地源熱泵土壤換熱能力實驗測試技術(shù)的研究
王術(shù)靜
摘要：介紹了某校測試地源熱泵土壤換熱能力的實驗臺。并以某次實驗測試的部分?jǐn)?shù)據(jù)為例，分析了連接管換熱、實驗時間對測試結(jié)果的影響。
關(guān)鍵詞：地源熱泵、實驗臺、測試技術(shù)
1、前言
地源熱泵技術(shù)是當(dāng)前最有效的供能技術(shù)之一。土壤溫度比較穩(wěn)定，是比地球表面的空氣和地表水更適合的冷、熱源。地源熱泵在在我國正在興起，并積累了一定的經(jīng)驗、數(shù)據(jù)，其應(yīng)用前景一片光明。但我國地域廣闊，氣候、地質(zhì)條件差異很大，而土壤換熱數(shù)據(jù)具有很強的地域特征，因此，為了給地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持，地埋換熱器換熱能力的實驗測試必不可少。
2、實驗裝置介紹
2.1總體介紹
整個實驗臺呈長方體（2m×1.6m×1.4m），總重約400kg。測試時，只需將設(shè)備運至現(xiàn)場，連上待測井的PE管，接通水電即可測試，無需再次組裝設(shè)備。
考慮到在地源熱泵的實際運行中，地埋管換熱器與土壤有排熱和取熱兩種過程，因此實驗臺設(shè)計成能分別模擬這兩種過程。實驗臺包含了如下設(shè)備：風(fēng)冷熱泵機組、恒溫水箱、循環(huán)水泵、超聲波熱表、電加熱器、溫控器、壓力表等。另外，配備了測試初始低溫及監(jiān)測土壤溫度變化的溫度巡檢儀，最多可同時監(jiān)測6個點的溫度。
模擬夏季排熱工況時，來自地埋管換熱器的回水從水箱下部進口進入，而后被電加熱器加熱至所需溫度后，從水箱上部出口流出進入地埋管供水側(cè)。模擬冬季取熱工況時，來自地埋管換熱器的回水首先進入風(fēng)冷熱泵，被冷卻后進入恒溫水箱，而后排向地埋管換熱器供水側(cè)。風(fēng)冷熱泵的啟停溫度為設(shè)定溫度t±1℃,僅通過風(fēng)冷熱泵不能確保供水溫度的精度。
在地埋管換熱器進出水管路上設(shè)有超聲波熱表，可以測出管路流量、供水溫度、回水溫度、功率以及累積熱量等，從而獲得測試中所需的數(shù)據(jù)值。
2.2 設(shè)備的選擇
風(fēng)冷熱泵選用某品牌的風(fēng)冷熱泵機組。參數(shù)如下。
名義制冷量： 13.6 kW 名義壓縮機輸入功率：5.2 kW
風(fēng)機輸入功率：80 W 額定水流量： 2.5 m3/h
機組水阻力： 58 kPa
按照機組的最大水流量選取水泵。水量為3m3/h，根據(jù)水力計算取揚程23m水柱。
3、實驗測試及分析
3.1 工程概況
筆者對天津某地源熱泵項目土壤換熱能力進行了測試。待測井井口直徑135mm，深100m。埋管后回填，回填材料：下部原漿加膨潤土，上部黃砂密實。地埋管（PE管￠32）自然下管，按單U型布管，并分別在40m、90m處裝有PT100熱敏電阻，用于測試初始地溫。連接管總長22m，為與地埋管同質(zhì)同徑的PE管，管外保溫，保溫材料為20mm厚的橡塑保溫套管。
3.2 測試數(shù)據(jù)分析
在試驗過程中，記錄地埋管的進出水溫度、流量及功率等，每半小時采集數(shù)據(jù)一次。連續(xù)運行，待系統(tǒng)各項指標(biāo)穩(wěn)定后停機。測試模擬的工況及測試數(shù)據(jù)如圖1～4所示。為簡化說明，分別以A、B命名兩工況，對應(yīng)關(guān)系見表2。

 

兩工況連續(xù)運行。從圖中可以看出，測試初期回水溫度Th1、換熱量Q1急劇變化，后經(jīng)一段時間的波動后逐漸趨于穩(wěn)定。這并不說明換熱器的換熱能力在極短的時間內(nèi)發(fā)生了很大變化，而是由于測試開始時，循環(huán)泵將恒溫?zé)崴�送入地埋管換熱器，而管中原有低溫水被排向恒溫水箱。即此時的溫差是供水溫度Tg1與地埋管中原有水的溫度Th1’之差，其反映的也不是地埋管換熱器真實的換熱能力，一次完整的換熱尚未完成。這一過程將持續(xù)幾分鐘。
隨后進行的B工況沒有出現(xiàn)回水溫度Th2、換熱量Q2急劇變化的情況，也說明了上述說法的可靠性。
3.3 連接管換熱對實驗結(jié)果的影響
以上測得的換熱量主要由地埋管換熱與連接管換熱兩部分組成，因而需要計算連接管的換熱量，及其對總換熱量的影響。
連接管換熱，是一個長圓筒傳熱模型。為簡化計算，現(xiàn)做如下假設(shè)：假定連接管只與周圍空氣發(fā)生傳熱，橡塑保溫材料與連接管道接觸良好，沒有接觸熱阻；在連接管的供、回水段中，水溫分別恒定。根據(jù)假設(shè)，連接管的換熱熱阻主要有四個部分：連接管導(dǎo)熱熱阻R1、保溫套管熱阻R2、管內(nèi)對流熱阻R3、套管與空氣對流熱阻R4。

此次測試，實驗臺與待測井間連接管總長為22m，連接管換熱量在測試值中占的比重很小。因而，在連接管長度較小時可忽略其換熱對測試結(jié)果產(chǎn)生的影響。
3.4 測試時間對實驗結(jié)果的影響
作為中央空調(diào)的地源熱泵系統(tǒng)，其運行時間一般為2～3個月，覆蓋整個供冷（暖）期。土壤換熱的能力在長期運行中會有所降低，而將實驗持續(xù)2～3個月是不現(xiàn)實的。因此需要確定合理的實驗測試時間，使得實驗結(jié)果可以真實地反映土壤的換熱能力。
本文運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，分別以A、B工況的測試數(shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本，預(yù)測了兩個工況分別運行2個月后土壤的換熱能力。預(yù)測結(jié)果見表2。從預(yù)測結(jié)果可以看出，2個月后的土壤換熱量與測試值的誤差在±10%以內(nèi)�？梢哉J為實驗時間是充裕的，試驗結(jié)果可以代表土壤的換熱能力。

 

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