李，女，1972年11月生，同济大学在读博士200092型垂直埋管式土壤源热泵制冷性能的实验研究李（同济大学）于立强张晶明（青岛建筑工程学院）[摘要]介绍了青岛地区首台U型垂直埋管式土壤源热泵实验系统，通过对热泵制冷工况的实验研究，得出制冷量与U型垂直埋管长度间的关系，并回归出热泵的制冷性能系数经验公式。
1前言热泵技术对于节约能源，防止环境污染具有重要意义。
目前，土壤源热泵研究较少，而土壤源热泵的性能在某些方面较空气源热泵更优越。世界上热泵技术比较发达的北美，北欧，中欧国家由于气候条件基本上只用于供热，对夏季制冷工况研究较少。而我国地处温带，冬季需供暖，夏季需供冷，这就需要对热泵供热和制冷工况工作性能进行研究，并通过实验获得设计、运行的数据资料。土壤源热泵的形式很多，根据埋管埋设方式不同，分为水平埋管式热泵和垂直埋管式热泵。垂直埋管式又分为U形管，中心套管，多浅井埋管，单一深井埋管等形式。本文对青岛地区U型垂直埋管式土壤源热泵进行了制冷性能的实验研究。
2 U型垂直埋管式土壤源热泵系统简介2.1 U型垂直埋管式土壤源热泵系统热泵系统组成及设备连接如图1所示。图中， 1.活塞压缩式土壤水热泵，电动机功率为2.2kW，制冷剂为F22立式明装风机盘管，功率为50W4.容积式水箱5.地面下垂直埋管式热交换器，为聚乙烯塑料圆管d40mm×4mm，埋深为53m ，全环路总长m，散热面积13.82m 6.闭式膨胀水箱型， d24mm8.LZB25型玻璃转子式流量计， d25mm9.金属套管式玻璃水银温度计，尾长120mm 10.联箱。
夏季制冷工况时，地下垂直埋管与冷凝器相接，室内冷冻水管与蒸发器相接，通过制冷剂循环，不断地将室内热量释放到地下低温土壤中，从而实现制冷。热泵由冷、热两端组成：一端联有垂直U形埋管另一端并联两个终端：风机盘管和容积式水箱。每个终端都由阀门控制，故各个终端可以单纯配对工作，也可以联合工人。
2.2U型垂直埋管压缩机功率为2.2kW，按热泵的理论制冷性能系数ε2 .0，供热系数ε=3.0，则理论制冷量为4.4kW，制热量为6.6kW.按国外资料推荐的经验数据计算：在制冷工况下，型聚氯乙烯垂直埋管，可按17.4～34.8m/ kW设计垂直埋管的长度。本实验根据青岛地区的气候条件和地理特点，选取24m/kW作为设计依据。垂直埋管长度为4.4kW×24m/ kW上由室外引入室内的4m的水平埋管共长m.
2.3埋管周围的土壤结构由钻井埋管时所取地下土壤试样可知：地下0～2m处为回填土2～53m处为花岗岩，没有发现地下水。为使埋管与周围土壤良好接触，在管周围用细砂填实，以防止由于热泵运转期间在埋地盘管周围出现冻土层现象（湿土壤冻结而膨胀，使盘管与周围土壤接触紧密，而当冻结部分融化后，移位的土壤不能回复到原处，使盘管与周围土壤之间产生空隙）。导致盘管与土壤的换热系数大大降低，不利于热泵机组的运行。
3测试项目及测试方法3.1冷端供回液温度测试冷端供、回液温度由自动检测系统测得，并由打印机打印输出。检测系统由检测元件、数字电压表、巡检器、数码转换器、计算机、打印机组成，其原理如图2.数字电压表为英国产的高精度1061A型数字电压表。此表分辩力为0.1微伏，精度为测量读数的百万分之10±0.2微伏，测温误差0.05℃。巡检器采用测量系统专用的舌簧继电器矩阵列，可供100个测量点巡回检测用，为每个测量点提供4个同时动作融点。将热电偶的公共康铜线和测温点的每根铜线按要求接到巡检器上。由于该巡检器只能识别BCD码，故采用数码转换器HP59301A将计算机送入IEEE 488总线的ASCⅡ码通道信息转换成BCD码来开启巡检器的数据采集通道。
控制测试的是586计算机，用以指令和协调IEEE 488总线上的所有设备的工作状态和工作顺序，并接收数字电压表1061A的测量结果，进行数据处理和数据输出。检测元件为铜康铜热电偶。
3.2功率的测定热泵电动机瞬时功率由国产三相功率表测定，累计功率由瑞典产C14GIY型功率表测定。
3.3流量的测定本实验制冷工况中，为防止结冰，冷冻水采用的是酒精水混合溶液。热泵冷、热端的酒精水溶液和水溶液的累积流量由瑞典产的MCE08 787型累积式流量表测定。瞬间流量由国产的LZB型玻璃转子流量计测定。
3.4压力的测定热泵机组本身在蒸发器和冷凝器处装有美制压力表，可直接读得蒸发压力和冷凝压力值。
4热泵机组制冷性能实验初期，由于控制设备发生故障而使测试时间有间断。测试期累计共41天，其中连续测试时间*长的一个时间段为19天。为反映真实情况，本文将测试点及间断点都列出。
