混和型地源热泵系统运行特性试验研究

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摘 要：文章详细介绍了混和型地源热泵系统运行特征的相关知识，包括土壤换热器和冷却塔并联式混和型地源热泵系统以及土壤源和空气源并联式混和型地源热泵系统等两种混和型地源热泵系统的运行特性，以及混和型地源热泵系统运行特性试验的仪器、方案设计、数据处理方法等几方面内容，通过分析和探究混和型地源热泵系统的运行特征可为广大技术研究人员提供混和型地源热泵系统的一些帮助和参考。

关键词：混和型；地源热泵系统；运行特性；运行试验；分析和探究

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）09-0030-02

近年来，随着科学技术的日新月异和人们环保意识的提高，以及地源热泵系统的不断发展，人们对于混和型地源热泵系统的研究工作也给予了越来越多的关注和重视。混和型地源热泵系统作为一种集高效节能、低运行成本、美观环保于一身的新型地源热泵技术，正逐渐被应用于公共建筑物、住宅等供热系统当中。就目前来看，该技术在国际上已取得普及性发展和应用，但在我国的研发工作中，该技术仍处于初期的理论和应用研究阶段，有待国家科研人员加大研究力度，尽早实现混和型地源热泵系统在我国的应用及推广。为此，本文主要介绍混和型地源热泵系统运行特性的一些理论知识和实验方法，具有一定的借鉴价值。

1 混和型地源热泵系统概述

混和型地源热泵系统，主要包括土壤换热器和冷却塔并联式混和型地源热泵系统、土壤源和空气源并联式混和型地源热泵系统等两种系统，具体分析如下。

1.1 土壤换热器和冷却塔并联式混和型地源热泵系统

该系统主要由1#热泵机组和2#热泵机组共2台水冷式热泵机组组成，并在每台热泵机组上配备有2台额定功率12.4 kW的压缩机，制冷剂R22。同时，有1#（4 kW）和2#（7.5 kW）共2个循环水泵并联安装，有与土壤换热器并联的冷却塔（2 kW），促使系统最大运行功率达到59.1 kW。此外，土壤热器主要采取U型垂直埋管方式，材料可以采用Φ20 mm×4 m的PPR管，平均钻井深度设计为28.29 m，总钻井埋管深度达到1 159.89 m。

该系统中，由于土壤换热器和冷却塔是并联的，因而又衍生出了三种运行模式。其一，在外部温度较低的特定环境下，土壤热源主要作为混和型地源热泵系统的低温热源，为预防低温导致冷却塔无法正常运行，可以使用1#水泵。其二，在外部环境温度较高的特定环境下，通过采用2#水泵，利用冷却塔换热效率高过土壤换热器的特点，单独吸收空气热量，从而保证土壤换热器适度取热，提升系统性能。其三，当外部环境温度处于特定环境范围，可以考虑综合利用土壤热源和空气热源。例如在广西南宁市第三中学采用的混和型地源热泵系统，实现了夏季每天供应50 ℃的生活热水达到了65 t左右，冬季供热水约达到110 t。

1.2 土壤源和空气源并联式混和型地源热泵系统

该系统主要由1台额定功率为5.4 kW的热泵机组组成，R22作为制冷剂，且土壤换热器采用U型垂直埋管方式，PPR管采用φ20 mm×4 m型号，平均钻井深度大概在23.87 m，总钻井埋管深度为405.8 m。目前，广西某大学研究生公寓楼便采用了这种混和型地源热泵系统。

从该系统的运行方式来看，土壤源和空气源并联式混和型地源热泵系统大概有以下三种运行方式：第一，在超过可行性范围的低温环境下，该系统通常采用土壤热源作为低温热源，其制能率要比土壤换热器的高。第二，在超过可行性范围的高温环境下，由于此时空气源的换热效率较高，可以单独使用风扇吸收空气热量。第三，在可行性许可的温度范围内，则可以实现混和土壤源和空气源的利用。通过这种设计系统，同样能够起到减少和预防土壤换热器吸收地下热量过多，有助于避免降低系统性能。

2 混和型地源热泵系统运行特性试验的仪器及方案

在混和型地源热泵系统的实验当中，需要用到的仪器主要有HI98501C型温度计（精确度±0.3 ℃）、TR118型定时器、一级等级精度的热水表、DT9256C型卡钳式万用表等。

在实验过程中，主要采用单因素实验的方式，对热水温度、循环水泵功率、环境温度等各种因素与不同的混和型地源热泵能效比之间存在的关联进行考察。在对土壤换热器和冷却塔并联式混和型地源热泵系统的实验当中，通过采取运行1#热泵机组其中一个压缩机的方式，可以借助观察循环水温度，来判断系统运行是否稳定。在确定系统运行稳定后，做好每隔半小时一次的数据记录。在对土壤源与空气源并联式混和型地源热泵系统的实验过程中，若是采用土壤源作为热源时，可以借助观测循环水温度，对地源热泵系统的稳定性加以判断；若是采用空气源为热源时，则可以通过观测热泵出风口的温度变化，来判断空气源热泵系统的稳定性是否达标。此外，在同时采用土壤源与空气源作为系统热源情况下，对于系统稳定性的判定，可以通过观测循环水温度以及出风口温度的变化情况加以判定，并在每次测试时保持半小时记录一次数据。

