摘　要：采用试验方法，针对夏季工况，对空气—土壤源热泵机组分别在单纯空气源热泵运行模式、单纯土壤源热泵运行模式、空气—土壤源热泵运行模式下的制冷性能系数、能效比进行了实测比较。空气—土壤源热泵运行模式下的制冷性能系数、能效比较高，有利于改善土壤热平衡。

关键词：空气—土壤源热泵  制冷性能系数  能效比  土壤热平衡

Efficiency Analysis of Air-soil Source Heat Pump System under Summer Condition

Abstract：The refrigeration coefficient of performance and energy efficiency ratio of air-soil source heat pump unit in single air source heat pump mode，soil source heat pump mode and air-soil source heat pump mode respectively are compared and measured by experimental method under summer condition．The higher refrigeration coefficient of performance and energy efficiency ratio are achieved by air-soil source heat pump operation mode which is conducive to improving soil thermal equilibrium．

Keywords：air-soil source heat pump；refrigeration coefficient of performance；energy efficiency ratio：soil thermal equilibrium

1　空气源热泵、土壤源热泵特点

空气源热泵的主要优点是：兼有制冷、制热功能；系统设备集中设置，操作、维护简单方便。然而，以空气为低温热源的空气源热泵，不可避免存在以下缺点：室外空气的状态参数随地区和季节的不同有很大变化，对热泵机组的容量和性能影响较大；冬季工况下，当室外空气相对湿度较高时，室外机翅片易结霜，加剧了送风温度、制热量的波动，严重时无法满足室内温度要求^[1-2]。

土壤源热泵的主要优点为：土壤温度在全年范围内相对稳定，确保了热泵机组的性能；与空气源热泵比较，土壤源热泵的地埋管换热器不会结霜，不存在冬季除霜能耗。土壤源热泵存在以下缺点：土壤性质对地埋管换热器换热性能影响较大；长期连续运行时，可能存在夏季向土壤释热量与冬季从土壤吸热量的不平衡，严重时易导致热泵机组无法满足供冷(热)需求。

2　空气—土壤源热泵机组

对于工程造价较高的土壤源热泵，地埋管换热器向土壤释热、吸热不平衡往往是导致热泵机组无法正常运行的关键，因此，我们考虑采用空气—土壤源热泵机组，力图改善这种不平衡现象。

空气—土壤源热泵机组配置双冷凝器(对夏季工况而言)，一台为风冷冷凝器，另一台为水冷冷凝器(冷却水来自地埋管换热器)。冬季工况下，通过切换四通阀，双冷凝器转换为双蒸发器。以夏季工况为例，热泵机组可实现以下3种运行模式：模式1：单纯空气源热泵运行模式(风冷冷凝器单独运行)；模式2：单纯土壤源热泵运行模式(水冷冷凝器单独运行)；模式3：空气—土壤源热泵运行模式(风冷—水冷冷凝器联合运行)。

3　试验设计

3.1　试验目的

采用试验方法，针对夏季工况，测试计算3种运行模式下热泵机组的制冷性能系数、能效比，并进行比较。

3.2　试验装置

设置4个钻孔，直径为50cm，井深100m。地埋管采用双U形埋管，材质为PE，外直径为32mm，内直径为26mm。地埋管内传热介质(水)的最大建议流速为0.91m／s，最小建议流速为0.12m／s^[3]。热泵机组制冷能力为l9.6kW，制热能力为22kW。配置双涡旋式压缩机，制冷剂为R22，单台压缩机额定电功率为3.46kW。风冷冷凝器风机的额定电功率为0.36kW，传热介质循环泵额定电功率为1.44kW。空调末端装置为两台风机盘管。

③测试对象及测试仪器

室外空气温度：测量仪器为小型气象站，测量范围为-30～80℃。

冷水供回水温度：测量仪器为刺入式温度计，测量范围为-20～70℃。测点位于冷水供回水主管上，将刺入式温度计的探头贴附在管壁上。

冷水流量：测量仪器为超声波流量计，安装在冷水供水管道上，测量范围为0～1500L／h。

用电设备电功率：测量仪器为功率表，测量精度为0.1。

3.3　测试数据处理

①制冷量

热泵机组制冷量咖的计算式为：

F＝qrcpDq

式中F——热泵机组制冷量，W

q——冷水实测流量，m³／s

r——冷水密度，kg／m³，取l000kg／m³

cp——冷水比定压热容，J／(kg·K)，取4186J／(kg·K)

