巖土熱響應(yīng)試驗在土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

郝小充 余躍進 毛炳文 胡純良 張海琳

(南京師范大學(xué) 能源與機械工程學(xué)院 南京 210042)

影響地埋管地源熱泵系統(tǒng)性能的因素較多，包括地下水流動、回填材料性能、換熱器周圍發(fā)生鑲邊的可能性及沿管長巖土體物性的變化等，而準(zhǔn)確確定最佳地埋管換熱器的尺寸是發(fā)展和推廣地埋管地源熱泵的關(guān)鍵，如果熱物性參數(shù)不準(zhǔn)確，則設(shè)計的系統(tǒng)可能達不到負荷需要；也可能規(guī)模過大，從而加大初期投資。解決這個問題的關(guān)鍵在于獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)貛r土取、放熱特性。然而，不同地區(qū)、不同地方的土壤類型、原始地溫、日照強度等條件不盡相同，我國不同地區(qū)地質(zhì)調(diào)查與土壤類型分布數(shù)據(jù)庫還不完整,簡單的依賴圖表或者單一的試驗室數(shù)據(jù)不能宏觀的概括影響土壤熱交換器傳熱性能的所有因素[1]，基礎(chǔ)資料的缺乏制約了土壤源熱泵技術(shù)的推廣。

目前，土壤熱物性參數(shù)測試主要有三種方法：根據(jù)前期鉆井獲取的地質(zhì)資料，通過查找土壤地質(zhì)方面的手冊進行測定；試驗室取樣測試法；現(xiàn)場測試法。由于第一種方法雖然簡便快捷但很難保證系統(tǒng)建設(shè)和運行的經(jīng)濟性和合理性，第二種方法離開了原工程地，對實際因素造成的影響考慮不夠全面，比較可得在土壤源熱泵規(guī)劃施工場所當(dāng)?shù)剡M行的巖土熱響應(yīng)試驗可以充分考慮到現(xiàn)場各因素的影響從而獲得完整和準(zhǔn)確的設(shè)計數(shù)據(jù)。這類現(xiàn)場測試裝置的發(fā)展是預(yù)測土壤熱物性的發(fā)展方向，使土壤換熱器的設(shè)計更為合理，因此，為保證一個土壤源熱泵系統(tǒng)準(zhǔn)確的設(shè)計，巖土熱響應(yīng)試驗是必不可少的前提[2]。針對這種情況，這里結(jié)合實際工程對巖土熱物性試驗中的關(guān)鍵問題進行分析，為土壤源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱盤管的設(shè)計及施工提供參考數(shù)據(jù)和指導(dǎo)。

1 工程概況

江蘇省南京市某土壤源熱泵項目位于南京市雨花臺區(qū)，建筑面積為2.26×106m2，是一個綜合性醫(yī)院，要求所有建筑具有冬季供暖，夏季供冷的功能，并可以提供生活熱水和特殊的空調(diào)環(huán)境。項目所在地區(qū)多年平均氣溫為15.73℃，1月平均氣溫2.18℃，7、8月平均氣溫28.13℃，極端最高氣溫38.2℃，極端最低氣溫-13.1℃。巖土熱物性測試項目包括：巖土體的結(jié)構(gòu)與分布，巖土熱物性與分布，巖土體平均溫度，地下水靜水位、水溫，地埋管冬、夏季每延米井深換熱量[3]?？辈旄艣r：地埋管形式為DE25雙U型埋管2口，井深100m，管材為PE100，地埋管井回填砂礫巖采用原土混合一定比例的砂、水泥回填，在粘土層采用含10%膨潤土、90%SiO2砂子的混合物回填，地埋管換熱器垂直鉆孔直徑為130～150mm。工程項目包括：打井并及時回填和下管；測試儀器進場，連接測試儀器與鉆孔內(nèi)地埋管并做好保溫工作；由注水管向試驗系統(tǒng)注水；啟動循環(huán)水泵開始巖土熱響應(yīng)試驗；采集數(shù)據(jù)；完成測試報告。

2 巖土熱響應(yīng)試驗

2.1 打井及雙U型管埋設(shè)

根據(jù)規(guī)范要求[4]，結(jié)合項目的實際情況，打如圖1所示試驗測試用井2口，實際打井深度為101m[3]。

圖1 雙U型地埋管換熱器Fig.1 Double U-tube heat exchanger

考慮到試驗孔在熱響應(yīng)試驗結(jié)束后可再利用等因素，試驗孔鉆探位置選擇在地埋管區(qū)域內(nèi)。雙U型管埋設(shè)結(jié)束以后應(yīng)立即將管內(nèi)充滿清水，并進行封口回填，一個星期左右孔內(nèi)的回填材料已經(jīng)充分凝固，從而保證埋管與地下土壤能夠進行充分的換熱，因此，測試宜在埋管封口后一周左右時間進行。

