地源热泵空调系统综合性设计性试验

地源热泵空调系统综合性设计性试验 华中科技大学环境学院建筑环境与设备工程专业

一、试验简介 地源热泵诞生于20世纪80年代中期。地源热泵技术是一项值得大面积推广的建筑供能技术。地源热泵是一种利用浅层和深层的大地能量，包括土壤、地下水、地表水等天然能源作为冬季热源和夏季冷源，然后再由热泵机组向建筑物供冷供热的系统，是一种利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空调系统。抽取地下水的水源热泵，由于技术限制，全部回灌不易做到，监督实施也比较困难，而且容易造成地下水污染,推广使用受到限制。目前在国内外大面积推广使用的是埋管式地源热泵技术，是充分利用浅层地热的最佳技术途径。目前埋管式地源热泵在欧美国家已得到普遍应用，已被充分证明是成熟可行的技术，在我国，建设部和一些省市的建筑节能政策中明确提出要推广使用地源热泵。（欧美普遍使用的是在别墅中，在冬天取暖、夏天空调的地区）

据美国10年来的统计资料，地源热泵的运行费用（采暖）比耗电空调节约22%～25%，比燃油、燃煤锅炉运行费用节约40%～60%。据美国10年来的统计资料，地源热泵的运行费用（采暖）比耗电空调节约22%～25%，比燃油、燃煤锅炉运行费用节约40%～60%。系统平均寿命预计15～18年，开式循环系统30年，闭式循环系统寿命预计50年。

地源热泵空调系统应用类型

二、试验内容 基于地源热泵中央空调综合实验平台，自行设计实验条件与目的，基本实验项目必做，其它可选做，也可依据实验设计增加新的实验项目 1、地源热泵空调系统能效测定试验 ⑴ 空调水系统及热泵机组冷却水、冷冻(热)水流量测量（基本） ⑵　空调水系统水温度、压力测量（基本）　　 ⑶　空调系统设备（热泵机组、水泵、风机等）输入功率测量　 ⑷　空调冷热水系统的输送能效比(ER)实验　　　　　　　　　 ⑸　空调水系统水力失调率实验　　　　　　　　　 ⑹　空调风系统风量失调率实验　　　　　　　 ⑺　风机单位风量耗功率实验　　　　　　　　　　 ⑻　热泵机组能效比(EER) 、性能系数(COP)实验　 ⑼　热泵机组的综合部分负荷性能系数(IPLV) ⑽　空调系统能效比、性能系数实验　　　　　　　　 ⑾　空调通风系统能耗系数(CEC)实验

２、室内空调环境气流组织、仿真、优化控制试验２、室内空调环境气流组织、仿真、优化控制试验 ⑴　室内温度场测量（基本） ⑵　室内流速场测量（基本） ⑶　室内气流分布特性实验（基本） ⑷　室内流场的FLUENT仿真对比实验 ⑸　室内空调环境气流组织优化控制实验 ⑹　地板辐射供暖实验 ⑺　地板辐射供冷实验 ⑻　舒适性空调通风系统运行效果评价实验

3、地源热泵土壤埋管换热器系统性能测试实验3、地源热泵土壤埋管换热器系统性能测试实验 ⑴　土壤埋管换热器运行参数实时监测实验（基本） ⑵　土壤埋管换热器热物性测试实验 ⑶　不同深度土壤埋管换热器比较实验 ⑷　不同型式土壤埋管换热器比较实验 ⑸　不同回填材料下土壤埋管换热器比较实验 ⑹　不同运行参数下土壤埋管换热器比较实验

三、主要实验设备 本次试验中的三部分工作涉及到的主要试验设备在搭建的试验平台中均有配备，包括： 1、地源热泵中央空调综合实验系统

2、地下埋管换热器系统

3、地源热泵数据采集系统

4、流量测量装置 5、功率测量装置

6、室内温度场数据采集系统

7、室内气流数据采集系统

8、埋管换热器热物性测试系统

四、试验原理与方法 1、地源热泵空调系统能效测定试验原理 ⑴ 空调水系统及热泵机组冷却水、冷冻(热)水流量测量运用涡轮流量计、超声波流量计、电磁流量计、玻璃转子流量计等流量测量装置对空调水系统及热泵机组水流量根据实验设计需要进行实时测量(详见仪器操作说明及现场操作示范) ⑵　空调水系统水温度、压力测量　运用地源热泵数据采集系统对水系统各点温度等运行参数进行实时测量(详见仪器操作说明及现场操作示范) 　　⑶　空调系统设备（热泵机组、水泵、风机等）输入功率测量运用电能表、电参数综合测量仪、钳形功率表对空调系统设备输入功率进行实时/累积测量(详见仪器操作说明及现场操作示范)

