回填材料對埋地換熱器傳熱性能的影響研究

杜紅普，齊承英

（河北工業(yè)大學 能源與環(huán)境工程學院，天津 300401）

目前隨著全球經濟的快速發(fā)展、能源消耗過大，不僅造成資源浪費，也引起了一系列環(huán)境問題，特別是全球氣候變暖．土壤源熱泵集成系統(tǒng)，在加大可再生能源（例如地熱能和太陽能）利用程度、減低空調冷熱源排放CO2引起的溫室效應方面都起到了積極的作用，成為國內建筑節(jié)能及暖通空調界研究的熱點．特別是近年來，隨著地源熱泵項目應用規(guī)模的不斷擴大，有必要對整個系統(tǒng)尤其是地埋管部分的優(yōu)化進行考慮，而回填材料作為影響埋地換熱器換熱效果好壞的重要因素，更成為進一步研究地源熱泵技術的關鍵環(huán)節(jié)．

國內在回填材料的配比和熱物性方面展開一系列研究．例如，張旭[1]等人對不同比例土沙混合物的換熱特性進行了實驗研究．李新國[2]等人針對一工程實例，比較分析了兩種不同回填材料下樁埋和井埋管取、放熱工況的差異．此外，圍繞回填材料的導熱、粘結、滲透等物性，新型適用且符合工程特性的材料開發(fā)逐漸成為當前的一大趨勢．但同時，從作者在北京、天津及唐山地區(qū)的工程調查發(fā)現，考慮到來源廣泛，施工方便等因素，無明確規(guī)范要求時原土/漿回填在眼下的地源熱泵項目中應用較多．盡管原漿回填經濟性優(yōu)勢明顯，但其對地埋管換熱性能的影響方面目前尚無足夠的說服性數據．

鑒于此，本文通過對碎石屑、中粗砂、原土（以粉質粘土為主）作為回填材料進行實驗研究，獲得鉆孔回填材料對地埋管傳熱性能的影響分析，旨在為優(yōu)化地源熱泵系統(tǒng)設計方面提供一些參考依據．

1 實驗系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡介

圖1給出了埋地換熱器實驗系統(tǒng)的原理圖．實驗系統(tǒng)主要由土壤熱響應測試儀和埋地換熱器相互連接組成．土壤熱響應測試儀為作者單位自行研制的基于恒溫法的改進實驗裝置，可以進行排熱和取熱工況實驗．其中，加熱系統(tǒng)主要依靠盤管加熱器，冷卻系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器組成的封閉制冷循環(huán)來完成，工質為R22．為保護壓縮機，系統(tǒng)設置了啟動延時、高低壓限制等功能．制熱和制冷系統(tǒng)的最大功率分別12 kW 和9kW，可通過面板上的PID積分控制器來進行粗調和微調，以維持不銹鋼保溫水箱中冷/熱源水溫的動態(tài)平衡．水箱的有效容積為40 L，其中還安裝了若干水溫水位傳感器，可起到輔助水溫調節(jié)的作用．系統(tǒng)的有效溫控范圍為5~40℃，控制精度為±0.5℃．循環(huán)水泵型號為RS-25，功率為90 W，額定流量和揚程分別為2.5 m3/h和6m．實驗系統(tǒng)的其它詳細描述與測試方法可參閱文獻[3]．

在本文換熱實驗中，埋地換熱器的平均流體溫度變化范圍為20~35℃和5~10℃，這與地源熱泵系統(tǒng)的實際運行工況相一致．根據測試裝置本身的調節(jié)范圍，并綜合考慮測試周期及數據擬合有效性等因素，分別進行1個初始工況+2個排熱工況+2個取熱工況．

本文3個換熱實驗的鉆孔有效深度均為120 m左右,鉆孔直徑約為250 mm，采用DN32型雙U埋地換熱器（HDPE）．在鉆孔深度范圍內，土壤類型以粘土為主．測試工作在鉆井回填完成后一周開始進行，此時土壤溫度已經基本恢復至未受擾動前的自然初始狀態(tài)．國內外研究表明[4]，埋地換熱器地面部分傳熱是影響地下換熱實驗結果的重要因素之一．為了減小實驗測量誤差，埋地換熱器的地面以上部分的長度保留約1m，并進行了橡塑保溫處理，以減少換熱損失．本文對天津地區(qū)三處鉆孔分別采用了碎石屑、中粗砂、原土（以粉質粘土為主）作為回填材料，回填密實可靠．經過現場取樣進行實驗室分析，其基本物性見下表：

圖1 埋地換熱器實驗系統(tǒng)簡圖Fig.1 Diagram of thegeothermal heat exchanger experimental system

表1不同回填材料的基本物性Tab.1 The thermal properties of different backfill materials

1.2 測試誤差分析

本次實驗的溫度誤差主要包括標定精度與采集誤差,計算如下

考慮最大進出口溫差為5℃，故最大溫度誤差=±0.287 2/5=±5.74%．

根據實驗標定,在測試流量范圍內電磁流量計的最大誤差為±2.5%．所以,本次地下換熱實驗的總測量誤差（最大值）為

2 實驗結果與討論

2.1 初始地溫分析

通常而言，根據溫度變化差異，淺層土壤基本可以劃分為3個區(qū)域：變溫層、恒溫層和增溫層．變溫層是指深度在20m左右深度以上的土壤，其溫度隨地表氣象條件（大氣環(huán)境、太陽能輻射等）的周期性變化比較明顯；恒溫層是指深度約在20~50 m之間的土壤，其溫度四季穩(wěn)定，幾乎不受外界環(huán)境因素的影響；恒溫層以下為增溫層（深度大于40~50m），溫度呈線性增加趨勢．