3 混和型地源热泵系统运行特性试验的实验数据处

理方法

式中，Q为热泵机组制热量，单位为kW；ρ为循环水平均密度，单位为kW/m3；c为循环水平均比热，单位kj/kg·℃；v为冷冻水的累积流量值，单位为L/h；t1、t2则分别为循环水进、出口温度，单位为℃。

式中，Q为热泵机组制热量，单位为kW；w1、w2、w3分别为热泵机组实际输入功率、循环水泵输入功率以及冷却塔实际输入功率，单位均为kW。

4 混和型地源热泵系统运行特性研究

4.1 土壤换热器和冷却塔并联式混和型地源热泵系统的

运行特性

4.1.1 地源热泵系统

经分析，在1#热泵机组使用土壤源的情况下，夏季该系统的制热能效比要高于冬季运行的能效比，平均机组能效比高于冬季0.9，平均系统能效比高于冬季0.5。由此可知地源热泵系统运行性能与季节之间存在着较为稳定的动态关系，制热温度越高，则地源热泵机组与地源热泵系统的制热能效比越低，尤其是在热水温度从50 ℃增高到55 ℃期间，制热能效比更是呈明显的直线下降趋势。

为了确保系统能效比的有效提高以及达到使用生活热水的要求，在系统制热取水时，最好将温度控制在45 ℃～50 ℃范围内。此外，在热水温度相同的情况下，受2#循环水泵配置的2台热泵机组影响，可以促使地源热泵系统的制热能效比相对于地源热泵机组的要低很多。

4.1.2 冷却塔热泵系统

通常情况下，在进行冷却塔为1#热泵供热的测试当中，由于受到冷却塔在冬季时吸收的空气热量很少，致使测试时容易出现系统自动停机保护的情况。为此，本文主要针对冷却塔在夏季的运行情况加以讨论。在此背景下，冷却塔虽然能够吸收空气中足够的热量，促使制热水温度得到提高，不过会相应降低热泵机组以及热泵系统的制热能效比。特别是在热水温度在50 ℃或以上之后，严重降低了机组及系统的制热能效比。同样，为了保证系统能效比的提高，并从生活热水的使用角度考虑，应该将制热水温度尽量控制在50 ℃，为系统的能效比提供有利保障。除此之外，在同一热水温度的基础上，通过比较热泵机组和热泵系统的制热能效比，可以看出前者的制热能效比要优于后者，同时也证实了在冷却塔吸热系统的设计上，合理配置循环泵有着极为重要的作用。

4.1.3 土壤源和冷却塔热泵系统的综合

通过土壤源与冷却塔热泵系统的综合使用，可以看出系统在夏季运行的能效比要比冬季的好，其中，夏季平均机组能效比以及平均系统的能效比，相对于冬季的都要更高。而且在冬季温度低于一定数值后，此时若是使用冷却塔，还会使得机组及系统的能效比进一步降低。为此，通过综合考虑，在合理配置循环泵的同时，将系统制热温度保持在45 ℃到50 ℃的范围内，能够实现系统能效比的优化。

4.2 土壤源和空气源并联式混和型地源热泵系统的运行

特性

①热水温度影响制热性能。一般来说，随着热水温度的提高，会导致地源热泵COP和空气源热泵COP呈相应的下降趋势。不过相对来说，热泵低温热源采用土壤源，对于系统运行的稳定性更有保障。在使用空气源时，需要考虑设计除霜装置，以免在冬季测试时，机组运行一段时间后进入自动停机保护的情况发生。从提高系统运行的能效比和生活热水温度要求等两个方面来看，夏季制热水温度宜控制在50 ℃左右，此时机组能效比超过4.2，若是高于60 ℃，则会使机组能效比下降到3.2左右。此外，在同一热水温度下，热泵机组的制热能效比同样相对于热泵系统的要高，合理配置风扇功率成了空气源热泵系统设计的关键。

②环境温度对土壤源和空气源系统制热能效比造成的影响。地源热泵系统机组的能效比相对较为稳定，即便是在9.8 ℃环境下，机组的能效比也可以保持在3.2左右。而使用空气源热泵系统的制热能效比则相对受到环境温度的影响要大得多，能效比会随着温度的上升而呈现急剧上升的现象。相对来说，在冬季使用地源热泵系统更具有优势。而在温度高于21℃的情况下，使用空气则比较节能，且能够有效规避长期取热及土壤热惰性下系统性能的降低，有利于热泵系统的高效运行。

参考文献：

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