⑷　空调冷热水系统的输送能效比(ER)实验　　　　　　　　　空调冷热水系统的输送能效比(ER)应按下式计算：式中： H——水泵设计扬程（m）； △T——供回水温差（℃）； η——水泵在设计工作点的效率（%）。计算结果和空气调节冷热水系统的最大输送能效比比较，不应大于最大输送能效比的规定值。

⑸　空调水系统水力失调率实验　空调水系统中各并联管路的实际流量同设计流量的偏差，与设计流量的比值，按下式计算：式中： η——水力失调率； Q——实测水流量，m3/h； Q0——设计水流量，m3/h。 ⑹　空调风系统风量失调率实验风系统中各并联管路的实际风量同设计风量的偏差，与设计风量的比值，按下式计算：式中：η——风量失调率； V——实测风量，m3/h； V0——设计风量，m3/h。

⑺　风机单位风量耗功率实验 风机的单位风量耗功率（Ws）应按下式计算：式中： Ws——单位风量耗功率[W/（m3/h）]； P——风机全压值（Pa）； ηt——包含风机、电机及传动效率在内的总效率（%）。实验结果和风机的单位风量耗功率限值比较，不应大于规定值。

⑻　热泵机组能效比(EER) 、性能系数(COP)实验　热泵机组的能效比（EER）是指在名义工况下实测制冷量与实测制冷耗功率之比，按下式计算：式中：Q——实测制冷量，W； W——实测制冷耗功率，W。性能系数（COP）是指机组在名义工况下实测制热量与实测制热耗功率之比，按下式计算：式中：Q——实测制热量，W； W——实测制热耗功率，W。 ⑼　热泵机组的综合部分负荷性能系数(IPLV) 计算式和检测条件如下：

式中：A——100%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度30℃；式中：A——100%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度30℃； B——75%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度26℃； C——50%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度23℃； D——25%负荷时的性能系数（W/W），冷却水进水温度19℃。测量计算得到的IPLV和相关规定比较，不应低于规定值。 ⑽　空调系统能效比、性能系数实验式中：Q——空调系统实测制冷量，W； W——空调系统实测制冷耗功率（机组、水泵、风机等设备总输入功率），W。式中：Q——空调系统实测制热量，W； W——空调系统实测制热耗功率（机组、水泵、风机等设备总输入功率），W。

⑾　空调通风系统能耗系数(CEC)实验 空调通风系统能耗系数CEC按下式计算：式中： ——建筑物空调通风系统全年一次能源总耗量，包括全部冷热源风机水泵的能耗量； ——假想建筑物全年空调负荷累计值，包括采暖负荷、制冷负荷和新风负荷。对不同建筑物类型的空调通风系统能耗系数CEC的测算值和推荐值作比较，评估节能潜力。

２、室内空调环境气流组织、仿真、优化控制试验２、室内空调环境气流组织、仿真、优化控制试验 ⑴室内温度场测量　在室内三维空间上选择5个断面，总共96个测点，每个断面测点个数及布点根据实验设计确定，采用PT100温度传感器及其数据采集系统对室内空气和送回风温度进行实时测量(详见仪器操作说明)。 ⑵室内流速场测量运用室内气流数据采集系统对室内任意断面的风速进行实时监测，该系统由4套全向微风速/温度传感器及其数据采集系统组成，并布置在可移动台架上，可按实验设计需要，对不同断面及不同高度的风速和温度进行实时测量(详见仪器操作说明)。

