摘　要：針對夏季工況，對地埋管換熱器連續運行工況、間歇運行工況下的換熱能力進行了實驗研究。

關鍵詞：地埋管地源熱泵  地埋管換熱器  連續運行  間歇運行  換熱能力

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

近年來，地源熱泵在居住建筑、公共建筑中均得到了廣泛應用，其中地埋管地源熱泵(土壤源熱泵)占地源熱泵應用比例的32％^[1]。由于土壤溫度全年相對穩定，地埋管地源熱泵的季節性能系數具有恒溫熱源熱泵的特性^[2]，節能效果明顯。對于重慶地區大多數建筑，夏季冷負荷往往高于冬季熱負荷，因此地埋管地源熱泵冬夏兼用時，夏季向地下釋放的熱量大于冬季從地下吸收的熱量。隨著地埋管地源熱泵長時間運行，熱量在土壤中的累積易使土壤溫度升高，從而影響地埋管地源熱泵夏季運行效率。

因此，在地埋管地源熱泵的設計和運行中，應保持夏季向土壤釋放的熱量與冬季從土壤吸收的熱量基本相等，否則易導致地埋管地源熱泵性能下降，甚至失效^[3]。冷卻塔復合地埋管地源熱泵是將地埋管地源熱泵與冷卻塔相結合，由冷卻塔分擔夏季工況中部分冷卻水負荷，使地埋管地源熱泵全年向土壤的釋熱量與吸熱量基本相等^[4]。還可實現地埋管換熱器的間歇運行，在冷卻塔運行階段使土壤溫度得到恢復，以改善熱泵機組的性能。本文采用實驗方法，對地埋管換熱器在連續運行工況、間歇運行工況下的換熱能力進行研究。

2　實驗設計及實驗系統

①實驗設計

采用恒定地埋管換熱器進水溫度的方法，實驗模擬夏季工況下地埋管換熱器在連續運行工況、間歇運行工況下的換熱能力。對于連續運行工況，地埋管換熱器在周一至周五的8：10—l8：10連續運行，其他時間停用。對于間歇運行工況，地埋管換熱器在周一至周五的8：10—18：10間歇運行，其他時間停用，并設計了3種運行策略(見表l)。

地埋管換熱器的換熱能力由鉆孔單位深度換熱流量表征：鉆孔單位深度換熱流量越大，地埋管換熱器換熱能力越強；反之，越弱。根據實測供回水溫度、流量，鉆孔單位深度換熱流量q的計算式為：

式中q——鉆孔單位深度換熱流量，kW／m

Cp——水的比定壓熱容，kJ／(kg·K)

r——水的密度，kg／m³

qv——地埋管內傳熱介質(水)流量，m³／s

Dt——地埋管換熱器進出水溫差，℃

L——鉆孔深度，m

②實驗系統

實驗系統流程見圖l。地埋管換熱器進水溫度恒定在30℃，水的流速基本穩定在0.5m／s。鉆孔深度l00m，地埋管換熱器布置為雙U形，采用PE管，外直徑為32mm，壁厚為3mm。在地埋管換熱器進出水管道上分別設置溫度傳感器，并在鉆孔距地面0.5、2.5、4.5、9.5、14.5、24.5、44.5、64.5、94.5m處設溫度測點，測量土壤溫度。數據采集時間間隔為l0min，實測土壤初始平均溫度為l9.8℃。

3　實驗結果及分析

①連續運行工況

連續運行工況下，周一至周五地埋管換熱器連續運行時間鉆孔單位深度換熱流量隨時間的變化見圖2。由圖2可知，隨著時間推移，鉆孔單位深度換熱流量整體呈下降趨勢，雖然周一二這種變化并不明顯，但從周三開始，特別是周五，地埋管換熱器的換熱能力已有明顯降低。前一日運行結束時的鉆孔單位深度換熱流量較低，但次日基本能恢復至前一日開始運行時的水平。周一至周五日均鉆孔單位深度換熱流量見表2。由表2可知，經過5d的連續運行，鉆孔單位深度換熱流量從67.1W／m下降至64.8W／m，下降幅度為3.4％。

連續運行工況下周一至周五地埋管換熱器停用時間土壤平均溫度隨時間的變化見圖3。由圖3可知，土壤溫度的恢復是一個由快變慢的過程。在地埋管換熱器停用后，前4h土壤平均溫度快速下降，之后下降幅度明顯變緩。由于連續運行，土壤平均溫度整體上有逐漸升高的趨勢。由實測結果可知，從周五地埋管換熱器停用到下一周運行開始，土壤經過62h的恢復，土壤平均溫度從23.0℃下降至20.2℃，為下一周的運行提供了有利條件。

②間歇運行工況

間歇運行工況下3種策略周一、周二日均鉆孔單位深度換熱流量見表3。由表3可知，與連續運行工況相比，間歇運行工況3種策略的地埋管換熱器換熱能力均有所改善。策略1、2的地埋管換熱器換熱能力優于策略3，這表明地埋管換熱器停運時間越長，越有助于改善其換熱能力。策略l、2均為全天運行6h，但策略l的地埋管換熱器換熱能力卻高于策略2。這說明，在一段時間內，采取相對分散的土壤溫度恢復時間比采取相對集中的土壤溫度恢復時間效果更好。

4　結論

①對于連續運行工況，雖然前一日運行結束時的鉆孔單位深度換熱流量較低，但土壤溫度經過一定時間恢復，次日的鉆孔單位深度換熱流量基本能恢復至前一日開始運行時的水平，但整體上呈下降趨勢。

②與連續運行工況相比，間歇運行工況的地埋管換熱器換熱能力有所提高。

③對于間歇運行工況，在一段時間內，采取相對分散的土壤溫度恢復時間比采取相對集中的土壤溫度恢復時間效果更好。

參考文獻：

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[2]張燦，常茹，呂建．地埋管地源熱泵制熱性能測試與分析[J]．煤氣與熱力，2012，32(10)：A01-A04．

[3]丁勇．淺層地熱源熱泵空調系統在公共建筑應用中的能效研究(博士學位論文)[D]．重慶：重慶大學，2009：43-44．

[4]曲云霞，張林華，方肇洪．地源熱泵系統輔助散熱設備及其經濟性能[J]．可再生能源，2003(4)：9-11．

本文作者：李沁  賈宇

作者單位：重慶大學城市建設與環境工程學院

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