土耳其寒冷气候区垂直地埋管地源热泵系统性能评价的实验研究.docx

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土耳其寒冷气候区垂直地埋管地源热泵系统性能评价的实验研究

土耳其寒冷气候区垂直地埋管地源热泵系统性能评价的实验研究

俄梅尔•俄尔特a，都达•阿瑞夫•俄肯斯b

a土耳其阿塔图克大学机械工程学院土耳其埃尔祖鲁姆25240

b土耳其I.C.农业大学农业职业学院

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摘要：

热泵系统被公认为突出的采暖、制冷、热水系统。

他们提供高水平的舒适性,同时有显著的节能效益。

此外，维护方便，对环境友好。

这项研究的目的主要是在土耳其埃尔祖鲁姆寒冷气候条件下，评估实验的性能和垂直地源热泵（GSHP）的能量分析。

为了实现这一目标,在阿塔图克大学能源实验室进行了分析了地源热泵的实验。

实验装置由一个深度53米的地埋管换热器,一个液-液蒸汽压缩热泵、水和其他测量循环泵控制设备组成。

在实验室的条件,并进行了为空间加热的试验验证,其中结果是在2007年采暖季节1-5月份期间获得。

统计结果被用来计算热泵性能系数（COP）和系统性能（COPs）。

我们发现COP和COPs分别在2.43-3.55和2.07-3.04范围内。

该研究还表明该系统可用于土耳其地区最冷气候之一的埃尔祖鲁姆省的住宅供暖。

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关键词：

地埋管地源热泵系统COP能量分析寒冷气候区

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1.简介

在人类发展历程中，能源是至关重要的控制杆之一,同样地也是决定国家经济发展的一个关键因素,。

很明显地，全球对能源不断增长的需求导致价格的急剧增长。

自1990年以来，能源需求的上升导致了温室气体的排放增长了25%,而生物多样性、水和空气质量也面临着危险[1]。

可再生能源利用和可持续发展是密切相联的。

为社会达到或者努力试着达到可持续发展,大的努力应该致力于发现是可持续发展的从可再生能源。

此外,环境问题应该得到重视并采取措施解决这一问题[2]。

在世界上所有的国家中，能源对于经济社会的发展和生活质量的提高都是至关重要的。

但是，就目前来说，如果技术依然一成不变、总体数量持续增长，那么世界上大部分的能量就会以不可再生的方式生产和消费,。

预计在2020年土耳其会投入使用电能5800亿千瓦时。

土耳其是十分依赖昂贵的进口能源，而这也对其经济造成了很大的负担。

土耳其的能源和电力的需求增长迅速。

自1990年以来,能源消耗年均增速超过4.3%。

可以想象,迅速扩大的的能源生产和消费在地方、区域乃至全球水平带来了大范围的环境问题[3]。

空气污染在这个国家已经成为相当大的环境问题。

在这方面,可再生能源对于土耳其的净洁及永续能源发展看起来是最有效率和最有效的解决方案之一。

土耳其的地理位置为大部分可再生能源的广泛使用提供了可行性[4]。

关于全球环境问题,土耳其的二氧化碳排放（CO2）量连同它的能源消耗同时增长。

在2000年排放量达到2.11亿吨[5,6]。

在住宅和商业的加热、冷却应用方面，地埋管地源热泵系统已经变得越来越普及。

这些系统已经被公认为能够提供可行的、环保的方式，而且能够替代传统单一的系统。

