單U和雙U 換熱器地熱井熱響應測試與分析

丁海英 陳 強

采用土壤源熱泵制熱(制冷)越來越受到重視，此種新能源利用方式既可減少對環(huán)境的污染，又可實現(xiàn)較高的能耗比，達到節(jié)能減排的目的。傳統(tǒng)的土壤源熱泵系統(tǒng)設計，熱物性參數(shù)選取更多依賴于經(jīng)驗值，導致設計不夠精確，成本較高。

應用熱響應測試法對地熱井進行現(xiàn)場制冷(制熱)模式測試，采用線源模型、柱源模型或數(shù)值計算模型計算土壤導熱系數(shù)和鉆孔熱阻，是目前獲得設計參數(shù)較為準確的方法。本文應用此種測試方法，對兩口分別為單U和雙U型換熱器的地熱井進行測試，得到熱物性參數(shù)值，可為后續(xù)土壤源熱泵系統(tǒng)設計提供參考。

1 單、雙U換熱器地熱井熱響應測試原理

熱響應測試單、雙U換熱器地熱井的熱物性參數(shù)(土壤導熱系數(shù)、鉆孔熱阻)和傳熱特性，主要通過BTR-4000型原位測試儀與測試地熱井連接成閉式循環(huán)系統(tǒng)，通過循環(huán)管路向地熱井內(nèi)輸入(提取)恒熱流，該熱流經(jīng)U型換熱器與地熱井周圍土壤進行熱量交換，來模擬夏季供冷和冬季供暖[1，2]。

熱響應測試儀主要由硬件系統(tǒng)、控制算法和軟件系統(tǒng)組成[3]。實驗所需的各項參數(shù)(地熱井進、出口溫度、管路液體流量、熱泵進出口溫度、系統(tǒng)消耗功率、管路壓力)通過測試儀下位機的溫度傳感器、壓力傳感器和變送器進行實時采集，測試儀參數(shù)輸入信號單元將各參數(shù)進行信號隔離、調(diào)整及A/D轉換，送至上位機進行數(shù)據(jù)存儲與處理。恒定熱流的實現(xiàn)則通過上位機進行手動設置溫差，將自動控制信號經(jīng)D/A轉換、信號隔離處理后輸出給三通分流調(diào)節(jié)閥，控制其開合度，實現(xiàn)向地熱井進行輸入(提取)恒定熱流的目的。

根據(jù)線源模型理論，可模擬出在恒定熱流作用下，地熱井進、出口流體平均溫度隨測試時間變化曲線圖，該曲線圖符合二元一次對數(shù)函數(shù)[4]:

其中，k為循環(huán)介質(zhì)平均溫度與時間對數(shù)曲線線性回歸線的斜率，Q為恒定放熱率，W，L為鉆井深度，m，λ 為土壤導熱s系數(shù)，W/(m·K)，a為土壤導溫系數(shù)，m2/s，T0為周圍土壤的初始溫度，℃，Rb為井孔內(nèi)熱阻，rb為鉆孔半徑，m。

應用擬合曲線的斜率k和常數(shù)b，并利用k值和b值計算公式，計算出地熱井土壤導熱系數(shù)和鉆孔熱阻值。

2 單、雙U換熱器地熱井熱物性參數(shù)測定與換熱特性分析

2.1 測試儀恒熱流分析

為保證該熱響應測試設備在提供恒定熱流方面的可靠度，對2號和4號兩口地熱井進行了連續(xù)75 h制冷模式的運行，對每間隔1 h進井與出井溫差曲線圖進行分析。

2號和4號地熱井進井與出井水溫差如圖1所示，理論上溫差值等于設定溫差值時，地熱井可實現(xiàn)恒熱流輸入的目的，由于實驗測試儀器誤差及沿程管路熱損失存在，該溫差值只能在一定范圍內(nèi)波動。一般在±0.1℃內(nèi)則可達到設計要求。

圖1 不同測試時間地熱井進井與出井溫差圖

測試結果表明，隨測試時間增長，兩地熱井的溫差值趨于恒定，其中2號地熱井的溫差設定值為3℃，測試時間內(nèi)的實時采集溫差值為2.95℃～3.07℃，該測定值的誤差為1.7%～2.3%。4號地熱井的溫差設定值為3.5℃，測試時間內(nèi)的實時采集溫差值為3.42℃～3.57℃，該測定值的誤差為2%～2.3%。溫差波動在允許范圍內(nèi)，對兩口地熱井的測試能夠達到恒熱流的目的。

