摘　要：采用試驗方法，針對夏季工況，對空氣—土壤源熱泵機組分別在單純空氣源熱泵運行模式、單純土壤源熱泵運行模式、空氣—土壤源熱泵運行模式下的制冷性能系數、能效比進行了實測比較?？諝?mdash;土壤源熱泵運行模式下的制冷性能系數、能效比較高，有利于改善土壤熱平衡。

關鍵詞：空氣—土壤源熱泵  制冷性能系數  能效比  土壤熱平衡

Efficiency Analysis of Air-soil Source Heat Pump System under Summer Condition

Abstract：The refrigeration coefficient of performance and energy efficiency ratio of air-soil source heat pump unit in single air source heat pump mode，soil source heat pump mode and air-soil source heat pump mode respectively are compared and measured by experimental method under summer condition．The higher refrigeration coefficient of performance and energy efficiency ratio are achieved by air-soil source heat pump operation mode which is conducive to improving soil thermal equilibrium．

Keywords：air-soil source heat pump；refrigeration coefficient of performance；energy efficiency ratio：soil thermal equilibrium

1　空氣源熱泵、土壤源熱泵特點

空氣源熱泵的主要優(yōu)點是：兼有制冷、制熱功能；系統(tǒng)設備集中設置，操作、維護簡單方便。然而，以空氣為低溫熱源的空氣源熱泵，不可避免存在以下缺點：室外空氣的狀態(tài)參數隨地區(qū)和季節(jié)的不同有很大變化，對熱泵機組的容量和性能影響較大；冬季工況下，當室外空氣相對濕度較高時，室外機翅片易結霜，加劇了送風溫度、制熱量的波動，嚴重時無法滿足室內溫度要求^[1-2]。

土壤源熱泵的主要優(yōu)點為：土壤溫度在全年范圍內相對穩(wěn)定，確保了熱泵機組的性能；與空氣源熱泵比較，土壤源熱泵的地埋管換熱器不會結霜，不存在冬季除霜能耗。土壤源熱泵存在以下缺點：土壤性質對地埋管換熱器換熱性能影響較大；長期連續(xù)運行時，可能存在夏季向土壤釋熱量與冬季從土壤吸熱量的不平衡，嚴重時易導致熱泵機組無法滿足供冷(熱)需求。

2　空氣—土壤源熱泵機組

對于工程造價較高的土壤源熱泵，地埋管換熱器向土壤釋熱、吸熱不平衡往往是導致熱泵機組無法正常運行的關鍵，因此，我們考慮采用空氣—土壤源熱泵機組，力圖改善這種不平衡現象。

空氣—土壤源熱泵機組配置雙冷凝器(對夏季工況而言)，一臺為風冷冷凝器，另一臺為水冷冷凝器(冷卻水來自地埋管換熱器)。冬季工況下，通過切換四通閥，雙冷凝器轉換為雙蒸發(fā)器。以夏季工況為例，熱泵機組可實現以下3種運行模式：模式1：單純空氣源熱泵運行模式(風冷冷凝器單獨運行)；模式2：單純土壤源熱泵運行模式(水冷冷凝器單獨運行)；模式3：空氣—土壤源熱泵運行模式(風冷—水冷冷凝器聯合運行)。

3　試驗設計

3.1　試驗目的

采用試驗方法，針對夏季工況，測試計算3種運行模式下熱泵機組的制冷性能系數、能效比，并進行比較。

3.2　試驗裝置

設置4個鉆孔，直徑為50cm，井深100m。地埋管采用雙U形埋管，材質為PE，外直徑為32mm，內直徑為26mm。地埋管內傳熱介質(水)的最大建議流速為0.91m／s，最小建議流速為0.12m／s^[3]。熱泵機組制冷能力為l9.6kW，制熱能力為22kW。配置雙渦旋式壓縮機，制冷劑為R22，單臺壓縮機額定電功率為3.46kW。風冷冷凝器風機的額定電功率為0.36kW，傳熱介質循環(huán)泵額定電功率為1.44kW?？照{末端裝置為兩臺風機盤管。

③測試對象及測試儀器

室外空氣溫度：測量儀器為小型氣象站，測量范圍為-30～80℃。

冷水供回水溫度：測量儀器為刺入式溫度計，測量范圍為-20～70℃。測點位于冷水供回水主管上，將刺入式溫度計的探頭貼附在管壁上。

冷水流量：測量儀器為超聲波流量計，安裝在冷水供水管道上，測量范圍為0～1500L／h。

用電設備電功率：測量儀器為功率表，測量精度為0.1。

3.3　測試數據處理

①制冷量

熱泵機組制冷量咖的計算式為：

F＝qrcpDq

式中F——熱泵機組制冷量，W

q——冷水實測流量，m³／s

r——冷水密度，kg／m³，取l000kg／m³

cp——冷水比定壓熱容，J／(kg·K)，取4186J／(kg·K)