4.1热泵机组制冷量测试期的日制冷量由下式计算得到。日制冷量随运行时间的变化，如图3所示。
式中， Q热泵机组的日制冷量， kWhp冷端供、回液的平冷端供、回液的平均比热， kJ/ kg？℃V冷端供、回液的日累积流量值， Lt分别为冷端供、回液的温度，℃。其中p由实验测得。
4.2单位制冷量所需垂直埋管管长由图3可知热泵机组日制冷量达基本稳定值时的日制冷量为88.44kWh ，设计时可按此稳定值及本文中所采用的埋管管长初步估计单位制冷量所需垂直埋管管长为：24×106/ kW如按41天总平均计算则需管长为：41×24×106/ 3817.36建筑热能通风空调4.3冷凝温度与蒸发温度冷凝温度与蒸发温度由试验时每小时测得的冷凝压力和蒸发压力换算得出。冷凝温度与蒸发温度的日平均值及温差随运行时间的变化，如图4所示。
值及温差随运行时间的变化4.4制冷性能系数制冷性能系数的计算公式见式（2）。
式中ε制冷性能系数Q热泵机组的日制冷量， kWh 热泵日耗功量， kWh ，由累积电功率表测得，如图5所示。
制冷性能系数随运行时间的变化，如图6所示。
由图3～图6可以看出，热泵日制冷量，日耗功量在运行**天*大，以后逐渐变小并趋于稳定，相应的制冷性能系数也是由大变小*后趋于稳定。冷凝温度日平均值随运行时间稍有增加，而蒸发温度日平均值稍有降低，所以冷凝温度与蒸发温度的日平均差值略有增加。上述现象主要是由于地下土壤温度随U型垂直埋管的放热而逐渐升高引起的每次间断后开始运行的**天的日制冷量，日耗功量较前一段停机时的数值稍有增加，而制冷性能系数有较大提高。冷凝温度和蒸发温度日平均值稍有恢复，这说明在间断期内， U型垂直埋管停止向地下放热，与此同时埋管周围土壤不断向远处土壤及周围环境传热，所以埋管周围土壤温度有所恢复。
4.5制冷性能系数与冷凝温度、蒸发温度的关系制冷性能系数的影响因素包括：冷凝温度、蒸发温度、压缩机类型、机组的摩擦损失、传热温差及高（低）温热源传热面积不可能无限大等多种因此。正因为这些因素的存在，使得实际制冷性能系数比理论制冷性能系数小得多。在这些影响因素中，冷凝温度和蒸发温度是主要因素，所以为方便工程应用，应寻求制冷性能系数与冷凝温度、蒸发温度的关系式。
由图4、图6知，测试期间每日的制冷性能系数都对应着一个冷凝温度与蒸发温度的差值，制冷性能系数随这一温差的增大而减少，且在相同的温差下，即使冷凝温度和蒸发温度不同，制冷性能系数也相差不大，这说明制冷性能系数和冷凝温度与蒸发温度之差密切相关。以无因次温度T）为横坐标，以制冷性能系数ε为纵坐标可以得到一系列的数据点，将这些数据进行幂函数回归（见图7）得本机组制冷性能系数为：式中，ε制冷性能系数：T蒸发温度， KT冷凝温度， K.
回归曲线的相关系数为0.916.式（4.3）的适用范围为T需要说明的是：由于室外温度随时变化，达到安全稳定状态几乎是不可能的。因此在整个测试过程中，每组数据都取连续24小时的平均值，而不采用瞬时值，这样可在一定程度上克服不稳定因素的影响。即便如此，从得出的实验曲线可以看出，实验点的收敛并不理想，制冷性能系数回归曲线相关系数为0.916.
分析图7可知：随着冷凝温度与蒸发温度之差的增大，制冷性能系数有所降低。
5结论（1）测试时间里，尽管中间有停机时间，但总的趋势是机组日制冷量，制冷性能系数，日耗功量逐渐下降并趋于稳定。
蒸发温度稍有下降、冷凝温度稍有上升并趋于稳定。从*后连续运行的19天的测试结果可以看出，机组连续运行七天后基本达稳定。机组制冷量，制冷性能系数，蒸发、冷凝温度等各项参数基本不再随时间变化。
（2）热泵在制冷工况间断运行时，在间断时间内，地温有所恢复，表现在每次启动时蒸发温度升高，冷凝温度下降，日制冷量有所提高，而制冷性能系数则大幅度提高。因此，可以认为：如果在夏季制冷工况热泵间歇运行时，热泵机组效率会有所提高。
（3）通过对青岛地区花岗岩土壤结构，直径Υ40mm ，壁厚δ=4mm的聚氯乙烯U形管内充水，外回填细砂情况的U型垂直埋管式土壤源热泵机组在整个制冷测试期（累积41天）内运行工况的实验研究，得出如下数据：①测试期平均制冷性能系数：ε②单位制冷量所需垂直埋管管长为28.76m/ kW，所需井深为：14.38m/ kW如按41天总平均计算则需管长为27.32m/（4）通过对本机组制冷性能系数与冷凝温度、蒸发温度测试结果的分析，回归出如下关系式：随着冷凝温度与蒸发温度之差的增大，制冷性能系数有所降低。
1.吴元伟、于立强，中国的热泵技术和应用，第五届国际热泵技术能源会议论文集P105.
2.于立强，水水活塞压缩式热泵机组的性能测试，暖通空调，建筑热能通风空调