不同垂直埋管形式地源热泵热水系统换热性能研究

公用工程设计Ｉ　—丽　面　不同垂直埋管形式地源热泵热水系统换热性能研究　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ｆｏｒｍｓ　ｏｆ　Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｂｕｒｉｅｄ　Ｔｕｂｅ　Ｇｒｏｕｎｄ—ｓｏｕｒｃｅ　Ｈｅａｔ　Ｐｕｍｐ　Ｈｏｔ　Ｗａｔｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　胡映宁，熊理国，刘渊　（广西大学机械工程学院，南宁５３０００４）　ＨＵＹｉｎｇ－ｎｉｎｇ，ＸＩＯＮＧ　Ｌｉ－ｇｕｏ，ＬＩＵ　Ｙｕａｎ　（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＧｕａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ　５３０００４，Ｃｈｉｎａ）　【摘要】富水土壤条件下，采用单因素方法，研究了３种不同垂直地埋管换热器～单ｕ型、双ｕ型和套管型的地源　热泵热水系统。３种小型热泵热水系统在稳定运行情况下，系统能效比分别为３．５、４．１、４．５。小型地源热泵热水系统　在夏热冬暖地区具有良好的适应性，能满足制取生活热水的需求。　【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｉｎｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒ－ｒｉｃｈｓｏｉｌ，ｓｏｍｅｒｅｓｅａｒｃｈｈａｖｅｂｅｅｎｄｏｎｅａｂｏｕｔｔｈｅｇｒｏｕｎｄｓｏｕｒｃｅｈｅａｔｐｕｍｐｈｏｔｗａｔｅｒｓｙｓｔｅｍｓ（ＧＳＨＰＨＷ）　ｗｉｈｔｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｅｒｔｉｃａｌｂｕｒｉｅｄｔｕｂｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ一一ｓｉｎｇｌｅ　Ｕ－ｔｙｐｅ，ｄｏｕｂｌｅＵ－ｔｕｂｅｔｙｐｅ，ｃａｓｉｎｇｐｉｐｅｔｙｐｅ，ｂｙｔｈｅｓｉｎｇｌｅｆａｃｔｏｒｍｅｔｈｏｄ．Ｄｕｒｉｎｇ　ｈｅｓｔｔｅａｄｙｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｓｍａｌｌ　ｓｉｚｅＧＳＨＰＨＷｓｙｓｔｅｍｓ，ｔｈｅＣＯＰｏｆｅａｃｈ　ｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅ３．５，４．１，４．５．Ｔｈｅ　ｓｍａｌｌ　ｓｉｚｅＧＳＨＰＨＷ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｕｉｔｄｗｅｌｅｌｔｏｔｈｅｒｅｇｉｏｎｓｗｉｔｈｈｏｔｓｕｍｍｅｒａｎｄｗａｒｍｗｉｎｔｅｒ．Ｉｔｃａｎｐｒｏｄｕｃｅｅｎｏｕｇｈｈｏｔｗａｔｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｄａｉｌｙｎｅｅｄｓ．　【关键词】垂直地埋管换热器；地源热泵热水系统；套管；Ｕ型　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】ｖｅｒｔｉｃａｌｂｕｒｉｅｄｔｕｂｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ；ＧＳＨＰＨＷｓｙｓｔｅｍ；ｃａｓｎｉｇ－ｐｉｐｅ；Ｕ－ｔｙｐｅ　【中图分类号】Ｔｕ８３３＋．３；ＴＵ９Ｃ２　【文献标识码】Ａ　【文章编号】１００４．９４６７（２０１２）０５．０ｌ１７．０４　１引言　地源热泵热水系统是一种利用浅层地热资源（也称地能，　程加快，以及人口增长，土地资源愈来愈紧缺，因此在城市居　住区和气候变化明显的区域，目前广泛应用的是垂直地埋管。　