地源熱泵土壤熱物性測(cè)試與分析

趙 進(jìn),王景剛,杜梅霞,高曉霞

（河北工程大學(xué)城建學(xué)院,河北邯鄲 056038）

以土壤作為低溫?zé)嵩?并且采用地埋管方式的地源熱泵與其它類型的熱泵相比,有熱源理想,環(huán)境影響小,運(yùn)行及維修費(fèi)用低廉,壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)[1],但是巖土熱物性參數(shù)不準(zhǔn)確,導(dǎo)致設(shè)計(jì)的系統(tǒng)負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷不相匹配,使地下?lián)Q熱器的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)受到影響[2],因此熱物性是地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)重要參數(shù),對(duì)于具體工程而言,不同地層地質(zhì)條件下某些地下巖土的熱物性相差 10倍之多[3]。研究結(jié)果表明,當(dāng)?shù)叵聨r土的導(dǎo)熱系數(shù)或?qū)叵禂?shù)發(fā)生10%的偏差,則設(shè)計(jì)的埋管偏差為4.5%～5.8%,環(huán)管的最高溫度產(chǎn)生 1.1℃～1.2℃偏差,而最低溫度的偏差也有0.3℃～0.4℃,制冷能力和制熱能力有1%的變化[4]。特別對(duì)于豎直埋管的土壤源熱泵系統(tǒng),埋管長(zhǎng)度的偏差將導(dǎo)致鉆孔總長(zhǎng)度的變化,由于鉆孔成本極高,從而導(dǎo)致系統(tǒng)的初投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離實(shí)際造價(jià)?？梢?jiàn),對(duì)于地下巖土的熱物理性質(zhì)的研究是非常必要的,該研究直接決定了土壤源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性,如何確定熱物性參數(shù)就成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題,目前熱物性的測(cè)定方法主要有穩(wěn)態(tài)測(cè)試法、實(shí)驗(yàn)室取樣測(cè)試法、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法。本實(shí)驗(yàn)采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法測(cè)出鉆孔周圍巖土體的熱物性參數(shù),得到的數(shù)據(jù)更符合工程實(shí)際,為地源熱泵系統(tǒng)的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與原理

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)了土壤源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),地下埋管系統(tǒng)有2眼埋管井,鉆孔直徑為 150mm,鉆孔深度120m,埋管換熱器以水為循環(huán)介質(zhì),采用高密度聚乙烯塑料管（HDPE）U型埋管換熱器,直徑分別為25mm、32mm,實(shí)驗(yàn)臺(tái)地下共布置了 52個(gè)鎧裝PT100熱電阻,用于測(cè)量PE管和測(cè)試井在不同深度的溫度變化。本實(shí)驗(yàn)選擇32mm的埋管進(jìn)行試驗(yàn),地上移動(dòng)式測(cè)試車主要包括循環(huán)水箱、水泵、流量計(jì)、球閥、管道、數(shù)據(jù)采集模塊、電腦等部件。其中循環(huán)水箱1個(gè),體積為0.2m3,水箱內(nèi)的加熱器功率調(diào)節(jié)范圍為0kW～16.5kW,循環(huán)水泵1臺(tái),熱電阻溫度傳感器2只,電磁流量計(jì)、電壓表、電流表各1只。實(shí)驗(yàn)臺(tái)需要采集溫度、流量、加熱功率等數(shù)據(jù),測(cè)試地點(diǎn)距離土壤導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀約為2m左右,水管全部用1cm厚的橡塑管保溫。鉆井水文地質(zhì)資料分析表明,地下30m以上主要為粘土層,30～50m處主要為卵石礫石層,地下50m處主要為砂土層,地下含水量豐富,土壤類型屬文獻(xiàn)分類標(biāo)準(zhǔn)[5]中的重土飽和潮濕型。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

恒熱流測(cè)試法是在保持加熱功率恒定的情況下測(cè)量地下土壤散熱功率,當(dāng)加熱功率與土壤散熱功率相等（相近）時(shí),然后利用已知條件反解傳熱模型可以求出巖土導(dǎo)熱系數(shù)。由圖1可以看出,流體經(jīng)過(guò)電加熱器加熱后,經(jīng)循環(huán)水泵被送入到地下,由于加熱后的流體溫度高于地下土壤的溫度,故熱量通過(guò)管壁由流體向土壤放熱,這樣從地下再回到測(cè)試儀中的流體的溫度就存在一定的變化,這就是地下土壤的溫度響應(yīng)。地下未擾動(dòng)的地層原始溫度一般地埋管內(nèi)注滿水后靜止1d～2d后測(cè)試,測(cè)試裝置在加熱器突然運(yùn)行前,使循環(huán)水泵連續(xù)運(yùn)行20min,每隔1min記錄一次地埋管進(jìn)出口水溫,地埋管進(jìn)口溫度不斷升高一直到與出口溫度相等,如果水泵繼續(xù)運(yùn)行,會(huì)由于水泵的散熱使進(jìn)出口溫度緩慢升高,則關(guān)閉水泵并將進(jìn)出口溫度相等時(shí)刻的溫度近似等于地下無(wú)干擾地溫[6],并采用線熱源模型Ingersoll方法對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

