231土壤源热泵间歇运行对热泵和系统能效比影响的研究

1土壤源热泵间歇运行对热泵和系统能效比影响的研究青岛理工大学环境与市政工程学院辛岳芝胡松涛田郁王刚陈茂科摘要：土壤源热泵系统作为一项节能、环保的空调系统方式，目前已得到广泛应用。然而土壤源热泵系统的埋地换热器受土壤物性影响较大，连续运行时热泵机组的冷凝温度或蒸发温度会受土壤温度的影响发生波动，从而导致热泵机组的能效比发生变化。本文以实际工程为测试对象，重点分析了土壤源热泵系统间歇运行对机组和系统能效比EER的影响，对土壤源热泵系统合理的设计和应用具有重要意义。关键词：土壤源热泵系统间歇运行能效比(EER)ResearchontheInfluencesofHeatPumpandSystem’sEERUnderGroundSourceHeatPumpinIntermittentOperationAbstract：Asaneconomicalandunpollutedtechnology,groundsourceheatpumpsystemhasbeenusedwidely.However,itsburiedheatexchangercouldbeaffectedgreatlybysoil,theheatpumpunits’evaporationtemperatureandcondensationtemperaturecouldchangedunderuninterruptedoperation,too,whichmakeheatpumpunitsandsystem’sEERchanged.Aprojectistestedinthisarticle,andmainlyanalyzedthechangesofheatpumpunitsandsystem’sEERundergroundsourceheatpumpinintermittentoperation,whichisgreatsignificanttodesignanduserationallythissystem.Keywords：Groundsourceheatpump；Intermittentoperation；Energyefficiencyratio(EER)引言土壤源热泵系统间歇运行是根据建筑物实际负荷特点，确定机组的启停比，对机组进行间断性启停，以促进土壤温度恢复并高效利用地能的有效措施[1]。间歇运行减少了能量的无用消耗，也减少了地埋管中流体与土壤间的换热量，与连续运行方式相比，间歇运行有利于土壤温度的恢复。依据实际工程特点，采用机组间歇运行的方式，对于提高机组的运行效率，提高系统运行的可靠程度，合理布置地埋管并减少埋管使用面积具有重大意义。1工程概况该工程位于青岛市区，建筑类型包括宾馆、餐厅和办公楼。建筑面积约2193平方米，空调面积为1901平方米。本项目属于既有建筑的改造工程，采用土壤源热泵作为空调系统的冷、热源，钻凿埋管4300m，冬季及夏季采用同一套热泵系统。22测试方案该工程于2006年8月安装调试完毕，开始进入测试阶段。测试过程中，系统间歇运行，热泵机组全天启停比为1：1，即热泵每天连续运行12小时，连续停止12小时，在系统每天间歇运行过程中，埋管周围土壤温度有一个逐渐升高和逐渐恢复的过程，通过实际测试得出机组启停时关键点的温度。具体测试方案为：通过测试仪器测试相关参数并计算系统的输入功率。利用设置于地源侧冷却水与负荷侧冷冻水总进出水管上的温度传感器记录热泵机组两侧流体的供回水温度，并记录空调房间的室内及其室外的温度、湿度等参数，间隔一定的时间记录一次；由于水泵为定频，通过设置于循环水泵进出口处的压力表记录其压力值，并通过水泵流量曲线得出水泵流量；分析热泵机组制冷量及评价标准，测试期间系统为制冷工况，系统的性能系数用能效比EER来评价。