Dq——冷水回水与供水实测温差，℃

②制冷性能系数

热泵机组制冷性能系数ICOP，的计算式为：

式中ICOP——热泵机组制冷性能系数

Pc——压缩机实测电功率，W

③能效比

热泵机组能效比，IEER的计算式为：

式中IEER——热泵机组能效比

Psum——热泵机组用电设备的实测电功率之和，W

4　实测结果与分析

地埋管内传热介质的质量流量设定为2.35t／h，冷水质量流量设定为3.01t／h。选取室外温度比较接近时段(变化范围为25～36℃)的测试数据进行比较。当运行模式涉及风冷冷凝器时，主要考虑室外温度对热泵机组性能的影响。当水冷冷凝器单独运行时，由于空气温度对土壤温度影响较小，主要考虑运行时间对热泵机组性能的影响。

①模式1

模式1下热泵机组制冷性能系数随室外温度的变化见图l，图中红色点为实测数据点，平滑曲线为拟合曲线：ICOP＝0.0046q²-0.3224q²+8.2426，q为室外温度(单位为℃)。由图1可知，模式1下热泵机组制冷性能系数随室外温度的升高而降低，且下降速率较快。这说明空气源热泵的性能易受室外温度影响，当室外温度升高时，冷凝器的工作环境恶化，制冷剂甚至不能及时液化，直接导致热泵机组的制冷性能系数下降。模式l下热泵机组能效比随室外温度的变化见图2，图中红色点为实测数据点，平滑曲线为拟合曲线：IEER＝0.0038q²-0.2606q+7.0016。由图1、2可知，模式1下热泵机组能效比随室外温度的升高而降低，变化趋势与制冷性能系数基本一致。

②模式2

模式2下热泵机组制冷性能系数随运行时间的变化见图3，图中红色点为实测数据点，平滑曲线为拟合曲线：ICOP＝2×10^-5t²-0.0065t+3.981，t为运行时间(单位为h)。由图3可知，模式2下，虽然热泵机组制冷性能系数随运行时间的延长呈下降趋势，且下降速率较快，但有趋于平稳的趋势。模式2下热泵机组能效比随运行时间的变化见图4，图中红色点为实测数据点，平滑曲线为拟合曲线：IEER＝2×10^-5t²－0.0066t+3.3975。由图3、4可知，模式2下热泵机组能效比与制冷性能系数的变化趋势基本一致。

③模式3

模式3下热泵机组制冷性能系数随室外温度的变化见图5，图中红色点为实测数据点，平滑曲线为拟合曲线：ICOP＝0.0011q²－0.1002q+5.2887。由图5可知，模式3下热泵机组制冷性能系数下降速率比模式1有所减缓，这说明风冷—水冷冷凝器联合运行时，热泵机组性能受室外温度的影响有所减弱。模式3下热泵机组能效比随室外温度的变化见图6，图中红色点为实测数据点，平滑曲线为拟合曲线：IEER＝0.0011q²-0.0965q+4.9327。由图5、6可知，模式3下热泵机组能效比的变化趋势与制冷性能系数基本一致。

5　结论

对于模式l，热泵机组的制冷性能系数、能效比不高，且随着室外温度升高下降速率较快。对于模式2，热泵机组的制冷性能系数、能效比较高，但随着运行时间的延长下降速率较快。对于模式3，热泵机组的制冷性能系数、能效比水平处于模式1与模式2之间，但随着室外温度的升高下降趋势不明显。因此，风冷—水冷冷凝器联合运行，对热泵机组在长时间运行过程中保持较高性能有帮助。而且可平衡地埋管换热器向土壤的释热、吸热量，保持热泵系统长期有效运行。

参考文献：

[1]韩志涛，刘曙光，齐航，等．中重度结霜下空气源热泵蓄热除霜实验研究[J]．煤气与热力，2012，32(11)：A03-A06．

[2]王厚华，李腊芳．室外机翅片结霜对家用空气源热泵性能的影响[J]．煤气与热力，2013，33(4)：A22-A26．

[3]李国富，邹志胜．土壤源热泵地埋管换热系统的设计[J]．煤气与热力，2012，32(6)：A03-A05．

本文作者：潘丰  张志刚  魏旭春

作者单位：天津城建大学能源与安全工程学院