垂直地埋管最常见的三种形式为单ｕ形管、双ｕ形管、套管　包括地下水、土壤或地表水等），将低温位热能提升为满足生　式管。　活供热需求的热能的高效节能的生活热水供给系统。以土壤　文献［４】通过单ｕ型、双ｕ型和套管型的准三维传热模型　源为热源制备生活热水的地源热泵热水系统，地埋管换热器　分析了钻孔内的传热过程，单ｕ型管地热换热器的单位孔深　是其核心组成部分。地埋管分为水平式和垂直式。水平式地埋　换热量比双Ｕ型管低，　能优于Ｕ　管施工简易，但地埋管深度较浅容易受外界气温的影响，而且　型管式地热换热器。文献［５】对由单ｕ型换热器和套管型单井　占用较大面积；垂直式地埋管单位井深换热量高，占地面积　换热器构成的土壤换热系统进行了研究，发现渗流水有助于　少，但施工难度加大，成本增加　３】。由于工业化和城镇化进　土壤换热器的换热，套管释放的冷量主要沿渗流水流动方向　【基金项目】广西自然科学基金项目（２０１０ＧＸＮＳＦＡＯ１３０２２），　广西制造系统与先进制造技术重点实验室项目　【作者简介】胡映宁（１９６０　），女，广西贵港人，教授，从事机械工　程及可再生能源的教学与研究，（电子信箱）ｈｙｎ＠ｇｘｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。　１１７　扩散，且较长时间运行后的土壤换热系统能够保持稳定；管径　明显优于ｕ型换热器。　是两广地区，雨水丰富，水源充　Ｉ工程建设与设计　ｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ＆Ｄｅ　ｌＦｏｒｔ￣ｊｅｃｔ　足。丰富的水资源使得我国南方大部分地域属于富水土壤，使　’‘　得土壤具有较高的热交换效率。富水土壤可以靠自然补充，保　：０‘．Ｉ‘：・　杂填土　持一定的地温［６１。　喜　！　黏土　随着人类生产生活水平的提高，越来越多的地方需要供　应热水，建筑节能技术越来越得到广泛应用，因此针对亚热带　毒　粉质黏土　夏热冬暖地区的气候特征和富水土壤的特Ｉ生，设计节能与经　１　●　　’●●　‘　济效益较高的地源热泵热水系统是满足当前需求和建筑节能　螽　■　０　粉土　ｆｔ　●’　‘－　ｆ，　＾～措施的有效途径之一。笔者设计了３种小型不同垂直埋管形　１　Ｊ　；÷：冀｛　ｘ……．；｛　：裔藩　式的地源热泵热水系统，探索小型地源热泵系统在夏热冬暖　爵　薷溺嚣精　地区，尤其是富水土壤地质条件下作为热水系统的适应性和　堕　戮黼黼麓嚣　粉砂　１　融　搿秘箍　觏＊　节能效果，为该地区的地源热泵热水系统理论研究和工程实　图２场地土层分布　践提供参考依据。　表１地埋管结构　２测试系统简介　名称　本次测试的三种小型地源热泵热水系统原理如图ｌ所　单Ｕ型　ＰＰＲ　２５Ｒｍ＇１　双Ｕ型　胍４＇２５ｍ　示，热水系统位于距广西一邕江５００ｍ左右的区域，各系统　套管型　外管　镀锌钢管４，２０ｍｍ　内管ＰＰＲ　４＇８０ｎ＇ｌｎ　地埋管换热器管群相距５ｍ～ｌＯｍ。由南宁市水文地质图和现　场地质勘查报告，该区域属低级阶地孔隙水亚区，属孔隙潜　３实验仪器和方案　水，水量丰富，属富水土壤。勘察报告结果显示：地下０～５．７５ｍ　实验中使用的仪器有：精度为±Ｏ．１℃的ＴＰ３００　１型电子温　为杂填土；５．７５ｍ～２０．２１ｍ为黏土；２０．２ｌｍ～２８．０４ｍ为粉质黏　度计；ＴＲ１１８型定时器；等级精　土；２８．０４ｍ　３７．３６ｍ为粉土；３７．３６ｍ～５１．０６ｍ为粉砂；地下水　ⅥｃＴｏＲＤＭ．６２６６型卡钳式万用表。　位约为地面以下４．５ｍ，场地土层的分布如图２所示。３种热水　实验采用单因素实验方法，通过测试系统循环冷却水流　系统的热泵机组参数分别为，单ｕ型热泵机组为Ｔ１５．０３６型，　量和进出温度、热水温度、自来水流量和温度、循环泵、系统耗　额定功率为３．６２ｋＷ；双ｕ型热泵机组为Ｔ１０．０２８型，额定功　电功率，分析地源热泵热水系统运行情况。　率为２．５９ｋＷ；套管型热泵机组为Ｔ２０．０２８型，额定功率为　４实验数据处理　２．５９ｋＷ；循环泵的额定功率均为２５０Ｗ。垂直地埋管材质与管　在本实验中，计算如下：　径参数如表１所示。　１）地埋管换热器单位时间获得热量Ｑ　Ｑ＝Ｃ。　。