（1）热泵机组供冷量：cschpQQP（1）其中，cQ——制冷工况热泵机组的总供冷量，kW；hpP——热泵机组输入功率，kW；scQ——热泵机组地源侧乙二醇释冷量，kW。（2）单台热泵机组能效比EERchpQEERP＝（2）（3）系统能效比EERinhppPPP（3）cinQEERP＝（4）其中，cQ——土壤源热泵机组供冷量，kW；inP——系统总输入功率，kW；pP——循环水泵输入功率，kW。理论研究表明地源侧进出水温度变化将直接影响热泵机组的COP[2][3]，为研究其温度变化对系统能效比EER的影响规律，考虑如下假设:（1）地源侧乙二醇混合水介质温度变化时，功率变化不大，此外，为计算简便假定热泵功率不变；3（2）由于水泵流量变化不大，可认为地源侧、末端负荷侧流量均不变，功率及压力恒定。测试共分为四个阶段，取第三、第四较稳定阶段的测试数据进行分析。3测试数据分析对系统各运行阶段中空调房间内温度、湿度等参数的测试，表明测试参数达到了设计要求，空调房间内温度随时间的变化情况在此不再列出。3.1测试期间环境温度与热泵机组地源侧回水温度的变化分析图1所示为环境温度与热泵机组地源侧回水温度变化的情况。一天中上午环境温度相对较低，基本维持在26.5℃左右，中午后温度逐渐升高，至15：00时达到最高值为30.5℃。随后逐渐降低，至17：11时温度大致维持在27℃；而一天中热泵机组地源侧回水温度基本恒定，并不随环境温度的变化而改变，因此热泵机组地源侧回水温度可以看作是一个独立参数，这也验证了一定深度下土壤温度是比较稳定的。系统运行期间埋管周围花岗岩石温度逐渐升高，致使机组启动阶段地源侧回热泵的流体温度有上升趋势。图1环境温度与地源侧进水温度随时间的变化情况3.2热泵机组地源侧与负荷侧水温度变化的分析热泵机组地源侧制冷期间设计工况为回水温度30℃，出水温度35℃，但实际运行过程中，地源侧温度并未达到设定的温度。开始的第一阶段测试时热泵机组地源侧回水温度只维持在22、23℃左右。机组地源侧回水温度较低是由于土壤温度未达到稳定，土壤与埋管温差较大，导致流体介质进入热泵机组时温度较低。至测试的第三阶段、第四阶段时地埋管换热基本上达到稳定状态。如图2所示为第三阶段热泵机组地源侧与负荷侧水温度随时间的变化情况。测试开始时，热泵机组地源侧出水和回水温度分别为27.0℃和23.6℃。系统调试过程中，末端风机盘管频繁开关致使热泵机组负荷侧冷冻水出水温度和回水温度有些波动，但是变化的幅度不是太大，负荷侧出水温度大致在6.3℃～10.0℃之间，回水温度大致在9.6℃～13.3℃。受负荷侧出水温度、回水温度变化的影响，机组地源侧出水温度也有所变化，随时间的推移逐渐升高，由9：20左右的27.5℃达到15：30左右达到30℃；地源侧回水温度随时间也持续缓慢升高，最终维持在25℃左右。18：30热泵机组关闭，测试结束时，4地源侧出水和回水温度分别为29.4℃和25.5℃左右。图2第三阶段热泵机组地源侧与负荷侧水温度随时间的变化如图3所示为第四阶段热泵机组地源侧与负荷侧水温度随时间的变化情况。测试开始时，热泵机组地源侧出水与回水温度分别为27.3℃和23.5℃，较前一天分别降低了-2.1℃/-2.0℃。由图3可以看出，与负荷侧冷冻水温度波动幅度相比，地源侧出水和回水温度比较稳定，回水温度基本维持在24.5℃左右，说明地埋管换热达到了“准稳态阶段”。由于13：00时后整个2号楼及9号楼部分房间末端关闭，总负荷降低，加之冷冻水循环水量不变，所以机组负荷侧冷冻水出水和回水温度均降低。