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1、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 ba 土耳其阿塔图克大学 机械工程学院 土耳其埃尔祖鲁姆 25240b 土耳其 I.C.农业大学 农业职业学院 _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
2、。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。2010年爱思维尔有限公司版权所有关键词：地埋管地源热泵系统 COP 能量分析 寒冷气候区_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
3、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1
4、990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
5、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。Hepbasli8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
6、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2836。通过放射本能分析法，Ozgener和Hepbasli29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。Hepbasli11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。Kara12记录下了在土耳其伊士麦的这种供暖模式下，由实验得
7、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Esen13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Ugursal27利用计算机模型研究各种系统参数对GSHP性能的影响。他们
8、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，
9、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39.55 N,东经41.16 E)。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134 a,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
10、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338。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
11、资料和基准温度得到。每年的户外每日平均温度是bT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438。表表1 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：380420
12、V/350 Hz；压缩量：9.4 m3/h；压缩机输入功率（kW）：2.57 (3.5 HP)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（）：0.9212kWm6102m膨胀阀厂商：丹弗斯公司；型号：TN 2 (R-134a)； PS = 34 bar；蒸发温度变化范围：-40/+10 C0蒸发器平板HE；水质量流量 (l/h)：1080；容量(kW)：5,7；沾污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 形管插入钻孔系数（）：86 ；热表面积（）：12kWm6102m0.
13、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：220240 V/150 Hz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：600 kPa表表2 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7.4-0.5-7.2-10.8-10.1-3.75.210.3最小室外温度-0.6-6.8-12.6-16.9-16.7-9.8-0.92.7最大室外温度16.36.9-1.6-4.4-3.12.611.817.3平均相对湿度62.98281.377.573.1
14、7556.760.7平均风速2.52.22.22.32.42.83.33.1平均标准采暖度日326553787889784674385236平均日照6.34.32.333.84.45.97.6平均太阳辐射12.68.878.912.6161719.9表表3 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
15、信息。 Yarbasi41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/（mK） 。m2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，avgT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C0C0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253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