它为节约电能耗作出了重大的贡献,而且允许更有效的需求侧管理。

然而,不像空气源热泵系统，地源系统还没有被广泛使用。

地埋管地源热泵提供了一个新的、干净的建筑供暖方式,。

它是利用储存于大地的可再生能源,提供了供暖最节能的方式之一。

在某些应用中,该系统也可以在夏天反过来提供少部分的冷量。

此系统的维修费用非常,预计可提供可靠的、环境友好型的供暖使用超过20年。

相比一般用于锅炉和散热系统，地埋管地源热泵供暖系统优化运行在一个较低的水温最好。

就此而言,该系统是地板采暖系统[7]最理想的组成部分。

Hepbasli[8]研究了土耳其伊士麦垂直地埋管地源热泵系统的性能评估。

据报道,在文献[8],土耳其GSHP系统的装机容量相比在其他国家太小，而且GSHP系统在土耳其市场也不是被广泛地商业化。

但最近,有关GSHP的研究已经增加了，许多实验性的和数值性的研究报道文献[9-27]的基础上,分析了GSHP系统。

此外,世界各地也都在对利用两种热源的太阳能-土壤热源热泵系统进行了研究[28–36]。

通过放射本能分析法，Ozgener和Hepbasli[29]研究了带有50m的U形垂直地埋管热交换器的太阳能辅助的地源热泵温室供暖系统的性能特点。

Hepbasli[11]作出了在这种供暖模式下，以R-22作为制冷剂垂直地埋管地源热泵系统的性能评估的报告。

通过测量计算出热泵系统本身和整个系统的COP。

Kara[12]记录下了在土耳其伊士麦的这种供暖模式下，由实验得出的GSHP的性能评估。

该系统,以R-134作为制冷剂,有一个由聚乙烯（PE）管材、16毫米内径的单针组成的垂直的地埋管换热器（GHE）。

GHE被插入到的深度55米和直径203.2毫米的钻孔。

在这项研究中,确定了供热模式下系统和热泵的性能系数，并计算出了每米钻孔的热提取率,以及探讨了地表条件对整个系统的影响。

Inalli和Esen[13]用实验分析了诸如耦合换热器的埋深、防冻水溶液和下水道水的质量流量等参数对用于环流供暖的水平地源热泵的影响。

系统中1米和2米深处水平地埋换热器平均性能系数分别为2.66和2.81。

Healy和Ugursal[27]利用计算机模型研究各种系统参数对GSHP性能的影响。

他们也做了一个比较研究来评估用GSHP取代传统的加热/冷却系统和空气源热泵的可行性。

Bi等人[30]对所谓的带有垂直双螺旋地埋换热器的太阳能热源热泵系统做了理论性和实验性的研究，结果得出,开发利用热泵系统是可行的。

本研究包括带有垂直地埋管换热器地源热泵系统的性能评估和能量分析。

在下一章节的实验设置、描述,都集中在以R-134a作制冷剂的垂直GSHP，在具有土耳其东部安纳托利亚地区典型的寒冷气候特点的埃尔祖鲁姆供暖应用上。

至于热泵和整个系统的性能参数，分别是由测量尺寸和供暖季实验中垂直地源热泵系统的能耗计算而来。

2.实验研究

2.1系统描述

垂直地埋管地源热泵系统性能，在埃尔祖鲁姆,这座土耳其最冷的城市，通过试验研究得到。

实验系统设置在阿塔图克大学能源实验室，该大学位于埃尔祖鲁姆（海拔1869米,北纬39.55N,东经41.16E）。

说明该系统的原理见图1。

图2是GSHP和GHE的各种用法:

（a）开放式的热泵系统;（b）热交换器和其收集器。

该系统主要由热泵（一个滚动式压缩机、板式冷凝器和蒸发器（这些设备完全用25毫米厚绝缘橡胶泡沫包装）,一个恒温膨胀阀和流量控制设备如电磁阀、视镜、干燥机、吸蓄能器和垂直贮液器和用作工作流体的冷媒134a,地面耦合换热器和加热装置组成。

