小型地源热泵水冷多联机实验平台监测及分析

孙长亮李蕾*寇鹏张文科

1济南蓓麟机电设备有限公司

2山东建筑大学热能工程学院

3三星（中国）投资有限公司

0 引言

本文中的浅层地热能建筑利用形式主要指地埋管地源热泵系统。在我国的北方地区，冬季热负荷较大，即冬天从土壤中提取的热量远大于夏天向土壤中排放的热量，而太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，要合理的利用地源热泵和太阳能热这两项可再生能源技术，将其有机地结合到一起，取长补短，形成太阳能浅层地热能复合能源系统[1-2]。

该系统通过封闭地下埋管中流动的循环液（纯水或以水为主要成分并掺有少量防冻液）与地下岩土进行换热，冬季利用热泵系统提取浅层地热能并将其提升为高品位能源后对建筑物供热，同时储存所得冷量供夏季使用，夏季热泵机组将提取地下土壤中的冷量以承担建筑物的冷负荷从而达到对建筑物降温的目的，同时将所得热量储存于地下土壤中以备冬季供暖使用。根据能量守恒定律，地源热泵系统将地下土壤作为蓄能器，从而保证空调采暖系统的高效可靠运行[3-4]]。

1 实验室简介

该实验室位于山东省济南市，其建筑总面积为1000 m2，建筑总高度为9 m，共两层，一、二层均为科研办公室。该机房设置在一层楼梯间。

夏季空调冷源采用中温型地源热泵机组一台，机组采用内部转换。冬季空调热源采用地源热泵机组和15 m2的太阳能集热器。空调末端采用风机盘管。

该实验室主要由竖直地埋管换热器、水平埋管换热器、太阳能集热器、热泵机房与建筑空调末端等五部分组成。

各部分的主要组成及设计参数如下：

1）地埋管换热器。根据建筑负荷特性及地下岩土热物性，设计了12个钻孔，每个钻孔深度为120 m，孔径为150 mm，孔间距为5 m×5 m。钻孔内放置管径为25 mm的双U型管。12个钻孔分别接至机房分集水器。

2）3个并联的水平埋管环路，每个环路管长约120 m，分别为水平U型管、水平螺旋管与水平竖直螺旋管。U型埋管是埋在土壤下面的一根长直聚乙烯塑料软管，软管直径为32 mm，壁厚1.5 m，其地埋管掩埋深度为2.0 m；水平竖直螺旋管螺旋直径为0.8 m，螺距为0.4 m，其掩埋深度，以螺线中心为标志，距地面为2.0 m；水平螺旋管螺旋直径为0.8 m，螺旋环的间距为0.4 m，其掩埋深度，距地面为2.0 m。

3）地源热泵机房：包括一个水-制冷剂热泵机组、水泵、蓄热水箱等辅助设备。

4）室内的末端：风机盘管。

5）15m2的太阳能集热器。

系统的流程图见图1：

图1 实验室机房流程图

其主要设备的选型如表1所示：

表1 主要设备选型

为了能更全面地分析太阳能-地源热泵复合系统应用的可行性、经济性以及如何合理利用太阳能来辅助供热，该实验室共设计了3种不同运行工况，分别为热泵系统、太阳能蓄热系统和太阳能辅助地源热泵系统。

2 实验平台数据监测系统

对该示范工程，设计了一套自动检测系统，主要用于测试系统的循环液流量、温度、功率和压力，所有的测试数据可通过传输线直接传输并保存到电脑内，通过显示屏显示出来。自动检测数据采集系统的一个作用是为了检测系统各个部件工作的状态，一旦系统出现故障，可在短时间内查明故障原因；另一个作用是根据测试的运行参数，分析系统的运行效率与性能，提出优化设计方法与优化的运行控制策略。

该实验系统共设计了3种不同的运行工况，分别为：a）热泵系统，即直接利用地源热泵系统进行制冷，太阳能不参与其中，此种系统用于夏季制冷。b）太阳能蓄热系统，即直接利用太阳能对用户进行供热，并对地下温度场进行补热，热泵不参与其中，此系统一般在过渡季使用。c）太阳能辅助地源热泵系统，即太阳能热泵联合供热，此时太阳能和热泵同时参与，此系统用于冬季供热。

该自动检测系统可测试及计算出的数据有：

1）地埋管侧的流量、温度。

2）在太阳能蓄热工况下，根据测试的地埋管流量与温度，计算太阳能向地埋管换热器的蓄热量，同时分析地温场的恢复情况。

3）测试机组压缩机功率、循环水泵功率、负荷侧的流量与温度，计算地源热泵系统的运行效率与水-制冷剂热泵机组的运行性能。

4）在太阳能供热工况下，也可根据测试的负荷侧的流量与温度，计算太阳能供热的保证率，并进一步分析太阳能直接供热的可行性与经济性。

系统运行时，12个竖直埋管和3个并联水平埋管一起运行，实验测试设置共计55个监测点，测试数据为相对应的温度、流量、压力和功率，其中测试孔温度传感器有11个，测试钻孔回水温度的传感器有16个。

