵地埋管換熱器換熱量的測試

                               傅允準(zhǔn)

                   (上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上?！?01620)

    摘要：分析了在設(shè)計(jì)階段和實(shí)際運(yùn)行階段地源熱泵地埋管換熱器換熱量的測試原理、換熱量計(jì)算方法,測試注意事項(xiàng)、系統(tǒng)誤差控制方法,并且對實(shí)際工程運(yùn)行階段地源熱泵地埋管換熱器換熱量進(jìn)行測量、數(shù)據(jù)分析。最后,通過試驗(yàn)表明,地埋管換熱器換熱量的測試方法是正確可行的。

    關(guān)　鍵　詞：地源熱泵;地埋管換熱器;換熱量;測試

    中圖分類號: TK526·2　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B　　文章編號: 1672-4550(2010)02-0033-03

    1　引　言

    近年來,由于地源熱泵系統(tǒng)具有環(huán)保、高效節(jié)能的特點(diǎn),在政府及相關(guān)部門的鼓勵與支持下,地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)入了發(fā)展熱潮。地源熱泵系統(tǒng)在推廣應(yīng)用過程中,設(shè)計(jì)階段的土壤熱響應(yīng)測試和使用過程中地埋管換熱器的換熱能力測試都是非常重要的。在地源熱泵系統(tǒng)中地埋管換熱器的設(shè)計(jì)是重要的一個環(huán)節(jié)。而其關(guān)鍵在于獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)赝寥廊?、放熱特性。地埋管取放熱特性目前主要依靠土壤熱響?yīng)測試方式獲取。由于地下情況多變,往往由多個地層組成,單純的按照簡化模型和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算往往誤差過大,不能作為地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)。只有在地源熱泵規(guī)劃施工場所當(dāng)?shù)剡M(jìn)行的土壤熱響應(yīng)測試能夠獲得完整和準(zhǔn)確的土壤數(shù)據(jù)。因此,為保證一個地源熱泵系統(tǒng)準(zhǔn)確的設(shè)計(jì),土壤熱響應(yīng)測試是必不可少的前提步驟。另外,為了監(jiān)測地源熱泵是否正常運(yùn)行,經(jīng)常會對在地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的運(yùn)行情況進(jìn)行跟蹤測量,而地埋管換熱器換熱能力和土壤溫度變化情況是重要測試內(nèi)容。

    2　地埋管換熱器換熱量實(shí)驗(yàn)原理

    地埋管換熱器換熱量測量主要包括設(shè)計(jì)階段的地埋管換熱器換熱量測試和運(yùn)行階段的地埋管換熱器換熱量測試。設(shè)計(jì)階段地埋管換熱器換熱量測試也稱為土壤熱響應(yīng)測試。

    2·1　土壤熱響應(yīng)測試原理

    散熱試驗(yàn)是模擬夏天的運(yùn)行工況,空調(diào)運(yùn)行中把從各房間抽取的熱量通過地埋管換熱器排向地下土壤。測量地埋管夏天的傳熱功能,根據(jù)熱泵機(jī)組運(yùn)行所對應(yīng)的冷卻水溫度,制成一定溫度的熱水,通過循環(huán)泵驅(qū)動熱水在埋設(shè)的PE管中以一定的速度流動,讓PE管中的熱水在流動過程中,把熱量散發(fā)到土壤中去,經(jīng)過一段時(shí)間,回水溫度達(dá)到恒定(供回水溫差達(dá)到恒定),即地埋管換熱器放熱量恒定。通過實(shí)驗(yàn)測得此放熱量,然后除以井深,即可得單位井深的放熱量q。放熱量的計(jì)算公式如下:

    Q =ρcpG(tg-th) =q×L(1)

    式中:Q為地埋管放熱量, kW;ρ取1 000 kg/m3;G為水流量, m3/s;L為井深, m;q為單位井深換熱量, W /m。

    單位井深的放熱量q如下:

    q =Q /L =ρcpG(tg-th) /L(2

    2·2　運(yùn)行階段地埋管換熱器換熱量測試原理

    實(shí)際工程中,以地源熱泵為冷熱源,末端設(shè)備可以采用新風(fēng)機(jī)組和風(fēng)機(jī)盤管或普通地板輻射采暖系統(tǒng)、毛細(xì)管輻射采暖系統(tǒng)等,如土壤換熱器換熱量系統(tǒng)測試原理如圖1所示。實(shí)際運(yùn)行中,對地埋管換熱器換熱量的檢測是非常關(guān)鍵,地埋管換熱器換熱能力的變化直接決定地源熱泵系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行的關(guān)鍵。地源熱泵換熱器換熱量主要測量地埋管換熱器進(jìn)出水溫差、流量參數(shù)。地埋管換熱器進(jìn)出水溫采用Pt100測量、流量測量采用渦街流量計(jì)或電磁流量計(jì)。