该交换器是由设在两个垂直钻孔上的两个独立U形管。

U形管是内径32毫米聚乙烯管道。

钻孔的深53米、直径105毫米。

为了避免冬天在工作条件下水结冻,50%的乙基乙二醇按重量比例混合使用。

连接GHE到蒸发器的管子绝缘，且埋深2米，以达到最小化热损失。

系统设备规格见表1。

2.2气象和土壤

埃尔祖鲁姆是东部安纳托利亚最大的省会，坐落在海拔1950米Palandoken山山脚下的。

GSHP系统能耗和性能通常要求调查天气信息。

土耳其国家气象服务站（TSMS）采取气象测量并且保留相关纪录。

遍布土耳其接近250个气象站记录下各种参数的测量值。

表2给出了埃尔祖鲁姆的长期平均值37]。

另外，气象资料如月平均环境温度和每月的最高和最低温度参见表3[38]。

此外,图3显示的是基准温度下的每月户外每日平均温度的变化。

户外每日平均温度计算是根据气象资料和基准温度

得到。

每年的户外每日平均温度是在特殊时

期内的时间（例如,采暖季节）的供热需求。

制冷温度是某一特定时期内时间（例如,冷的季节）降温冷却场制冷需求所在。

日常室外空气温度变化如图4[38]。

地源热泵系统和地热交换器的各种实图：

（a）热泵系统；（b）地热交换器；（c）地埋后的地热交换器；（d）U形管插入钻孔

表1

实验设备技术规格

循环

设备

技术规格

地热交换器循环（防冻水溶液）

地热交换器

垂直双U形管；内径和管材：

32mm，聚乙烯；钻孔深度：

53m；孔径：

105/8";回填材料：

生荒地

防冻水溶液循环泵

厂商：

威乐公司，机型：

TOP-S25/7，三级变速，动力提供：

220-240V/1-50Hz

热泵循环

制冷剂

R134a

压缩机

厂商：

谷轮公司；赫尔墨斯滚动式：

ZR40K3-TFD-522；动力提供：

380–420V/3–50Hz；压缩量：

9.4m3/h；压缩机输入功率（kW）：

2.57（3.5HP）

冷凝器

平板HE；水质量流量（l/h）：

1200；容量（kW）：

8；沾污系数（

）：

86

；热表面积（

）：

0.92

膨胀阀

厂商：

丹弗斯公司；型号：

TN2（R-134a）；PS=34bar；蒸发温度变化范围：

-40/+10

蒸发器

平板HE；水质量流量（l/h）：

1080；容量（kW）：

5,7；沾污系数（

）：

86

；热表面积（

）：

0.92

供热循环单位

水循环泵

厂商：

威乐公司；型号：

TOP-S30/10；三级变速；动力提供：

220–240V/1–50Hz

膨胀水箱

厂商：

拜马克公司；型号：

TM7.5；容积：

0.0075m3，额定压力：

100kPa；最大压力：

600kPa

表2

埃尔祖鲁姆气候条件长期平均值[37]