在地下熱響應測試中，當不開啟加熱或制冷裝置，而僅依靠循環(huán)泵來維持地埋管換熱器環(huán)路循環(huán)時，經過一定時間后，地埋管換熱器的進出口水溫將逐漸趨于相等或保持一個很小的允許溫差（通常為0.1℃）．此狀態(tài)下的進出口平均水溫通常被認為“土壤初始溫度”．圖2給出了1#孔的土壤平均初始溫度的測試結果．可以看出，在測試條件下，經過12h循環(huán)后，土壤初始溫度穩(wěn)定為14.86℃．

需要特別說明的是，上述“土壤初始溫度”實際上是土壤沿鉆孔深度方向上各處地溫的積分平均數值．考慮到變溫層土壤溫度存在周期性變化，所以地下熱響應測試中的土壤初始溫度也會存在季節(jié)變化效應，這在設計地源熱泵系統(tǒng)時需要加以考慮．有關土壤溫度季節(jié)變化效應的詳細描述請參閱文獻[5]．

2.2 鉆孔地下換熱量分析

圖2 土壤平均初始溫度測試結果Fig.2 The results of the natural ground temperature

圖3 取熱工況換熱實驗結果Fig.3 Experimental results under heat-extraction condition

圖4 排熱工況換熱實驗結果Fig.4 Experimental results under heat-injection condition

圖3和圖4分別給出了1#鉆孔在取熱和排熱工況下，進出口流體溫度以及地下換熱量隨時間的變化關系．可以看出，由于碎石屑回填材料具有良好的熱傳導性能，所以鉆孔內的導熱熱阻較小，使得整個土壤和埋地換熱器之間傳熱過程的穩(wěn)定時間相對較快，平均在20 h以后就基本達到穩(wěn)定狀況．

2.3 土壤導熱系數分析

根據上述埋地換熱器穩(wěn)態(tài)運行數據一覽表,可以繪制出地下換熱量q隨埋地換熱器管內流體平均溫度的變化關系，如圖5所示．可以看出，此關系呈線性變化規(guī)律（>0.9），與理論結果吻合良好，說明本次實驗結果比較可靠．一般而言，曲線斜率越大，土壤的熱傳導性能越好，地下換熱量越大．具體而言，埋地換熱器的地下換熱量滿足以下實驗方程

圖5 地下換熱量隨管內流體平均溫度的變化關系Fig.5 Variations of underground heat-transfer rate with the average fluid temperature

同樣，當回填材料為中粗砂、原土時，也可得出埋地換熱器的地下換熱量關系式，見表2所示．對于典型的管內流體換熱溫度范圍：20~35℃（夏季）和5~10℃（冬季），碎石屑回填下的埋地換熱器換熱量與中粗砂和原土作為回填材料時相比，分別提高約2%~15%、18%~38%（夏季）和27%~35%、58%~73%（冬季）．由此可見，鉆孔回填材料對埋地換熱器的傳熱性能影響較大．隨著鉆孔回填材料導熱系數的增大，可以有效減小鉆孔內的傳熱熱阻，從而明顯改善地埋管與土壤的換熱性能．

表2 不同回填材料下的地下換熱量關系Tab.2 The relationship of underground heat-transfer rate under different backfill materials

3 結論

本文開展了基于碎石屑、中粗砂、原土3種不同回填材料的埋地換熱器換熱特性實驗研究，通過實驗測試分析獲得以下結果：

1）獲得了地下換熱量隨管內流體平均溫度的實測變化規(guī)律，回歸了地下換熱量方程．實驗結果表明，地下換熱量與流體平均溫度之間呈線性變化規(guī)律．通過上述方程，可以有效評價埋地換熱器在不同工況下的換熱能力．

2）鉆孔回填材料對埋地換熱器的傳熱性能影響較大．在本文鉆孔條件下，與中粗砂和原土回填下的結果相比，碎石屑回填材料下埋地換熱器的換熱量平均提高約8%、28%（夏季）和31%、65%（冬季）．隨著回填材料導熱系數的增大，可以有效減小鉆孔內的導熱熱阻，這有利于改善粘土質土壤與埋管換熱器之間的傳熱能力，提高地源熱泵系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性．

[1]張旭，高曉兵．華東地區(qū)土壤及土沙混合物導熱系數的實驗研究 [J]．暖通空調，2004，34（5）：83-85．

[2]李新國，汪洪軍，趙軍．不同回填材料對U型垂直埋管換熱性能的影響 [J]．太陽能學報，2003，24（6）：810-813．

[3]Huajun Wang，Chengying Qi．Improved method and case study of thermal response test for borehole heat exchangers of ground source heat pump system[J]． Renewable Energy，2010，35（3）：727-733．

[4]Lim K ，Lee S．An experimental study on thermal performance of ground heat exchanger[J]．Experiment Thermal and Fluid Science，2007，31（8）：985-990．

[5]王華軍，王恩宇，趙軍．地源熱泵地下熱響應實驗的季節(jié)效應分析 [J]．暖通空調，2009，29（2）：14-18．