地源热泵冬季供暖测试及传热模型3重庆建筑大学　魏唐棣☆　胡鸣明　丁　勇　刘宪英提要　概述了国外地源热泵的发展情况,报告了在所建设的15kW浅埋竖管换热器地源热泵试验装置上做的冬季供暖效果测试,建立了地下浅埋套管式换热器的传热模型。

关键词　地源热泵　地下浅埋套管式换热器　冬季供暖　传热模型M e a s ure m e nt a n d h e a t tr a nsf e r m o d e lli n g of a s h a ll o wb uri e d gr o u n d s o urc e h e a t p u m p i n wi nt e r h e a ti n g o p e r a ti o nBy Wei T angdi★,H u M ingming,Ding Y ong and Liu X ianyingAbs t r a c t　Out li ne s d e ve l op me n t of GS HP(g r ound s our c e he a t p ump)a b r o a d,r e p o r t s t he me a s ur e me n t d one t o a15kW GS HP wi t h s ha ll ow buri e d ve r t i c a l t ub e he a t e xc ha ng e r s i n he a t i ng op e r a t i on mo d e,a nd e s t a bli s he s a he a t t r a ns f e r mo d e l.Ke yw o r ds　g r ound s our c e he a t p ump,s ha ll ow buri e d t he rma l w e ll t yp e und e r g r ound e xc ha ng e r,he a t i ng i n wi n t e r,he a t t r a ns f e r mo d e l★Chongqing Jianzhu University,China①1　概述地源热泵是以大地为热源对建筑进行空调的技术。

冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖,同时蓄存冷量,以备夏用;夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温,同时蓄存热量,以备冬用。

夏热冬冷地区供冷和供暖天数大致相当,冷暖负荷基本相同,用同一系统,可以充分发挥地下蓄能的作用。

地下蓄能系统的埋管可环绕建筑布置;可布置在花园、草坪、农田下面或湖泊、水池内;可布置在土壤、岩石或地下水层内;也可在混凝土桩基内埋管。

不必远距离输送,不必大面积开挖,也不占用地面,实是一种节能、对环境无害的绿色空调设备,符合可持续发展的要求。

“地源热泵”(GSHP)的名称最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中,20世纪50年代欧洲出现了利用地源热泵的第一次高潮。

在此期间,Ingersoll和Plass根据K elvin 线源概念提出了地下埋管换热器的线热源理论,但当时由于能源价格低,系统造价高,未得到广泛应用。

70年代,石油危机把人们的注意力集中到节能、高效益用能,使地源热泵的发展进入了又一次高潮,此时地下埋管已由早期的金属管改为塑料管。

这个时期欧洲建立了不少水平埋管换热器的地源热泵,但主要用于冬季供暖。

80年代初开始,美国、加拿大开展了冷暖联供地源热泵方面的研究工作,不少文献报道了地源热泵不同形式地下埋管换热器的传热过程及模型,并有部分工程的运行总结和性能比较。

到目前为止,“地源热泵”的命名尚不统一,国外文献[1]称“地源热泵”(GSHP),文献[2]称“地耦合式热泵”(GCHP),文献[3]称“土壤—水热泵”;国内文献[4,5]称　3本文属国家自然科学基金资助项目,批准号为59778007“土壤热源热泵”,“土壤热泵”,“土地热源热泵”,“大地耦合式热泵”等;1997年建设部下发的《住宅产业现代化试点技术发展要点》中称作地热源热泵。

考虑到“热泵”的科学含义一个重要内容是“热源”,地源热泵突出了“热源”,而且简单顺口,笔者采用“地源热泵”这一名称。

笔者查阅了美国、加拿大80年代中期到90年代中期建成的冷暖联供的数十个地源热泵的工程实例[6,7],大多数采用的是U形竖埋管换热器,按其埋管深度可分为浅层(<30m),中层(30～100m)和深层(>100m)三种,埋管深,地下岩土温度比较稳定,传热模型比较简单,钻孔占地面积较少,但相应会带来钻孔、钻孔设备的经费和高承压PVC管的造价增加。

