摘　要：针对夏季工况，对地埋管换热器连续运行工况、间歇运行工况下的换热能力进行了实验研究。

关键词：地埋管地源热泵  地埋管换热器  连续运行  间歇运行  换热能力

Influence of Continuous and Intermittent Operation of Buried Tube Heat Exchanger on Its Heat Exchange Capability

Abstract：In view of the working eondition in summer，the experimental research on heat exehange capacity of buried tube heat exchanger under conditions of continuous operation and intermittent operation was eonducted

Keywords：buried tube ground source heat pump；buried tube heat exchanger；continuous operation；intermittent operation；heat exchange capacity

1　概述

近年来，地源热泵在居住建筑、公共建筑中均得到了广泛应用，其中地埋管地源热泵(土壤源热泵)占地源热泵应用比例的32％^[1]。由于土壤温度全年相对稳定，地埋管地源热泵的季节性能系数具有恒温热源热泵的特性^[2]，节能效果明显。对于重庆地区大多数建筑，夏季冷负荷往往高于冬季热负荷，因此地埋管地源热泵冬夏兼用时，夏季向地下释放的热量大于冬季从地下吸收的热量。随着地埋管地源热泵长时间运行，热量在土壤中的累积易使土壤温度升高，从而影响地埋管地源热泵夏季运行效率。

因此，在地埋管地源热泵的设计和运行中，应保持夏季向土壤释放的热量与冬季从土壤吸收的热量基本相等，否则易导致地埋管地源热泵性能下降，甚至失效^[3]。冷却塔复合地埋管地源热泵是将地埋管地源热泵与冷却塔相结合，由冷却塔分担夏季工况中部分冷却水负荷，使地埋管地源热泵全年向土壤的释热量与吸热量基本相等^[4]。还可实现地埋管换热器的间歇运行，在冷却塔运行阶段使土壤温度得到恢复，以改善热泵机组的性能。本文采用实验方法，对地埋管换热器在连续运行工况、间歇运行工况下的换热能力进行研究。

2　实验设计及实验系统

①实验设计

采用恒定地埋管换热器进水温度的方法，实验模拟夏季工况下地埋管换热器在连续运行工况、间歇运行工况下的换热能力。对于连续运行工况，地埋管换热器在周一至周五的8：10—l8：10连续运行，其他时间停用。对于间歇运行工况，地埋管换热器在周一至周五的8：10—18：10间歇运行，其他时间停用，并设计了3种运行策略(见表l)。

地埋管换热器的换热能力由钻孔单位深度换热流量表征：钻孔单位深度换热流量越大，地埋管换热器换热能力越强；反之，越弱。根据实测供回水温度、流量，钻孔单位深度换热流量q的计算式为：

式中q——钻孔单位深度换热流量，kW／m

Cp——水的比定压热容，kJ／(kg·K)

r——水的密度，kg／m³

qv——地埋管内传热介质(水)流量，m³／s

Dt——地埋管换热器进出水温差，℃

L——钻孔深度，m

②实验系统

实验系统流程见图l。地埋管换热器进水温度恒定在30℃，水的流速基本稳定在0.5m／s。钻孔深度l00m，地埋管换热器布置为双U形，采用PE管，外直径为32mm，壁厚为3mm。在地埋管换热器进出水管道上分别设置温度传感器，并在钻孔距地面0.5、2.5、4.5、9.5、14.5、24.5、44.5、64.5、94.5m处设温度测点，测量土壤温度。数据采集时间间隔为l0min，实测土壤初始平均温度为l9.8℃。

3　实验结果及分析

①连续运行工况

连续运行工况下，周一至周五地埋管换热器连续运行时间钻孔单位深度换热流量随时间的变化见图2。由图2可知，随着时间推移，钻孔单位深度换热流量整体呈下降趋势，虽然周一二这种变化并不明显，但从周三开始，特别是周五，地埋管换热器的换热能力已有明显降低。前一日运行结束时的钻孔单位深度换热流量较低，但次日基本能恢复至前一日开始运行时的水平。周一至周五日均钻孔单位深度换热流量见表2。由表2可知，经过5d的连续运行，钻孔单位深度换热流量从67.1W／m下降至64.8W／m，下降幅度为3.4％。

连续运行工况下周一至周五地埋管换热器停用时间土壤平均温度随时间的变化见图3。由图3可知，土壤温度的恢复是一个由快变慢的过程。在地埋管换热器停用后，前4h土壤平均温度快速下降，之后下降幅度明显变缓。由于连续运行，土壤平均温度整体上有逐渐升高的趋势。由实测结果可知，从周五地埋管换热器停用到下一周运行开始，土壤经过62h的恢复，土壤平均温度从23.0℃下降至20.2℃，为下一周的运行提供了有利条件。

②间歇运行工况

间歇运行工况下3种策略周一、周二日均钻孔单位深度换热流量见表3。由表3可知，与连续运行工况相比，间歇运行工况3种策略的地埋管换热器换热能力均有所改善。策略1、2的地埋管换热器换热能力优于策略3，这表明地埋管换热器停运时间越长，越有助于改善其换热能力。策略l、2均为全天运行6h，但策略l的地埋管换热器换热能力却高于策略2。这说明，在一段时间内，采取相对分散的土壤温度恢复时间比采取相对集中的土壤温度恢复时间效果更好。

4　结论

①对于连续运行工况，虽然前一日运行结束时的钻孔单位深度换热流量较低，但土壤温度经过一定时间恢复，次日的钻孔单位深度换热流量基本能恢复至前一日开始运行时的水平，但整体上呈下降趋势。

②与连续运行工况相比，间歇运行工况的地埋管换热器换热能力有所提高。

③对于间歇运行工况，在一段时间内，采取相对分散的土壤温度恢复时间比采取相对集中的土壤温度恢复时间效果更好。

参考文献：

[1]徐伟．中国地源热泵发展研究报告[M]．北京：中国建筑工业出版社，2008：14-15．

[2]张灿，常茹，吕建．地埋管地源热泵制热性能测试与分析[J]．煤气与热力，2012，32(10)：A01-A04．

[3]丁勇．浅层地热源热泵空调系统在公共建筑应用中的能效研究(博士学位论文)[D]．重庆：重庆大学，2009：43-44．

[4]曲云霞，张林华，方肇洪．地源热泵系统辅助散热设备及其经济性能[J]．可再生能源，2003(4)：9-11．

本文作者：李沁  贾宇

作者单位：重庆大学城市建设与环境工程学院

  北京市建筑设计研究院有限公司