ｐＡＴ／３６００（Ｗ）　（１）　式中，　为地埋管循环水流量Ｉｍ３／ｈ，；△Ｔ为热泵机组地埋管循　环水的温差，℃。　２）地埋管换热器单位井深换热量ｇ　ｑ＝Ｑ／ｎ。ｈ（Ｗ／ｍ）　（２）　５实验结果和分析　１）单ｕ型、双ｕ型、套管型垂直地埋管地源热泵热水系统　里。　望　垄妻』　『］Ｊ一旦　塞墨Ｊ　曼』　ｊ　粤阀土蔓　型　霁璺　比较　图１地源热泵热水系统原理图　将３种小型地源热泵热水系统的循环冷却水流量通过阀　１１８　门调节为２　Ｏ００１．／ｈ，连续运行一定时间使其达到稳定状态，对　比各系统的运行特性。　２２．５　＋单嗖＋　＋套管　差　整　’——＇　２０．０　’７．５　：　：＝＝：＝　．　一　一　一　●　２　１５．０　ｓ　１００　７．Ｓ　５．０　一●……．．．－………－…－……●………－………－……～－………－　２．５　’▲一－－．“Ｉ．ｍ…　‘　‘ｌｉｔ…‘　。”．－　，Ｉｔ　－『　嚣　：ｌ：：＝：＝＝：：：ＩＩ　０．０　Ｉ　－　Ｊ　Ｉ　　Ｉｌ　●　ｔ　１　２　３　４　，　４　时间，ｈ　图３系统循环冷却水温度曲线　由图３可知，系统运行一段时间后基本趋于稳定状态，各　系统从土壤中提取的热量在此段时间内基本保持恒定。３个系　统的地埋管循环冷却水进出温差，套管型的温差比较大，维持　在５℃左右；单ｕ型和双ｕ型地埋管循环冷却水进出温差约　为２．５℃。　—●　一单ｕ型—●广＿双ｕ型—・卜一套管型　８０　鲁　。：。、、、、・———一－～６０　　．．．．　５０　。　－　・　＝　＝　＝　：　一　蓉３０　’’、　。　’　２０　１０　０　１　２　３　４　５　６　，　时间／ｈ　图４单位井深换热量　由图４可知，单ｕ型、双ｕ型和套管型地源热泵热水系　统的地埋管换热器单位井深换热量分别约为３１Ｗ／ｍ、４０Ｗ／ｍ、　６２Ⅵｒ／ｍ。　＋单　型　＋双ｕ型　＋套管型　・　一．一＼　二＝＝　ｈ’１　～▲　一＼．．．，，　—　１　２　３　４　５　６　７　８　时间／ｈ　图５机组ＣＯＰ曲线　公用工程设计ｌ　Ｐｕｂｌｉｃ　Ｕｔｉｌｉ￣ｓＤｅｓｉｇｎ］　由图５可知套管型和双ｕ型的热泵机组ＣＯＰ大于单ｕ　型的，在４．７左右，套管型的略大于双ｕ型，单ｕ型在３．７左　右。图６中单ｕ型、双ｕ型、套管型地埋管地源热泵热水系统　ＣＯＰ分别为３．５、４．１、４．５，单ｕ型、双ｕ型比套管型系统ＣＯＰ　低２３％、９％。　时间ｍ　图６系统ＣＯＰ曲线　综合以上分析，套管型地埋管地源热泵热水系统能效比　高于单ｕ型和双ｕ型系统，双ｕ型高于单ｕ型。套管型、双　ｕ型、单ｕ型地埋管地源热泵热水系统节能效果依次下降。套　管型地埋管的外管为镀锌钢管，导热性较高的埋管材料，单位　井深换热量较高，提高了系统能效比，在制热功率较高、埋管　空间有限的情况下，较为适用，而制热功率较低、埋管空间足　够时，宜采用双ｕ型埋管方式。　因此，以下考察循环冷却水流量对套管型地埋管换热器　地源热泵热水系统的影响。　２）流量对套管型地埋管地源热泵热水系统的影响　循环冷却水流量／（ＩＪｈ）　图７系统循环冷却水进出温差曲线　由图７流量为１　Ｏ００Ｌ／ｈ、１　５００Ｌ／ｈ、２　Ｏ００Ｌ／ｈ、２　５００Ｌ／ｈ、　３　Ｏ００Ｌ／ｈ时，所对应的进出口温差分别约为８．４℃、６．６℃、　５．６℃、４．９℃、４．８＂Ｃ，说明循环水的进出口温差会随着流量的增　大而变小。　从图８流量对套管地埋管换热器单位井深换热量的影响　来看，流量为１　Ｏ００Ｌ／ｈ、１　５００Ｉ＿：ｈ、２　Ｏ００Ｌ／ｈ、２　５００Ｌ／ｈ、３　Ｏ００Ｌ／ｈ　】】９　５ＳＩ工程建设与设计　Ｉ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ＆ＤｅｓｉｇａＦｏｒ脚ｅｃ　时对应的换热量分别约为５１Ｗ／ｍ、５２Ｗ／ｍ、６２Ｗ／ｍ、６０Ｗ／ｍ、　５４ｗ，ｍ，流量增大，单位井深换热量随之增大，增大到一定程　度，换热量下降。　６结论　１）通过对单ｕ型（ＰＰＲ），双ｕ型（ＰＰＲ），套管型（镀锌钢　管）垂直地埋管地源热泵热水系统进行测试，３种系统的机组　ＣＯＰ和系统ＣＯＰ依次递增。套管型地埋管地源热泵热水系统　适用于制热功率较高、埋管空间有限的情况，而制热功率较　低、埋管空间足够时，宜采用双ｕ型埋管方式。　