3 监测数据分析

该实验系统自2013年冬季供热开始记录数据，系统已经连续运行了3个采暖季与3个空调季，第一个采暖季是从2013年11月1日到2014年3月20日，第一个空调季是从2014年6月1日到2014年9月1日。建立的数据采集监测系统可以实时监测并记录系统运行时的各项参数。下面列举部分时段的部分运行数据。

3.1 冬季地源侧供回水温度及COP监测

3.1.1 冬季地源侧供回水温度监测

冬季采用太阳能辅助地源热泵系统，即地源热泵和太阳能联合供热。由图2可以看出，地源侧供水温度最高14℃，地源侧供水温度最低6℃，平均供水温度为10℃。由图3可以看出，地源侧的供回水温差最大值为5℃，地源侧的平均供回水温差为2℃，地源侧的供回水温差一般在2℃上下波动，这是由于地源热泵实验室人员密度小，部分房间为实验设备，流动较大，系统运行时仅有部分末端运行，热泵机组也仅在部分负荷下运行，因此温差较小。

图2 地源侧供回水温度

图3 地源侧供回水温差

3.1.2 冬季太阳能辅助地源热泵系统COP监测

从图4可以看出，COP最低值为2.5，COP最高值为4.8，COP平均值为3.65。由此可见，该系统的制热工况运行效率较高，这主要源于水冷多联机末端省掉循环水泵的功耗。

图4 太阳能辅助地源热泵系统COP随时间变化曲线图

3.2 夏季地源侧供回水温度及COP监测

图5 地源侧供回水温度

3.2.1 夏季地源侧供回水温度监测

夏季采用地源热泵系统，即仅靠地源热泵供冷。由图5、6可以看出：地源侧的供水温度最高为24℃，地源侧的供水温度最低为16℃，平均供水温度为19℃；地源侧的供回水温差最大值为4.5℃，地源侧的平均供回水温差为2℃，地源侧的供回水温差一般在2℃上下波动。

图6 地源侧供回水温差

3.2.2夏季地源热泵系统COP监测

由图7可知，在夏季运行期间，COP最低值为2.6，COP最高值为4.5，COP平均值为3.84，由此可见，该系统的夏季运行效率较高，与其他小型冷水机组或传统水-水地源热泵机组相比，该系统的综合COP要高。

图7 地源热泵系统COP变化曲线图

3.3 数据分析

通过对测试数据处理结果（表3）可知，该系统单位孔深最大放热量为51.1 W/m，最大吸热量为44.1W/m。冬季的系统平均COP为3.65，夏季系统平均 COP为3.84。

表3 实验室数据分析

4 模型验证

《地热之星》是上述传热模型基础上开发的地源热泵专用设计软件，在a工况（即夏季直接利用地源热泵制冷工况）下，将地埋管换热量作为负荷输入软件中，实测的流量同样作为已知值输入，对地埋管侧的进出口水温进行模拟分析，并与实测结果进行对比来验证地埋管模型是否可行。此时，地面的温度在整个过程中是稳定的，在距离地面无穷远处的温度也是不变的且等于初始温度。

图8给出了计算模拟得到的地埋管的进出口水温，并与实测结果进行对比分析。

根据实测数据与模拟数据的对比图可知，在系统运行过程中，理论计算的入口水温与实测结果的变化趋势相同，且二者相差不大；从总体上来看，在系统初始运行的数小时内热泵机组负荷侧的供水温度模拟值比实测值要稍大一点，误差不大于1℃，计算值与实测值相差较小。除开始阶段外，地源侧实测的供水温度与模拟的供水温度误差小于0.5℃。这表明建立的地埋管传热模型是准确的，能够满足模拟分析所要求的精度，可以预测。如果对系统进行长期地模拟与分析，传热模型的精确度会更高。

图8 模拟与实测地源侧供水温度对比图

实测值与理论值有偏差的原因可能有以下几个方面原因：一铂电阻温度传感器与流量传感器仪器本身的测试误差；二是岩土的热物性的测试有一定的误差，或者是回填材料的导热系数与实际值也有一定的误差，这些不确定因素必然导致实测值与理论值不完全吻合[5]。

5 结论

本文对一小型地源热泵热泵水冷多联机的实验系统进行了介绍，通过建立的系统监控平台与数据自动采集系统，对系统运行参数进行了监测，测试结果表明地源侧供水温度的理论计算值与实验测试值变化趋势一致，说明建立的地埋管传热模型是准确的。测试的夏季工况系统COP为3.84，冬季制热工况系统COP为3.65，该数据要略高于传统的小型水-水地源热泵系统。利用课题组研发的地埋管换热器专用设计软件对该实验工况进行模型对比，研究结果表明该传热模型可以用于指导工程设计与性能模拟分析，具有较高的精确度与可靠性。

与传统的水-水热泵机组相比，地源热泵水冷多联机省掉了末端循环水泵，减少了运行能耗，该系统不仅提高了系统的运行效率，也避免了水-水热泵系统在冬季非运行工况室内盘管冻裂的风险。但该系统的末端为制冷剂循环，因此舒适性要略差于水系统。