根据笔者的实践比较,埋深10～15m 的竖管要比埋深80～100m造价低60%～80%。

国外在中、深层埋管换热器传热模型及工程实例方面的文献报道较多,但浅层埋管方面文献报道甚少,本文研究主要集中在浅层埋管换热器地源热泵的试验及传热模型的建立。

2　试验装置及测试仪表根据竖埋单管试验结果[8],套管式换热器比U形管换热器传热效率高20%～25%,故试验装置采用了埋深10m 的套管式换热器5排15根埋管,错排布置,间距1.5m,孔洞与套管之间的缝隙用钻孔回收的岩浆回填。

为了研究水平埋管换热器和冷暖地板的性能,还安装了3m×4m,深2 m和1m的两层水平蛇形管,室内地板下埋设了冷暖地板蛇形换热盘管。

地下埋管换热器按总换热量15kW设计,・21・专题研讨 2000年第30卷第1期 ①☆魏唐棣,男,1963年2月生,讲师,在读博士研究生400045重庆市沙坪坝区重庆建筑大学城建学院(023)65121806收稿日期:1999-08-31所有埋管均采用普通PVC 管,壁厚2mm ,采用塑料焊接和丝扣两种连接方法,套管直径DN 50～90mm ,水路系统管径DN 15～25mm ,进入套管的水流向可以改变。

该试验装置地面安装了两台自行改装的水—空气热泵空调器,分别设置在26m 2和52m 2的房间内。

水侧换热器一台为钎焊板式换热器,一台为套管式换热器。

2台水泵为ISG 15-80型,流量0.5～2m 3/h ,扬程8～20m ,电机功率为0.18kW 。

为满足不同试验工况要求,管路系统均用阀门控制,两台空调器可单独运行,可并联运行;可单排管运行,可几排管同时运行,亦可水平管单独运行。

试验装置的平面布置及埋地套管形式如图1a ,b 所示。

图1　地源热泵试验装置平面图1压力表　2水泵　3放气阀　4转子流量计　5套管式换热器　6板式换热器　7管帽　8套管　9热电偶测点系统流量测试采用经容积法严格标定的1级精度的转子流量计;空调器瞬时耗电量用0.5级精度的D26—Ⅱ型功率表,累计耗电量用经电力局严格标定的精密电表测量;空调器运行时间用与空调器连锁的同步电钟计时。

在地下埋管的进、出水总管,部分套管的进、出水支管,套管深3m ,6m ,9m 处以及室内、外均设有测温点;为了观察套管内的热短路现象,在套管内的进(出)水管深0.5m ,9.5m 处也设有测温点,整个试验装置共有70余个温度测试点。

温度测试采用铜—康铜热电偶,二次仪表用精度0.2%的WP —L80型带打印的多路巡回测量显示控制仪,在使用前用高精度电位差计逐点进行了校验。

为了观察热泵空调器的运行情况,压缩机吸、排气管上安装了压力真空表。

3　冬季供暖运行效果测试试验装置1998年8月建成,9月投入使用,12月3日至1999年3月3日进行冬季供暖运行,在运行中对26m 2的A 室系统进行了全面测试。

测试工况包括单排管、多排管运行,定水量、变水量运行,空调器连续和间歇运行等内容。

图2是1999年2月6日至2月24日19天第Ⅱ排管单独运行,热泵空调器间歇工作,各参数的变化曲线,图中各温度值均为每天逐时的平均值。

由图2得到:①Ⅱ号排管连续运行19天供暖期间,室内温度在17～22℃之间,平均温度19.39℃。

地下埋管日平均吸热量<0=17.45kWh ;日平均耗电量P in =8.032kWh ;室内热泵空调器供热量<h =<0+P in =25.482kWh ;热泵性能系数CO P =(25.482/8.032=)3.17kW/kW ,较国家规定的家用分体风冷热泵空调器CO P =2.5的指标高27.2%;②根据实测值可以算出单位时间、单位埋管深度换热量q =(17450/(7.58×10×3)=)76.74W/m ,平均传热系数[8]K =(76.74/[18-(12.13+7.11)/2]=)9.16图2　19天供暖运行参数变化曲线图　注:热泵空调器全天24h 间歇运行,日平均运行时间7h 34min 44s (7.58h ),平均日耗电量8.032kWh ,水量395L/h 。