图3第四阶段热泵机组地源侧与负荷侧水温度随时间的变化3.3热泵机组与系统能效比EER的分析热泵机组以及系统的能效比EER的变化不仅与机组和系统本身的结构有关，还与机组出水、回水温度、流量及其他因素有关。由于机组结构及流量变化不大，此处仅考虑热泵机组地源侧及负荷侧出水和回水温度对机组EER的影响。如图4所示为第三测试阶段热泵机组地源侧回水温度与热泵及系统EER的变化情况。地源侧回水温度变化范围为23.6℃～25.5℃。在23.6℃～25.5℃范围内热泵机组及系统EER是随着回水温度的增加而减小的，但变化幅度逐渐减缓。地源侧回水温度较低时热泵EER较高，当温度接近23.6℃时，热泵EER可达5.0，随着温度的上升，热泵EER逐渐降低，温度在25.0℃左右时，热泵EER逐渐稳定，接近4.0，与23.6℃相比降低了20％，热泵EER降低幅度为0.71/1℃；系统EER在热泵机组地源侧回水5温度为23.6℃时达最大值2.8，当地源侧回水温度达25.0℃时达到稳定值，维持在2.5左右。图4第三阶段热泵机组地源侧回水温度与热泵及系统EER的变化如图5所示为第四测试阶段热泵机组地源侧回水温度与热泵及系统EER的变化情况。由于热泵开启时间的原因，土壤温度较低，系统地源侧水温度变化不大，系统EER基本稳定，即在机组地源侧回水温度为24.0℃左右，热泵EER可看作常数4.7。系统EER的变化趋势与之相同，基本上稳定在2.5左右。图5第四阶段热泵机组地源侧回水温度与热泵及系统EER的对比如图6所示为第三阶段热泵机组负荷侧回水温度与热泵及系统EER的变化情况。机组负荷侧回水温度范围为9.6℃～13.3℃，热泵EER变化范围为3.9～5.0，平均为4.5。回水温度较低时，热泵和系统EER均较低，随着回水温度的升高，热泵EER与系统EER均逐渐升高，其中热泵EER变化较明显，而系统EER变化较缓慢。最后系统EER基本维持在2.5左右。6图6第三阶段热泵机组负荷侧回水温度与热泵及系统EER的变化如图7所示为第四阶段热泵机组负荷侧回水温度与热泵及系统EER的变化情况。热泵负荷侧回水温度范围为10.9～13.8℃。随着负荷侧回水温度的升高，热泵EER及系统EER均稍有增加，但变化都不大，热泵EER稳定在4.6左右，系统EER稳定在2.4左右。图7第四阶段热泵机组负荷侧回水温度与热泵及系统EER的变化4结语（1）一定深度下土壤温度比较稳定，土壤温度随环境温度变化幅度不大，可作为热泵系统的良好的冷热源。（2）测试各天相比，测试温度有逐渐升高的趋势，同一天内热泵机组地源侧出水和回水温度也有逐渐升高的趋势；测试结束时机组地源侧回水温度大致维持在24.5℃左右。（3）热泵机组地源侧回水温度在24℃左右时，热泵EER为4.7，系统EER为2.5；机组地源侧回水温度在23.6℃～25.5℃范围内，热泵EER及系统EER随温度的升高而有所降低。（4）热泵机组负荷侧回水温度范围为9.6℃～10.9℃范围内时，热泵EER及系统EER随机组负荷侧回水温度变化较为明显，而当热泵机组负荷侧回水温度在10.9℃～13.8℃范围内时，热泵EER及系统EER随机组负荷侧回水温度的变化不明显。（5）在该工程土壤源热泵系统间歇运行测试条件下，机组EER基本上稳定在4.5之上，系统EER基7本上维持在2.5左右，系统达到了较高的运行效率。参考文献[1]田郁.土壤源热泵间歇运行垂直埋管周围土壤温度长的研究.青岛理工大学硕士学位论文2006[2]胡松涛，张莉，王刚.太阳能－地源热泵与地板辐射空调系统联合运行方式探讨.暖通空调.2005，35（3）：41－44.[3]涂爱民.热泵实验台建设及太阳能热泵系统的实验研究.青岛理工大学硕士学位论文：2005.