论文部分内容阅读
本课题为2006年度北京工业大学传热与能源利用北京市重点实验室开放基金资助项目。和间接式土壤源热泵(Secondary Loop Ground-coupled Heat Pump，SL-GCHP)技术相比，直接膨胀式土壤源热泵(Direct Expansion Ground-coupledHeat Pump，DX-GCHP)技术是一项更高效节能的建筑物供暖空调技术。这主要是因为：(1)制冷剂在铜管埋地换热器中(Ground Heat Exchanger, GHE)直接蒸发或直接冷凝，减少了中间换热的热力学损失：(2)铜管埋地换热器强化了管内流体和周围土壤之间的传热；(3)系统中无循环水泵耗功；(4)系统中无中间换热器、循环水泵及其它辅助部件，系统更为简单。本文首次研制出以R134a为工质的竖直钻孔直接膨胀式土壤源热泵实验系统，在此基础上进行了大量实验研究，积累了制热和制冷工况下实验系统的运行数据，通过对实验系统在不同条件下的运行性能数据进行计算和分析，得出了实验系统运行的主要特点，为我国发展竖直钻孔直接膨胀式土壤源热泵技术的前景进行了有益的探索。
本文首先确定了直接膨胀式土壤源热泵实验系统的标准运行工况，利用理论循环的热力学模型对实验系统进行了分析和计算；采用等效直径法对单U型铜管埋地换热器进行热阻分析和设计，可为单U型铜管埋地换热器的设计方法提供借鉴；在国内外首次研制出以R134a为工质的竖直钻孔直接膨胀式土壤源热泵实验系统。
直接膨胀式土壤源热泵系统制热稳定性和变工况实验研究结果表明：制热启动过程热力膨胀阀开度的变化应该是从具有一定开度迅速开大到一个较大开度，然后不断交替地开大或开小引起振荡，振荡时间长于蒸发器较短的热泵系统；在冷凝器水侧进水温度恒定在40℃条件下，本实验系统制热运行时制冷剂最佳充注量为3．8kg，此时具有极值制热性能系数(Coefficient of Performance，COP) 3．89：采用R134a为工质的直接膨胀式土壤源热泵实验可基本满足低温供暖、中温供暖和高温供暖各个不同温区所对应的建筑物供暖末端的温度需求；随着冷凝器进水温度从25℃增加到55℃，制热COP逐渐线性下降，从5．07下降到2．65，得到了实验系统制热COP与冷凝器水侧进水温度的拟合关系式。
直接膨胀式土壤源热泵系统长期制热运行实验结果表明：实验系统机组和全系统的平均COP分别为3．55和3．28，平均制热量为6．43kW。钻孔蒸发器吸热率和单位长度孔深吸热率分别为4．63kW和51．44W/m。和已有文献报导的竖直钻孔间接式土壤源热泵系统制热实验研究结果比较，实验系统机组和全系统的平均COP分别比其高37％和57％。这是因为：直接膨胀式土壤源热泵系统没有中间换热损失和额外的循环水泵耗功，因而其效率更高。
直接膨胀式土壤源热泵系统制冷实验结果表明：制冷运行启动时，制冷剂充注量要足够多，压缩机必须克服单U型铜管换热器内制冷剂液体平面至膨胀阀所在平面的高度差产生的重力附加压降。制冷和制热运行制冷最佳充注量相差很大，制冷最佳充注量为制热最佳充注量的2倍多。在蒸发器水侧进水温度恒定在12℃的条件下，实验系统制冷运行最佳充注量为9．0 kg，此时具有极值制冷COP为4．49。