3　室内气流分布特性实验 ①不均匀系数该法是在工作区内选择n个测点，分别测得各点的温度和风速，求温度和风速的算术平均值分别为：风速：温度：均方根偏差分别为：风速：温度：则不均匀系数分别为：风速：温度：其中，愈小，则气流分布的均匀性愈好。

②空气分布特性指标 空气分布特性指标（ADPI）定义为满座规定风速和温度要求的测点数与总测点数之比。有效温度差与室内风速之间存在下列关系：式中 ⊿ET——有效温度差； ti，tn——工作区某点的空气温度（假定壁面温度等于空气温度）和给定的室内温度，℃； ui——工作区某点的空气流速，m/s。并且认为当⊿ET=-1.7～+1.1之间多数人感到舒适。因此，空气分布特性指标则应为：在一般情况下，应使ADPI≥80%。

③换气效率 定义空气寿命的表达式为：式中C0——示踪气体（如CO2，F-12等）初始浓度； ——示踪气体瞬时浓度； ——空气寿命。假定理想的送风方式为一“活塞”流，送入的新鲜空气量为L0，房间体积为V ，则该房间换气的名义时间常数为：取房间内空气可能的最短寿命为（考虑工作区高度约为房间高度的一半），并以此作为在相同送风量条件下不同气流分布方式换气效果优劣的比较基础，得出换气效率的定义式为：即换气效率为可能最短的空气寿命与平均空气寿命之比。

④能量利用系数 考察气流分布方式的能量利用有效性，可用能量利用系数来表达，即：式中： ——分别为排风温度，工作区空气平均温度和送风温度。

⑷　室内流场的FLUENT仿真对比实验 对比试验原理将借助于气流组织实验室实际模型模拟进行。小室的结构尺寸为6.75×4.6×2.8(m)；在北墙偏下方开设一送风口，尺寸为2.11×0.34(m)；在南墙偏上方开设两个回风口，尺寸均为0.75×0.56(m)；为满足负荷，在房间地板上设置有一离北墙2m的尺寸为1×1×1(m)的发热体。

室内空调环境气流场的仿真是借助于FLUENT的模拟进行的，一般的仿真过程分为Gambit中的模型建立部分和FLUENT中的模型计算部分，大致包括：室内空调环境气流场的仿真是借助于FLUENT的模拟进行的，一般的仿真过程分为Gambit中的模型建立部分和FLUENT中的模型计算部分，大致包括：第一步：Gambit中的模型建立

第二步：Gambit中的网格划分 第三步：Gambit中的边界条件设置依据实际要求，对给边界作出边界的初步设置。

第四步：FLUENT中的模型计算

在Gambit中建立完成的模型将被存储为.msh文件读入FLUENT计算程序，在计算程序中，经过网格的检查、平滑、显示，模型类型和能量方程的选择，以及流体物理属性和边界条件的设置以后，给定迭代次数和时间步长即可以进行计算，计算过程由残差图监控：在Gambit中建立完成的模型将被存储为.msh文件读入FLUENT计算程序，在计算程序中，经过网格的检查、平滑、显示，模型类型和能量方程的选择，以及流体物理属性和边界条件的设置以后，给定迭代次数和时间步长即可以进行计算，计算过程由残差图监控：

计算结果可以根据自身要求，得到不同坐标平面内的温度和速度分布情况。计算结果可以根据自身要求，得到不同坐标平面内的温度和速度分布情况。例如，稳定态下的X-Y平面（Z＝2m）上的温度、速度分布图：温度分布速度分布

实际的气流组织试验可以根据情况设定不同的边界条件和室内负荷情况的描述，建立新的模型进行计算，计算结果与实验小室内各温度采集点的采集数据以及利用风速仪测定的气流速度进行对比，通过这样的对比检验我们模型建立的正确程度。在此基础上，我们将可以描述实验小室即末端系统中气流组织的状态以及温度、速度的分布特点。实际的气流组织试验可以根据情况设定不同的边界条件和室内负荷情况的描述，建立新的模型进行计算，计算结果与实验小室内各温度采集点的采集数据以及利用风速仪测定的气流速度进行对比，通过这样的对比检验我们模型建立的正确程度。在此基础上，我们将可以描述实验小室即末端系统中气流组织的状态以及温度、速度的分布特点。

