地源热泵地埋管热响应测试分析与应用

摘要：地源热泵地埋管热响应测试是研究土壤热物性参数及地埋管换热器性能最有效的方法之一。本文结合一个地源热泵测试工程实例研究了地源热泵热响应测试的测试步骤、测试方法和数据处理。通过对地埋管进出口水温、流量和加热功率的实时采集，分析研究了土壤的热物性以及地埋管热响应的放热和取热量。

1 引言
随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25%～30%[1]，在我国，比例也在逐渐增大。地源热泵系统由于其高效、节能、环保的特性，近年来日益受到人们的重视和推广。地源热泵技术是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，同时在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。地下岩土的平均热物性参数是地源热泵地热换热器设计中的重要参数，如果物性参数不准确，则设计的系统可能不能满足负荷需要，也可能规模过大，从而大大增加初投资[2]。地埋管换热器的单位延伸的放热量和取热量是地源热泵系统最直接也是最重要的参数,以往的工程设计靠经验数据,由于地质条件的复杂性，常常会导致地源热泵运行过程中出现达负荷过低，不能满足要求。本文结合常熟某别墅地源热泵系统，介绍了热相应测试分析方法。

2 测试基本原理与装置介绍
整个测试装置分为制冷系统、电加热系统和数据采集系统三部分。制冷系统为一台LAW040H(S)/2热泵机组，制冷量为12.5kW，制热量为13.5kW。电加热器系统如图1所示，分为前置加热器和后置加热器，目的是在取热测试中，实现冷热补偿保持出口温度为一恒定的值，电热器的最大功率为6kW，并有可控硅调节，实现加热功率0-6kW的连续变化。在测试台的设计过程中，不针对某一具体的埋管形式，整个测试装置可以适应任意埋管深度（30-150m）和埋管形式（单、双U型，W型）的冷热负荷要求。并同时可以进行两口地热换热的对比测试。数据采集系统采用研华4015和4018＋模块采集温度和模拟信号，并通过组态软件读取数据，在实际的调用数据分析过程中可以调用大于1秒的任意间隔段的数据。测试系统还包括自主开发的VB数据分析软件，对测试的数据进行分析，通过曲线拟合和时间平均的方法得出土壤热物性和换热性能等重要参数。通过DDE（动态数据交换）连接，使VB软件和组态软件成为一个整体（图2），操作起来十分方便，同时节约了测试周期，在测试试验结束时即可得到地热换热器的相关参数。测试过程分三个阶段进行，分别为热物性测试，地热换热器放热性能测试和地热换热器取热性能测试。热物性测试过程中，使用电热器保持恒定的加热功率，加热流体通过旁通管，不需要热泵机组即可完成。地热换热器放热性能测试时，主要采用热泵机组来加热流体，辅助电加热器来保证埋管进出口温度为定值。取热测试过程比较复杂，为保证系统热量的平衡，需要同时启用前置、后置加热器来满足不同埋管冷负荷的要求。



3 测试地埋管工程应用
工程应用为常熟某别墅群地源热泵热响应测试。工程试验井为双U型地埋管换热器，换热器为南京菲时特HDPE100，公称外径为25 mm。井内埋管通过水平连接管道连接至试验台。连接管道用20 mm厚的橡树保温材料进行保温以减少连接管道和环境的热交换。计算埋管换热量时要将地表面上水平与垂直埋管的热交换扣除，相关测试数据如表1所示。

试验选用的井埋管编号	2#井埋管
垂直埋管段	埋管类型	双U管
管径	DN25
垂直深度 [m]	58
垂直管总长度[m]	56
回填材料	黄沙、泥浆、彭润土
安装方法	自然下管
井口直径	150mm
PE 管	外径 [mm]	25
内径 [mm]	20.4
连接管	连接管总长度[m]	2.3
保温材料	橡树保温套, 厚度20mm