W/(m ・℃);③热泵运行2～3天后,地下岩土温度趋于稳定,距埋管1.5m ,3.0m 远处的岩土温度变化很小,表明间歇运行地下埋管换热器影响距离在1.5m 左右。

4　传热模型4.1　大地初始温度确定在传热模型计算中,需要大地初始温度t s ,由于浅埋t s受地表面温度影响较大,模型采用Kusuda 分析方程计算地温。

即根据中央气象局《中国地温》提供的各城市地表面平均温度t m 、年地表面温度波幅θd 和当地土壤热工性能,计算出各月、各深度Y 处的地温值,经与重庆、上海的实测值比较,其偏差在±0.40℃左右。

为此,笔者认为:为便于推广地源热泵和减少实测工作量,对于浅埋管可以取实际埋管深度地温的计算平均值作为设计依据。

冬季1月份供暖负荷最大,夏季7月份供冷负荷最大,地源热泵设计和计算,冬季取1月份地温平均值,夏季取7月份地温平均值。

重庆地区,地层为沙岩,埋深10m ,冬季大地初始温度为18℃,夏季为21℃。

4.2　传热模型参照V.C.Mei 地下竖埋管换热理论[10],在能量守恒基础上,由系统能量平衡结合热传导方程,对地下套管式换热器建立传热模型。

该模型假设为:①岩土是均匀的;②埋管内同一截面流体温度、速度相同;③岩土热物理参数不变;④不考虑热湿迁移影响;⑤忽略套管与岩土的接触热阻。

在这些假设的基础上,热泵为间歇运行,可以对各截面(见图3)的径向传热建立方程,通过截面推移得到温度场・31・ 暖通空调HV &AC 专题研讨图3　竖埋套管式换热器断面图分布。

4.2.1　热泵运行热泵运行时,管内流体从内管进入,外腔流出(参见图1bA -A 剖面),与内外管壁发生对流换热。

进入内管的流体与内管内壁的传热:-v 19T f19z +2λ1ρf c p f r 1・9T 19rr =r1=9T f19t (r ≤r 1,0≤z )(1) 内管管壁的导热92T 19r2+1r ・9T 19r =1a 1・9T 19t (r 1≤r ≤r 2,0≤z )(2) 环腔内流体与套管管壁的传热:v 29T f29z -2r 2λ1(r 23-r 22)ρf c p f ・9T 19r r =r 2+2r 3λ2(r 23-r 22)ρf c p f・9T 29rr =r3=9T f29t　(r 2≤r ≤r 3,0≤z )(3) 外管管壁的导热:92T 29r2+1r ・9T 29r =1a 2・9T 29t (r 3≤r ≤r 4,0≤z )(4) 大地中的导热:92T s 9r2+1r ・9T s 9r =1a s ・9T s 9t (r 4≤r ≤r 5,0≤z )(5) 初始条件(t =0):T 1(z )=T 2(z )=T s (z )=T f1(z )=T f2(z ),已知:进液处表面的初始条件(z =0):T f1(t ,0)=f (t ),是已知时间的函数;换热器管底末端的边界条件(z =l ):T f1(t ,l )=T f2(t ,l )(6) 内管中流体与内管管壁处的边界条件:-λ19T 19r r =r 1=α1(T 1-T f1)(7) 环腔内流体与内管外管壁处的边界条件:-λ19T 19r r =r 2=α2(T f2-T 1)(8) 环腔内流体与套管管壁处的边界条件:-λ29T 29r r =r 3=α3(T f2-T 2)(9) 外管与大地交界处的边界条件:T 2=T s ,(r =r 4);则λ29T 29r r =r 4=λs9T s9r r =r 4(10) 假设的远边界处边界条件:T s =T s (z ),(r ≥r 5)。