Dq——冷水回水與供水實測溫差，℃

②制冷性能系數

熱泵機組制冷性能系數ICOP，的計算式為：

式中ICOP——熱泵機組制冷性能系數

Pc——壓縮機實測電功率，W

③能效比

熱泵機組能效比，IEER的計算式為：

式中IEER——熱泵機組能效比

Psum——熱泵機組用電設備的實測電功率之和，W

4　實測結果與分析

地埋管內傳熱介質的質量流量設定為2.35t／h，冷水質量流量設定為3.01t／h。選取室外溫度比較接近時段(變化范圍為25～36℃)的測試數據進行比較。當運行模式涉及風冷冷凝器時，主要考慮室外溫度對熱泵機組性能的影響。當水冷冷凝器單獨運行時，由于空氣溫度對土壤溫度影響較小，主要考慮運行時間對熱泵機組性能的影響。

①模式1

模式1下熱泵機組制冷性能系數隨室外溫度的變化見圖l，圖中紅色點為實測數據點，平滑曲線為擬合曲線：ICOP＝0.0046q²-0.3224q²+8.2426，q為室外溫度(單位為℃)。由圖1可知，模式1下熱泵機組制冷性能系數隨室外溫度的升高而降低，且下降速率較快。這說明空氣源熱泵的性能易受室外溫度影響，當室外溫度升高時，冷凝器的工作環(huán)境惡化，制冷劑甚至不能及時液化，直接導致熱泵機組的制冷性能系數下降。模式l下熱泵機組能效比隨室外溫度的變化見圖2，圖中紅色點為實測數據點，平滑曲線為擬合曲線：IEER＝0.0038q²-0.2606q+7.0016。由圖1、2可知，模式1下熱泵機組能效比隨室外溫度的升高而降低，變化趨勢與制冷性能系數基本一致。

②模式2

模式2下熱泵機組制冷性能系數隨運行時間的變化見圖3，圖中紅色點為實測數據點，平滑曲線為擬合曲線：ICOP＝2×10^-5t²-0.0065t+3.981，t為運行時間(單位為h)。由圖3可知，模式2下，雖然熱泵機組制冷性能系數隨運行時間的延長呈下降趨勢，且下降速率較快，但有趨于平穩(wěn)的趨勢。模式2下熱泵機組能效比隨運行時間的變化見圖4，圖中紅色點為實測數據點，平滑曲線為擬合曲線：IEER＝2×10^-5t²－0.0066t+3.3975。由圖3、4可知，模式2下熱泵機組能效比與制冷性能系數的變化趨勢基本一致。

③模式3

模式3下熱泵機組制冷性能系數隨室外溫度的變化見圖5，圖中紅色點為實測數據點，平滑曲線為擬合曲線：ICOP＝0.0011q²－0.1002q+5.2887。由圖5可知，模式3下熱泵機組制冷性能系數下降速率比模式1有所減緩，這說明風冷—水冷冷凝器聯合運行時，熱泵機組性能受室外溫度的影響有所減弱。模式3下熱泵機組能效比隨室外溫度的變化見圖6，圖中紅色點為實測數據點，平滑曲線為擬合曲線：IEER＝0.0011q²-0.0965q+4.9327。由圖5、6可知，模式3下熱泵機組能效比的變化趨勢與制冷性能系數基本一致。

5　結論

對于模式l，熱泵機組的制冷性能系數、能效比不高，且隨著室外溫度升高下降速率較快。對于模式2，熱泵機組的制冷性能系數、能效比較高，但隨著運行時間的延長下降速率較快。對于模式3，熱泵機組的制冷性能系數、能效比水平處于模式1與模式2之間，但隨著室外溫度的升高下降趨勢不明顯。因此，風冷—水冷冷凝器聯合運行，對熱泵機組在長時間運行過程中保持較高性能有幫助。而且可平衡地埋管換熱器向土壤的釋熱、吸熱量，保持熱泵系統(tǒng)長期有效運行。

參考文獻：

[1]韓志濤，劉曙光，齊航，等．中重度結霜下空氣源熱泵蓄熱除霜實驗研究[J]．煤氣與熱力，2012，32(11)：A03-A06．

[2]王厚華，李臘芳．室外機翅片結霜對家用空氣源熱泵性能的影響[J]．煤氣與熱力，2013，33(4)：A22-A26．

[3]李國富，鄒志勝．土壤源熱泵地埋管換熱系統(tǒng)的設計[J]．煤氣與熱力，2012，32(6)：A03-A05．

本文作者：潘豐  張志剛  魏旭春

作者單位：天津城建大學能源與安全工程學院