２）套管型垂直地埋管的单位井深换热量随着流量的增大　而增大，在低流量时换热量基本处于稳定状态，当流量大到一　定程度的时候，换热量会逐渐降低到一定数值然后稳定。因　循环冷却水流量／（ＩＡａ）　此，从提高系统能效考虑，设定合理的系统循环冷却水流量也　是提高系统效率的重要途径之一。曲　【参考文献】　【１】ＮＲＣａｎ，Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ　Ｅａｒｔｈ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｙｓｔｅｍｓ：Ａ　Ｂｕｙｅｒ＇ｓ　Ｇｕｉｄｅ，Ｎａｔｕｒａｌ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｃａｎａｄａ’Ｓ　Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，ＩＳＢＮ　图８单位井深换热量变化曲线　５　ＯＯ　４，７５　４　５０　钆４．２５　４　Ｏ０　０　１ｊ｛５　３　７５　３　５０　３　２５　０－６６２－３２８０８—６，Ｃａｔ．Ｎｏ．Ｍ９２—２５１／２００２Ｅ，Ｏｔｔａｗａ，ＯＮ，Ｃａｎａｄａ，９９　ｐａｇｅｓ，　２００２．　【２］Ｓｈｏｎｄｅｒ，Ａ…Ｓ　Ｈｕｇｈｅｓ，Ｐ．Ｊ．，Ｂａｘｔｅｒ，Ｖ．Ｄ．ａｎｄ　Ｔｈｏｍ￣ｎ，Ｊ．Ｗ．，Ａ　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｇｒｏｕｎｄ　Ｈｅａｔ　Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｍｅ￣ｏｄａ　ｆｏｒ　循环冷却水流量／（Ｉ＿Ａ９　３　ＯＯ　图９系统ＣＯＰ曲线　ＲｅｓｉｄｅｎｔｉａｌＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＡＳＨＲＡＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　１０５，ＳＥ一９９—２０—０１，１９９９．　由图９可以看出流量变化下，套管型地源热泵热水系统　的系统循环冷却水流量在２　Ｏ００Ｌ／ｈ时，系统ＣＯＰ达到较大　值。　【３】覃有志，李常春，胡映宁．广西发展大厦东楼地源热泵空调热水冷热　联供系统ｃ『己似蜀十【Ｊ］．装备制造技术，２００９（１１）：３７—３９．　【４】康龙．地源热泵不同地热换热器形式的性能分析【Ｊ］．供热制冷，　２００９（７）：２９．３２．　由以上分析可知，即使再增加通过套管换热器的流量，稳　定时套管的单位井深换热量也不会再提高，这主要是由土壤　【５】胡映宁，林俊，尹向明．富水土壤地区土壤换热器换热性能的实验研　究【Ｊ】．太阳能学报，２００９，３０（１）：５—１１．　的热物ｌ生造成的，随着套管周围土壤温度的降低，更远距离的　热量不能较陕地扩散过来，因此不能够使套管换热器获得更　多的热量［７１。从以上分析可知，此套管型地埋管换热器的系统　循环冷却水流量选择为２　Ｏ００Ｌ／ｈ时，系统稳定工作且保持较　【６】陈文明，王成勇，王雁生，胡映宁，林俊．广帅Ｉ地区地源热泵热水系统　的应用研究［Ｊ】．节能，２００８（３）：５５－５７．　【７】梅奎，张小松．地源热泵热水系统设计及经济性分析［Ｊ］．制冷与空　调，２００９，９（４）：５３・５７．　【收稿日期１２０Ｉ　ｉ－０５．３０　高的工作效率。　（上接第１１６页）　【２】王敏玲，等．空调对医院检验科空气细菌的影响【　广外Ｉ医药，２００９　（４０）：５７．６０．　３）特殊功能的实验室要设置通风橱。通风橱可以及时有　效地排出有害气体，保护工作人员和实验室环境。如　【参考文献】　【Ｉ】陆耀庆．实用供热空调设计手册（第二版）［Ｋ］．北京：中国建筑工业　出版社，２００７．　【３】张建立，等．医院空调系统的设计与运行管理［Ｊ］．中华医院管理杂　志，２Ｏ０３（３）：１７６．１７７．　【４】周中平，等．室内污染检测与控制【Ｍ】．北京：化学工业出版社，　２００２．　【收稿日期１２Ｏｌ１－１２．３１　１２０