气候值

供暖月

十月

十一月

十二月

一月

二月

三月

四月

五月

平均室外温度

7.4

-0.5

-7.2

-10.8

-10.1

-3.7

5.2

10.3

最小室外温度

-0.6

-6.8

-12.6

-16.9

-16.7

-9.8

-0.9

2.7

最大室外温度

16.3

6.9

-1.6

-4.4

-3.1

2.6

11.8

17.3

平均相对湿度

62.9

82

81.3

77.5

73.1

75

56.7

60.7

平均风速

2.5

2.2

2.2

2.3

2.4

2.8

3.3

3.1

平均标准采暖度日

326

553

787

889

784

674

385

236

平均日照

6.3

4.3

2.3

3

3.8

4.4

5.9

7.6

平均太阳辐射

12.6

8.8

7

8.9

12.6

16

17

19.9

表3

土耳其埃尔祖鲁姆38]天气数据

下面对埃尔祖鲁姆盆地地面的一般特征给出不同的研究。

冲积序列，近300-500米厚，依赖于地下室地层不整合，由弱胶结可变大小，呈圆形，砾石，粗砂，沙子和淤泥圆状混合物组成的沉积层代表[39,40]。

砾石和粗砂颗粒在这部分冲积序列中占主导地位。

表5显示了实验位置钻孔处土壤信息。

埃尔祖鲁姆土壤物理性质在报告文献中存在相关信息。

Yarbasi[41]所提供的各种土壤性质（水分内容，干密度，孔隙度和原始状态的地下不同深度的渗透性）和热导率和热扩散。

在本研究中，在土壤干密度和含湿量的基础上，通过解析方程式求得热性能[42-44]。

4m和6m处的土壤热扩散率和热导率的平均值分别是是0.0004465

/h和0.7453W/（m

K）。

年平均土壤温度（

）是全年的土壤平均温度。

年均土壤温度相当于15-45米深的井水温度。

另外，我们发现，年均气温增加约1.1摄氏度的话，接触热交换器的土壤温度的增加或减少取决于管道的埋深。

此值在1.66-10

之间变化，通常认为是5.55

。

在几个深度处（5，10，20，50ve100cm）的土壤的温度变化见表4，该表是基于从埃尔祖鲁姆气象站[37]获得的测量数据。

土壤温度随着热量的流失而下降，但不同的是，比冷却少。

管表面积随加热率而变化。

土壤热阻（Rt）热流量非常重要。

而土壤热阻的影响因素有：

地埋管道埋深，管道尺寸大小，钻孔中管道编号顺序，每个管道间水平或者垂直间距，以及土壤种类等

2.3实验过程和测量

如图1，该系统由2×53米深垂直地下换热器（GHE）水冷式蒸发器和冷凝器（板式换热器），循环水泵和其他常规设备组成。

两种井已在系统中为串联和并联运行设计。

单井在整个实验中运行，而双井只被用于特定时段。

实验白天只有一个钻孔进行。

循环泵用于井和蒸发器之间的循环传热，热质是防冻液和水的混合物。

流体在蒸发器中将热量传递给制冷剂，然后，回流到GHE井中。

因此，热质流体全天在地面耦合换热器和蒸发器之间循环。

该地源热泵系统试验是在2007年1月到5月份这段时间的供暖模式下进行并实施的。

在这项研究中，温度，流速，压力下降，电压和电流都是进过测量已知的。

温度是每分钟通过数据采集卡监测并记录在表6。

仪器的选择，仪器的使用条件，，仪器刻度，周围环境，读数和检验方案都有可能导致实验的误差和不确定性。

不确定性分析需要来证明实验[10]的准确性，并使用霍尔曼描述方法进行不确定性分析[46]。

总的不确定性值的限度是水和防冻液温度±1.01％压力±2.05％压缩机输入功率±1.00％，循环泵输入功率±2.83％。

读数的不确定性表中的值是假定为±0.20％，和水和防冻混合液质量流量相关的总的不确定性解决方案是分别估计为±7.50％和±8.33％。

从冷凝器获得

和从地热获得

相关的总的不确定性分别为±7.57％和±8.40％。

热泵（COP）和整体系统（COPS）总的不确定性分别为±7.64％和±7.63％。

2.4实验结果计算

测量结果被用来计算传热冷凝器和蒸发器，热泵的COP和整个系统。

防冻水流量两个不同的价值观（10升/分钟和20升/分钟）的实验研究。

被忽视的热损失从冷凝器，蒸发器和GHE自管绝缘。

从冷凝器中获得有用的热能Qc也可以由下式得到。

如下：

（1）

其中

——质量流量；

——水的比热容；

——冷凝器出入口温差

从地面热交换器到蒸发器热提取率由下式：

（2）

其中

——溶液比热容；

——溶液质量流量；

——分别是蒸发器（GHE出口）进水防冻温度和蒸发器（GHE进口）出口防冻温度