2.2 地熱井土壤導熱系數(shù)與鉆孔熱阻測定

實驗選取兩口地熱井，其中2號井內(nèi)置單U型換熱器，4號井內(nèi)置雙U型換熱器，現(xiàn)場應用水—風熱泵機組模擬夏季供冷狀態(tài)，向地熱井內(nèi)輸入恒定的熱流量(參數(shù)見表1)。機組連續(xù)運行75 h，進出井平均水溫與測試時間的關系曲線如圖2所示，每口測試井的實測數(shù)據(jù)與對數(shù)曲線擬合良好。

表1 2號和4號地熱井結構尺寸表

如圖2所示，2號地熱井的斜率值 k=2.5187，b=16.08。應用線源模型計算公式可計算出:該地熱井周圍的土壤導熱系數(shù)λs=1.8 W/(m·K)，鉆孔熱阻 Rb=0.17 m·K/W;4 號地熱井的斜率值k=3.6724，b=12.84。應用線源模型計算公式可計算出:該地熱井周圍的土壤導熱系數(shù)λs=1.41 W/(m·K)，鉆孔熱阻Rb=0.147 m·K/W。

圖2 不同測試時間2號與4號地熱井進出口平均溫度圖

2.3 地熱井換熱特性分析

土壤源熱泵系統(tǒng)投資與地熱井換熱特性有直接影響，傳統(tǒng)換熱量設計往往參考經(jīng)驗值進行選取，這種設計方法誤差較大，易造成地熱井井深設計過大，初投資浪費。實驗對測試井在75 h連續(xù)運行的單位井深換熱量進行實時監(jiān)測，測試數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 地熱井單位井深換熱量

2號單U埋管地熱井單位井深換熱量約為56 W/m。4號雙U埋管地熱井單位井深換熱量約為62 W/m。兩地熱井每延米的換熱量在測試初期波動較大，隨測試時間增長換熱量趨于恒定?？梢娫撛粶y試儀在保證測試時間足夠長的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)向地熱井提供恒定熱流的目的。

此外，換熱器類型不同對地熱井的換熱效果也有不同的影響。雙U埋管地熱井的單位井深換熱量值要高于單U埋管地熱井9.6%，說明采用雙U型換熱器換熱效果比單U型換熱器好，采用該種換熱器可減少設計井深及現(xiàn)場布井數(shù)量。

3 結語

通過對兩口地熱井連續(xù)測試和計算分析可知:

1)應用線源模型進行數(shù)據(jù)處理簡單易行，但是此模型的應用需保證測試時間足夠長，得到的實測離散數(shù)據(jù)方可與對數(shù)曲線擬合良好。一般至少要進行40 h才能計算出穩(wěn)定的熱物性參數(shù)。

2)實驗測試初期地熱井進出口水溫差波動較大，主要是由于初期設備運行尚不穩(wěn)定，受測試晝夜溫差的突變影響，在連續(xù)運行10 h后可達到相對穩(wěn)定。所以恒定熱流量的取值應取曲線平穩(wěn)段值進行計算。

3)兩口地熱井內(nèi)置換熱器類型不同，換熱特性也不同，實驗表明采用雙U型換熱器的換熱性能要高于單U型換熱器。

[1]王慶華.淺層巖土體熱物理性質(zhì)原位測試儀的研制及傳熱數(shù)值模擬[D].長春:吉林大學博士論文，2009.

[2]王慶華.BTR-4000型地層熱物性原位測試儀及其應用[J].吉林大學學報(地球科學版)，2009，39(2):347-352.

[3]張 楠，孫友宏，王慶華.基于組態(tài)軟件、智能模塊及PLC的巖土熱物性原位測試儀監(jiān)控系統(tǒng)[J].吉林大學學報(地球科學版)，2010，40(2):583-588.

[4]于明志，彭曉峰，方肇洪，等.基于線熱源模型的地下巖土熱物性測試方法[J].太陽能報，2006，27(3):279-282.