式中Tf—循環(huán)流體的平均溫度;Tff—無(wú)窮遠(yuǎn)處土壤溫度;ql—單位長(zhǎng)度埋管的換熱量;λs—周圍巖土的導(dǎo)熱系數(shù);Rb—鉆孔傳熱熱阻;τ—時(shí)間。

當(dāng)τ為τ1和 τ2時(shí),循環(huán)流體的溫度分別為Tf1和Tf2,代入上式并簡(jiǎn)化得出以下關(guān)系

進(jìn)而可以得出土壤的導(dǎo)熱系數(shù)

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù),利用自主開(kāi)發(fā)的軟件可以得出加熱狀態(tài)下環(huán)路平均溫度 Tf對(duì)應(yīng)時(shí)間變化的曲線圖計(jì)算出巖土熱物性導(dǎo)熱系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

為了分析土壤初始溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響,系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行150小時(shí),分別計(jì)算16℃,16.5℃,17℃,17.5℃,18℃,18.5℃時(shí)的土壤導(dǎo)熱系數(shù)。從圖2可以看出,隨著土壤初始溫度的增加,土壤導(dǎo)熱系數(shù)幾乎直線上升,土壤初始溫度對(duì)計(jì)算結(jié)果影響非常大,所以在測(cè)試時(shí)要盡可能提高土壤初始溫度的測(cè)量精度。土壤初始溫度每增加1℃,土壤導(dǎo)熱系數(shù)約增高0.7W/（m·℃）。以實(shí)測(cè)土壤初始溫度16℃為基點(diǎn),0.5℃測(cè)量偏差,導(dǎo)致土壤導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果偏差可達(dá)10%以上。從圖3可以看出前20h埋管進(jìn)出口溫度變化較大,連續(xù)運(yùn)行40h后,溫度變化率逐漸變小,50h左右埋管進(jìn)出口溫差基本保持在4.61℃左右。

從圖4可以看出,土壤導(dǎo)熱系數(shù)在3.109～5.232之間變化,開(kāi)始時(shí)有一些波動(dòng)然后趨于穩(wěn)定,隨著測(cè)試時(shí)間的增加,到50小時(shí)左右時(shí),土壤導(dǎo)熱系數(shù)逐漸穩(wěn)定,收斂于3.109W/（m·℃）。這主要是因?yàn)闇y(cè)試初期傳熱不穩(wěn)定,但運(yùn)行一段時(shí)間后可認(rèn)為達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。從圖5可以看出,測(cè)得地下無(wú)干擾地溫后,即可進(jìn)行地埋管進(jìn)出口溫度的熱響應(yīng)測(cè)試,測(cè)試時(shí)間60h,這樣既可以保證獲得正確的導(dǎo)熱系數(shù),又可以避免測(cè)試時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。電加熱器開(kāi)啟的功率為5kW,由于現(xiàn)場(chǎng)電流、電壓的波動(dòng),實(shí)際電流和電壓值通過(guò)電流表、電壓表實(shí)時(shí)讀取與記錄,其平均值作為實(shí)際電加熱功率。

從圖6可以看出,土壤冬季熱物性測(cè)試單位管長(zhǎng)換熱率在39W/m～44W/m的范圍內(nèi)變化時(shí),測(cè)得土壤導(dǎo)熱系數(shù)在3.109～5.232范圍變化。從圖7可以看出,在前50h以內(nèi)地層換熱量和輸入功率相差比較大,這是由于最初一段時(shí)間內(nèi),熱量傳遞主要在井孔內(nèi)進(jìn)行,循環(huán)水溫上升比較快,隨著測(cè)試時(shí)間的增加,循環(huán)水溫上升越來(lái)越慢,近似于穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程,吸熱量與放熱量逐漸趨于平衡。

3 結(jié)論

1）測(cè)量時(shí)間達(dá)到50h后,計(jì)算結(jié)果波動(dòng)逐漸減小并趨于收斂。

2）未擾動(dòng)土壤溫度以及給定PE管材的條件下,平均導(dǎo)熱系數(shù)為3.489 W/（m·℃）。

3）土壤初始溫度對(duì)計(jì)算結(jié)果影響非常大,所以在測(cè)試時(shí)要盡可能提高土壤初始溫度的測(cè)量精度。

[1]江億.我國(guó)建筑耗能狀況及有效的節(jié)能途徑[J].暖通空調(diào),2005,35（5）:30-40.

[2]楊衛(wèi)波.基于解析法的地下巖土熱物性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法的探討[J].建筑科學(xué),2009,25（8）:84-84.

[3]HELLSTROM G.Ground heat storage-thermal analyses of duct storage system[D].Sweden:University of Lund,1991.

[4]王補(bǔ)宣.多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,1992,32（增1期）:125-129.

[5]美國(guó)制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì).地源熱泵工程技術(shù)指南[M].徐偉譯.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001.

[6]王書中,由世俊,張光平.熱響應(yīng)測(cè)試在土壤熱交換器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2007,28（4）:405-410.