                

    3　地埋管換熱器換熱量測試注意事項(xiàng)

    垂直換熱管長度分別為50 m、60 m、90 m、150 m等,垂直換熱管換熱管段以上的垂直管段和水平管段均采用橡塑保溫材料保溫,防止熱損失,減少試驗(yàn)的誤差。設(shè)計(jì)階段的換熱器測試實(shí)驗(yàn)臺位置放在靠近管井的位置以減少由于輸送距離長而引起的誤差。散熱、吸熱特性實(shí)驗(yàn)需要持續(xù)數(shù)小時(shí)以上,當(dāng)管井內(nèi)土壤換熱器埋管與周圍土壤達(dá)到熱平衡,管內(nèi)循環(huán)水進(jìn)出溫差穩(wěn)定后,得到的數(shù)據(jù)作為測試結(jié)果。

    另外,不管是土壤熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)或運(yùn)行中換熱器性能測試,盡量采用數(shù)據(jù)采集器與電腦連接,可以進(jìn)行長時(shí)間對地埋管換熱器性能進(jìn)行跟蹤測量,而且便于獲取大量數(shù)據(jù)處理和減少一些人為的誤差,保證測試結(jié)果正確。

    4　地埋管換熱器換熱量測試誤差控制

    在地源熱泵系統(tǒng)的地埋管換熱量測試中,要注意控制測量過程和測量儀器產(chǎn)生的誤差。地源熱泵的測試誤差源包括:各系統(tǒng)設(shè)備精度誤差、測量儀器標(biāo)定誤差、數(shù)據(jù)處理舍入誤差,其中占主要作用的是設(shè)備精度誤差。

    測試避免誤差所采用如下措施:

    (1)溫度傳感器的選擇在所有的溫度傳感器中,鉑電阻傳感器是線性最好、穩(wěn)定性最好的傳感器。溫度傳感器目前普遍采用A級PT100型鉑電阻傳感器,在試驗(yàn)之前和試驗(yàn)之后,還需對溫度傳感器的進(jìn)行校正與標(biāo)定。

    (2)流量的測量,目前主要采用電磁流量計(jì)。

    (3)連接管道的隔熱保溫從試驗(yàn)臺到地埋管出口的這部分連接管道會構(gòu)成一定的熱損失。在系統(tǒng)試驗(yàn)臺測試期間,采用橡塑保溫材料,對連接管道進(jìn)行隔熱,減小環(huán)境對管內(nèi)循環(huán)水的傳熱影響。

    5　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析

    某實(shí)驗(yàn)室地源熱泵系統(tǒng)土壤埋管有3口90 m井,對其運(yùn)行階段地埋管換熱器換熱量的進(jìn)行測試。當(dāng)?shù)卦礋岜脵C(jī)組啟動供熱模式后,水源側(cè)流量3·78 m3/h,地埋管換熱器進(jìn)出水溫度和換熱量變化情況如圖2所示。

              

    分析圖2,可以看出:當(dāng)7 min后,地埋管換熱器進(jìn)出水溫差和換熱量比較穩(wěn)定,后250 min后,由于機(jī)組負(fù)荷側(cè)供水溫度達(dá)到設(shè)定值,開始出現(xiàn)間斷性起停,所以地埋管換熱器進(jìn)出水溫差和地下埋管換熱量出現(xiàn)較大的波動。整個過程中,地埋管換熱器進(jìn)出水溫差3·4℃,最大換熱量21 kW,最大單位井深換熱量78W /m,平均單位井深換熱量55W /m。

    6　結(jié)　論

    通過以上的分析,可以得出:通過土壤熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn),可以正確得出地埋管換熱器換熱量,為地源熱泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供保證。而運(yùn)行階段地埋管換熱器換熱能力的跟蹤監(jiān)測,是地源熱泵可靠、正常運(yùn)行的關(guān)鍵。故測試過程中,盡量減少測試誤差,保證測試結(jié)果正確。另外,通過試驗(yàn)表明,地埋管換熱器換熱量的測試方法是正確可行的。

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