⑸　室内空调环境气流组织优化控制实验 通过对温度场、流速场的实测结果,室内气流分布特性实验和模拟仿真结果的比较，调节各参数以优化气流组织，再重复（1）～（4）步骤测量、优化气流组织。 ⑹　地板辐射供暖实验用地板辐射供暖代替全空气系统的空调方式,建立相对稳定的室内空调环境,进行温度场、流速场测量实验以及室内气流分布特性实验,并利用红外热像仪测试辐射供暖地板的温度场。 ⑺　地板辐射供冷实验用地板辐射供冷代替全空气系统的空调方式,建立相对稳定的室内空调环境,进行温度场、流速场测量实验以及室内气流分布特性实验,并利用红外热像仪测试辐射供暖地板的温度场,计算空气露点。

⑻　舒适性空调通风系统运行效果评价实验 ①温度评价（夏季、冬季工况二选一），室内温度测试按照现行国家标准《公共场所空气温度测定方法》GB/T 18204.13执行。 ②相对湿度评价（夏季、冬季工况二选一），室内相对湿度测试按照现行国家标准《公共场所空气湿度的测定方法》GB/T 18204.14执行。 ③气流速度评价（夏季、冬季工况二选一），室内空气流速的测试按照现行国家标准《公共场所空气流速的测定方法》GB/T 18204.15执行。 ④空气洁净度评价，室内吸入颗粒物的测定按照现行国家标准《室内空气中可吸入颗粒物卫生标准》GB/T 17095执行。 ⑤新风量评价指标，新风量的测试按照国家标准《公共场所室内新风量测定方法》GB/T 18204.18执行。 ⑥噪声评价标准，室内噪声的测试按照现行国家标准《公共场所噪声测定方法》GB/T 18204.22执行。根据各参数的实测值，与相关规定值作比较,评价舒适性空调通风系统运行效果

3、地源热泵土壤埋管换热器系统性能测试实验 ⑴　土壤埋管换热器运行参数实时监测实验利用热物性监测仪对换热器进出口水温及流量等参数运用数据采集系统进行实时数据测量（详见仪器操作说明）。 ⑵　土壤埋管换热器热物性测试实验土壤导热系数和单位井深换热量的测定原理土壤导热系数是依据基于线热源模型的斜率法而确定的，线热源模型的计算式为：

其中，Tf－地下埋管内流体平均温度，℃； Q－加热器加热功率，W；－土壤导热系数，W/mK； H－钻井有效孔深，m； t－测试持续时间，s； a－土壤热扩散率，m2/s； Rb－钻井导热热阻，K/（W/m）；－欧拉系数，0.5772； rb－钻孔外径，m； Tsur－土壤初始温度，℃. 上式可以简化为：

当给定的加热功率恒定时，简化式中的k、m均为常数，且有如下表达式成立：当给定的加热功率恒定时，简化式中的k、m均为常数，且有如下表达式成立：于是地下埋管内流体平均温度可以描述为时间的对数函数，只要根据平均温度随时间的变化曲线求出k，就可以由下式得到土壤导热系数值：

单位井深换热量也是通过热物性测试仪确定的，一般做法为：给定测试仪出水温度，进行持续性试验，待测试仪出水和回水温度稳定时结束试验，单位井深换热量可以由下式计算：单位井深换热量也是通过热物性测试仪确定的，一般做法为：给定测试仪出水温度，进行持续性试验，待测试仪出水和回水温度稳定时结束试验，单位井深换热量可以由下式计算： q＝ Vcp(T1-T2)/H/3600 其中，q－单位井深换热量，W/m；－流体密度，取980kg/m3； V－体积流量，m3/h； cp－流体比热容，取4.1618kJ/kg.℃； t1－流进地下埋管的水温，℃； t2－流出地下埋管的水温，℃； H－钻井有效孔深，m. 由上式即可求得单位井深换热量值。