压缩机输入功率

由下式计算：

（3）

其中

——压缩机电流强度；

——电压强度；

——功率系数；

循环泵输入功率

：

（4）

其中

——循环泵电流强度；

——电压强度；

——功率系数

热泵性能系数

计算：

（5）

整个系统性能系数

计算：

（6）

其中

——系统中所有热泵功率之和

3.结果和结论

在这项研究中，地源热泵可用性的实验分析的埃尔祖鲁姆地区的条件下进行的。

为此，热泵的热源和性能都在分析的基础之上研究的。

研究细节如下：

研究中的所有测量值都是埃尔祖鲁姆地区2007年1月份到5月份每天实测值，实验中得到的数据适用于系统的能量和性能分析。

在实验中，COP和COPs的变化是通过热泵热源全天的温度监测的。

在钻孔中防冻水溶液的质量流量（

），有两个不同的值，分别是10升/分钟，和20升/分钟。

在不同的时间对现有的两个钻孔同样进行了测试，测试相隔一天，几个月以来取得了最后的结果;实测数据和计算结果的平均值采暖季按1质量流率10L/min和20升/分列列于表7和8。

1米深度土壤温度（见表4）的变化和53米深度（表7和8）和同期周围空气的温度（见表2）相比很小。

很明显相比于空气源热泵，地源热泵有很大的优势。

然而，相对于空气源热泵系统，尤其是在温暖地区，地源系统仍然没有被广泛使用，[12,47]。

R134a制冷剂的温度变化也在表7和8给出了。

正如所看到的，蒸发器出口和压缩机进口间的温差是换热器（图1）的过热和过冷导致的。

热冷液体分别是换热器中冷凝器和蒸发器出口的制冷剂。

因此，换热器是用于制冷剂过热压缩机入口前和制冷剂过冷的膨胀阀入口前。

图5显示了2007年2月份供暖期间每天冷凝器和蒸发器进出水口温度的变化。

其他月份同样的变化也被观察到。

鉴于热传递方向从地源到循环溶液，蒸发器进水防冻溶液温度（GHE出水溶液温度）比53米土壤温度还要低。

这个温度是地面耦合效用作为热泵性能最重要的参数之一。

从表5中。

易知，蒸发器入口最低温度通常发生在二月。

此实验中，最低温和最高温大约分别在0.67

和6.0

。

表7和表8给出的平均气温分别是根据5个月来（1月-5月）两种不同的质量流量。

图5还表明，冷凝器出水温度约为42-48

。

在这种情况下，地板采暖和散热器二者，应首选前者，因为相比于散热器，它更加适合提供40-45

的温度。

因此，该系统适用于地板采暖。

从表7和表8给出的质量流量，易知，GHE的热提取的可用性随着质量流量的增加而降低。

采暖季节每米钻孔深度的热提取率的平均值，见表7和表8。

这些平均值除以地面（式

（1））总管道长度（63米）的热提取。

管道垂直的和水平的长度分别是53米和10米，全长63米。

单位孔深热提取率，最低在二月为83W/m，而最大在三月为105W/米。

据文献[48,49]，钻孔长度大小的确定是根据约为50W/m的热提取率，因为热提取率在40到100W/m范围内。

典型的是，欧洲中部的平均值就在55-70W/m之间。

由此可以看出，本研究获得的热量提取率的值与文献中的值是一致的。

冷凝器能量的日变化说明见图6。

很明显地，从图6热提取率在8.01到10.01kW间变化。

在实验中,第一井和第二井的热提取均被用到。

表7和表8给出的平均气温分别是根据5个月来（1月-5月）两种不同的质量流量。

如图所示,凝汽器的最小和最大热率分别是1月份的9kW和3月份的10.6kW。

另一方面,按表7和表8所给，压缩机的输入功率的最小值和最大值分别为3.32kW和3.93kW。

表7和8还表明,53m深度的土壤温度最小值和最大值分别为3.15和8.46摄氏度。

热泵和整个系统的供热系数的日变化如图7。

从图7我们可以很明显看出，COP在2.43到3.55之间变化，COPs平均日变化在范围从2.07到3.04之间波动。

如7表和8表,性能系数平均最小值和平均最大值，对于热泵系统（即COP）分别是2.65和3.0；对于整个系统（COPs）分别是2.12和2.5。

在Hepbasli研究[11]中,当热泵COP值和整个系统的COPs值分别是1.656和1.339时，钻孔深度为50m。

在卡拉[12]研究中,钻孔深度55m，而系统COP值为2.09。

尽管这二者间COP值很接近,但在我们的研究中，COP取值比[11，12]中得都要高。

这种差异可能是由于不同的因素，如相对于伊士麦，埃尔祖鲁姆更冷的气候条件，循环装置的热泵功率,回填材料，土壤性质等等。

4.总结

在我们的研究中,进行了实验研究的检查地区暖气地埋管地源热泵。

根据实验测量，我们进行了GSHP的能源和性能分析的研究。

研究表明:

（1）假设整个一天的供暖要求都是由热泵提供，由于压缩机功耗和冷凝器的热容量的变化导致热泵（COP）性能系数和系统（COPS）变化。

利用采暖季节得到的结果，热泵COP值平均最低和最高值是2.65和3.0，系统COPs值分别是2.12和2.5。

地源热泵是公认的用于民用建筑和商业建筑供暖和制冷最突出的技术之一，因为它提供了高系数性能（COP），间接供暖可达3-4，直接供暖可达3.5-5[7.50]。

在达到或接近设计值的条件下运作，相比其他热泵，我们系统整体的COP极低。

为了实现更高的性能，几个重要的设计特性，如泵送性能的提高，地面良好的物理性能和回填材料（如导热系数），各种压力损失最小化（管摩擦，通过热泵头损失，流量调节阀或平衡阀的损失等）高效率的水泵电机等，都应考虑到[11,12]。

（2）凝汽器的输出水温整个一天保持在所期望的水平（约42-48C）。

对于提供40

-45

的温度，地板采暖相比于散热器采暖更为便捷。

在加热过程中,蒸发器输出的水溶液的温度不断降低。

（3）众所周知，相比传统的系统，热泵系统环保友好，而且能带来巨大的环境效益。

近年来，地源热泵以10％的年增长率已被越来越多地用于建筑采暖和制冷。

随着由于矿物燃料的消耗而导致的日益严重的环境问题，目前正在做出努力发展节能和环保系统，利用无污染的可再生能源，如太阳能，工业废热或地热水。

地源热泵不仅适用于建筑的供暖和制冷，而且对减少二氧化碳排放量，也能够发挥显著作用[7,51]。

当今世界，在寒冷的气候区，被安装在任何地方都能使用热泵供热系统已经特别有吸引力。

相对传统的采暖系统，具有高性能和低功耗的地源热泵系统，如果进行必要的改进，则会成为由吸引力的选择。

尽管初始成本高，但是在我国，尤其是那些寒冷气候条件的地区，使用地源热泵应给予的重要的考虑，并进行降低系统成本的研究。

虽然利用地球的能源的技术，安装起来比一些天然气，油或电加热可能更昂贵，但他们与任何类型的供暖/制冷系统非常具有竞争力。

因此，对于要求应用供暖和制冷的，热泵最有吸引力。

一个开环的水源系统，对于一个普通的居民区来说，可能会花费10000美元，而闭环地源系统的费用可能高达$20,000。

然而，每年的运营成本仅850美元，而传统的供暖/制冷系统[7,52]需要2000美元或更多。

更具成本效益的钻孔技术用来降低初始成本和提高地面耦合热泵系统（GCHP）[53]寿命周期性能。

这项研究还表明，该系统可用于有着最高供暖需求的埃尔祖鲁姆省的住宅供暖。

埃尔祖鲁姆每年以基准温度22℃（见表3）采暖6256天。

在基准温度22℃下，埃尔祖鲁姆没有制冷日，这意味着此地区不需要制冷[38]。

因此，地源热泵可用于土耳其如埃尔祖鲁姆，这种气候寒冷的地区，民用建筑、公共建筑和商业建筑的采暖和制冷。

因此，全面的经济分析研究以及能源和性能分析研究应该进行。

因此，接下来的研究将侧重于能源和经济分析。

感谢

感谢阿塔图尔克大学科研基金会，感谢在支持我们的项目的框架工作下，依然我们提供的支持！