地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

地源热泵空调系统综合性有效设计性试验一、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）地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

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。地源热泵空调系统综合性有效设计性试验地源热泵空调系统综合性有效设计性试验地源热泵空调系统综合性有效设计性试验地源热泵空调系统应用类型地源热泵空调系统综合性有效设计性试验二、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

地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

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

地源热泵空调系统综合性有效设计性试验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

地源热泵空调系统综合性有效设计性试验三、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地源热泵空调系统综合性有效设计性试验地源热泵空调系统综合性有效设计性试验地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

2、地下埋管换热器系统地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

3、地源热泵数据采集系统地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

4、流量测量装置5、功率测量装置地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

6、室内温度场数据采集系统地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

7、室内气流数据采集系统地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

8、埋管换热器热物性测试系统地源热泵空调系统综合性有效设计性试验四、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)

地源热泵空调系统综合性有效设计性试验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。地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

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。

地源热泵空调系统综合性有效设计性试验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。地源热泵空调系统综合性有效设计性试验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：

地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

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。

地源热泵空调系统综合性有效设计性试验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。地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

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)。地源热泵空调系统综合性有效设计性试验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。

地源热泵空调系统综合性有效设计性试验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⊿～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%。地源热泵空调系统综合性有效设计性试验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。地源热泵空调系统综合性有效设计性试验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。地源热泵空调系统综合性有效设计性试验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(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(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。地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

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中的模型建立地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

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。地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

第四步：FLUENT中的模型计算

地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

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：

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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：温度分布速度分布地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

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。地源热泵空调系统综合性有效设计性试验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。

地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

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/T17095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地源热泵空调系统综合性有效设计性试验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

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：地源热泵空调系统综合性有效设计性试验其中，

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，；

rb－钻孔外径，m；

Tsur－土壤初始温度，℃.

上式可以简化为：地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

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：地源热泵空调系统综合性有效设计性试验

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。

地源热泵空调系统综合性有效设计性试验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。地源热泵空调系统综合性有效设计性试验五、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地源热泵空调系统综合性有效设计性试验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