⑶　不同深度土壤埋管换热器比较实验 在相同运行参数下，分别进行土壤埋管换热器热物性测试实验,测量比较不同深度土壤埋管换热器的单位井深换热量。 ⑷　不同型式土壤埋管换热器比较实验在相同运行参数下，分别进行土壤埋管换热器热物性测试实验, 测量比较不同型式土壤埋管换热器（如垂直式的单U和双U，双U中又有不同的连接方式等）的单位井深换热量。 ⑸　不同回填材料下土壤埋管换热器比较实验在相同运行参数下，分别进行土壤埋管换热器热物性测试实验, 测量比较不同回填材料下土壤埋管换热器的单位井深换热量。 ⑹　不同运行参数下土壤埋管换热器比较实验对同一土壤埋管换热器，分别在不同运行参数（如进口水温、流量等）进行土壤埋管换热器热物性测试实验,测量比较不同运行参数下土壤埋管换热器的单位井深换热量。

五、试验步骤 1、运行地源热泵中央空调综合实验系统按照地源热泵中央空调综合实验系统安全操作规范进行开机： • 该实验系统必须由实验管理人员开机运行 • 系统运行前应仔细检查各电气元件是否松动 • 系统运行前主机至少要通电8小时 • 确定系统已充满水 • 确认冷冻水、冷却水系统各阀门开关位置正确 • 启动主机控制电源，检查各参数设置是否正确 • 启动冷却水系统 • 启动风机盘管等末端设备 • 启动冷冻水系统 • 调节冷冻水、冷却水流量 • 启动机组 • 监测机组各运行参数，确保机组在设定参数下正常运行 • 系统运行期间必须有人值守

2 、实验数据采集记录 操作运行: 地源热泵数据采集系统室内气流数据采集系统室内温室度数据采集系统流量压力功率测量装置 3 、关闭地源热泵中央空调综合实验系统关机：关闭机组水泵继续运行3分钟后才可以关闭关闭水泵关闭末端设备关闭数据采集系统及测量装置装置保持主机电源主回路通电如果关机期间环境温度可能会低于0℃则必须将系统的水排空

六、试验数据处理 1、地源热泵空调系统能效测定试验数据处理根据实验测得的空调水系统及热泵机组冷却水、冷冻(热)水流量、温度、压力,　空调系统设备（热泵机组、水泵、风机等）输入功率等数据,分别计算分析: 空调冷热水系统的输送能效比(ER) 空调水系统水力失调率　　　　　　　　　空调风系统风量失调率　　　　　　　风机单位风量耗功率　　　　　　　　　热泵机组能效比(EER) 、性能系数(COP) 热泵机组的综合部分负荷性能系数(IPLV) 空调系统能效比、性能系数实验　　　　　　　　空调通风系统能耗系数(CEC)

２、室内空调环境气流组织、仿真、优化控制试验数据处理２、室内空调环境气流组织、仿真、优化控制试验数据处理根据实验测得的室内温度场、室内流速场、湿度和辐射地板温度场等实验数据,进行室内气流分布特性分析计算和室内流场的FLUENT仿真对比分析,据此进行: 室内空调环境气流组织优化控制,给出气流组织优化结果, 地板辐射供暖室内气流分布特性分析计算和气流组织优化结果地板辐射供冷室内气流分布特性分析计算和气流组织优化结果舒适性空调通风系统运行效果评价结果

3、地源热泵土壤埋管换热器系统性能测试试验数据处理 根据实验得到土壤埋管换热器运行参数实时监测数据,对不同深度、不同型式、不同回填材料、不同运行参数下土壤埋管换热器进行热物性分析计算,即计算土壤导热系数和单位井深换热量,并进行对比分析,方法示例如下: 土壤导热系数的确定按照线热源模型进行，单位井深换热量按照测试仪进出水温差和流量确定的，由试验数据得到如下曲线图根据上述两图和前述试验原理确定土壤导热系数和单位井深换热量。

七、思考题 1. 通过数据记录可以得到地源热泵能效比，将之与其他类型主机能效比作比较，结果如何？为什么？ 2. 使用热物性测试仪得到土壤导热系数和单位井深换热量，考虑一下它们在地源热泵系统设计中有什么重要作用？并考虑影响热物性测试结果的因素有哪些？ 3. 利用FLUENT模拟得到的气流组织结果与试验结果有什么差别？如何改变模型和边界条件来缩小这样的差别？

地源热泵空调系统 综合性设计性试验