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制冷工况下水平埋管换热器运行状况分析 摘 要：探讨了地源热泵运行过程中水平埋管换热器热交换性能及其周围土壤的温、湿度场变化规律。研究结果表明，地源热泵间隙运行有利于土壤温度场的恢复，随着停机时间的增加，水平埋管与周围土壤的热交换能力明显提高；气候变化对水平埋管周围土壤的温度场分布具有显著影响，随着埋深的递减，土壤温度受气候变化的影响越明显；水平埋管周围土壤温度的变化幅度随着与埋管距离的增加呈递减趋势；热交换对水平埋管周围土壤湿度场的影响不明显，但大气降雨引起的地表水入渗对土壤湿度场的分布具有显著影响。 关键词：地源热泵；水平埋管换热器；热交换性能 近年来，地源热泵（简称GSHP）因其使用可再生的浅层地热能，具有高效、节能、环保等优点，在工程建设中得到了广泛的应用和发展。随着地源热泵技术的推广，其设计、运 行过程中突现出了一系列问题，如土壤热特性参数的不确定性、土壤的“冷热堆积”、地下水渗流对地埋管换热效果的影响等，这些问题都与地埋管周围土壤的温、湿度场有密切联系。一些学者对竖直埋管在半无限大介质中的稳态传热模型进行了分析讨论，并给出了其解析解；那威等通过建立地下水平埋管换热器模型分析了土壤导热系数对埋管及其周围土壤温度场分布和埋管换热量的影响；胡志高等利用ＡＮＳＹＳ有限元软件模拟了冬季竖直地埋管周围土壤的温度场分布；刘业凤等通过实验研究了土壤源热泵周围土壤的温度场变化；李晓燕等建立严寒地区水平埋管换热器周围土壤不稳定温度场的物理和数学模型，并进行了模拟计算及实验验证。上述研究结果表明，尽管针对地埋管周围土壤的温度场已取得了一定成果，但是由于土壤中热湿迁移的复杂性，关于地埋管周围土壤湿度场的研究却鲜见报道。实际上，地源热泵运行中地埋管换热器与岩土层的热交换是一个复杂的热湿耦合传热传质过程：周围土壤温度场变化促使土壤水分发生迁移，使土壤湿度场发生改变；反之，土壤湿度场变化促使土壤的热导率等参数发生变化，影响了土壤中热量传递，最终影响到土壤温度的改变。因此，有必要对地埋管周围土壤的温、湿度场开展系统的试验研究。 在以往的研究中，人们仅仅关注地埋管与周围土壤的热交换对土壤温、湿度场的影响，然而，在工程实践中，水平埋管由于埋层浅（地表以下１～３ｍ），仍然处在大气影响层范围之内，地表水入渗和大气温度、太阳辐射、蒸发等气象条件变化都会对水平埋管周围土壤的温、湿度场产生不可忽略的影响。 本文参考桂林理工大学地源热泵实验系统试验相关文章，对地源热泵系统运行过程中水平埋管的换热性能参数、试验场地周围气象因素和换热过程中土体的温湿度变化等数据进行分析，对地源热泵运行过程中水平埋管换热器热交换性能和周围土壤的温、湿度场变化规律进行深入研究。 1.实验系统简介 该系统采用ＨＹＳＳ０９０ＲＡ－ＪＦ型水水式水源热泵机组，可实现夏季供冷和冬季供暖等功能，系统末端选用４台ＳＫ－１４型风机盘管机组式水温空调，对称布置在实验室的４个角落；地埋管换热系统采用水平埋管，呈“串”型字布置在主管两侧，一共布置４组换热器，组间距为4ｍ，每组为单层水平双管，管间距为1ｍ，埋深为2.5ｍ；组间采用并联同程式，选用高密度聚乙烯（ＨＤＰＥ）管（内径φ＝２５ｍｍ），通过管内水循环与周围土壤进行热交换，每一部分采用单环路。 2.试验过程 一般来说，地源热泵运行分为夏季制冷和冬季供暖２种工况，本文仅选择夏季制冷工况 进行试验研究，根据现实生活中办公楼、商场和医院住院楼的实际空调运行情况，地源 热泵连续运行７ｄ（１６８ｈ）。试验过程中，分别对土壤的状态参数（温度、湿度）、周围的气象因素（降雨量、蒸发量、大气温度、相对湿度、太阳净辐射、风速值）等进行实时监测。 3.试验结果与分析 3.1水平埋管热交换性能分析 夏季工况试验运行模式下换热系统和管路的进出水温度、流量监测结果可知： １）尽管由于热泵机组启停控制而使循环水的进出水温度呈现锯齿状波动，但其温度变化趋势均比较一致，换热系统和Ｃ３管换热器进出水温度均保持一个恒定差值； ２）运行过程中换热系统和Ｃ３管换热器里的循环水流量基本保持不变。 随着停机时间的减少，水平埋管与周围土壤的热交换能力也逐渐降低，分析上述结果产 生的主要原因在于：在热泵机组运行过程中，地埋管换热器通过管内水循环不断向土壤中排放热量，同时吸收土壤中的冷量，随着该过程的不断进行，排放到土壤中的热量逐渐增加，致使土壤温度逐渐升高。当系统停机时，换热器附近的土壤中的热量向远端土壤中扩散，从而降低近壁面土壤的温度，使Ｕ型管附近的土壤温度得到一定程度的恢复。停机时间 越长，土壤温度恢复得越充分，土壤与管内循环水的热交换效率越高；反之，由于土壤温度不能有效恢复