試驗孔和地埋管的施工與安裝數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗孔和地埋管的施工與安裝數(shù)據(jù)Tab.1 The construction and installation data of the test holes and buried pipes

2.1.1 工程地質(zhì)分析

表2 1#鉆孔地質(zhì)概況Tab.2 The geological situation of test hole of 1#

表3 2#鉆孔地質(zhì)概況Tab.3 The geological situation of test hole of 2#

結(jié)合現(xiàn)場勘察及打井資料分析得出：項目所在場地地勢平坦，地層結(jié)構(gòu)較簡單，土層分布連續(xù)，厚度較穩(wěn)定。在100m深度范圍內(nèi)，地層主要為土層和巖石層，其中土層厚約40m，巖石層厚約60m。地質(zhì)分層概況如表2、3所示。

2.1.2 水文分析

工程所在地的地下水主要為孔隙潛水及基巖裂隙水，孔隙潛水主要賦存于土層中，水量不大，其補給來源是大氣降水的垂直滲入，以地表蒸發(fā)及滲流方式排泄，水位隨季節(jié)變化?；鶐r裂隙水賦存于巖層中，水量較貧乏?；鶐r裂隙水貯存并運移于裂隙中，主要受裂隙密集度、張開度和連通性控制，其流場往往是不連續(xù)的,不能形成水量分布比較均勻的層狀含水系統(tǒng)。鉆孔施工期間，地下水位埋深為1.60m,水位隨季節(jié)變化，水位變幅在0.5m～1.0m左右，區(qū)域的凍土層厚度為0.3m～0.5m。

2.1.3 鉆孔難易程度與鉆孔深度分析

項目地層構(gòu)成較為簡單，主要由粘土層和巖石層構(gòu)成，約40m厚的土層鉆進難度小，更深處的約60m厚的巖石層隨著風(fēng)化程度的變化，鉆孔難度逐漸變大，鉆孔總體施工難度一般。最終埋管深度的選擇還需綜合考慮建筑負荷、埋管可利用面積、單位埋管換熱量等因素。

2.2 土壤熱物性測試

2.2.1 試驗裝置

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 The diagram of experimental apparatus

試驗測試主要分兩部分，分別為土壤的原始溫度的測試及冬、夏季工況時地下垂直雙U型地埋管換熱器的換熱試驗測試。井內(nèi)埋管通過水平連接管道連接至試驗臺。連接管道采用25mm厚的橡塑保溫材料進行保溫以減少連接管道和環(huán)境的熱交換。水泵提供動力實現(xiàn)水的循環(huán)，并通過閥門調(diào)節(jié)流量的大小。測試試驗裝置如圖2所示。實驗臺將測試儀器內(nèi)部管道與地埋管連接構(gòu)成閉式循環(huán)系統(tǒng)，由試驗臺配備的熱泵和電加熱器控制地埋管內(nèi)換熱介質(zhì)的溫度。

試驗用溫度和流量傳感器均連接于測試臺內(nèi)，控制計算機與試驗臺的CFP控制模塊與數(shù)據(jù)采集模塊之間采用高速通信線路連接，實時自動采集數(shù)據(jù)。為了提高試驗的精確度，試驗中，所有溫度傳感器均采用A級PT100型鉑電阻傳感器，理論上的基本誤差為±0.1℃左右。循環(huán)水的測量采用了等級為0.5%的高精度渦輪流量傳感器。循環(huán)水泵采用變頻泵，以便于控制循環(huán)水的流量及流速。

2.2.2 原始地溫測試

土壤初始溫度測試在埋管封口一周后進行，在未開啟循環(huán)水泵的時候，由于水箱當(dāng)中采用的是地表水，其溫度在17.7℃左右，試驗裝置在電加熱開啟之前，使水泵啟動循環(huán)2h左右，隨著換熱時間的變化，循環(huán)水通過地埋管與地下土壤進行充分換熱之后，觀察埋管換熱介質(zhì)的進出口溫度的穩(wěn)定時，開始巖土初始平均溫度測試，從圖3可以看出水泵的運行做功在初始階段對循環(huán)水溫的溫度產(chǎn)生很小的影響，所以將后期穩(wěn)定階段循環(huán)水的平均溫度為巖土初始平均溫度[5]，試驗開始大約17分鐘后地埋管進出水溫大致穩(wěn)定，此時的平均溫度可認為是項目所在地的巖土初始平均溫度，巖土初始平均溫度為17.95℃。

圖3 U型埋管換熱器的進出口水溫隨時間變化曲線Fig.3 The intake and outlet water temperature trend curve of ground U-tube

2.2.3 恒熱流模擬試驗

通過對圖2所示的試驗裝置測試土壤熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)的分析處理，得到了垂直雙U型埋管換熱器的進出口溫度的變化曲線如圖4、5所示。

由圖4可以看出試驗地埋管內(nèi)換熱介質(zhì)的進出口溫度在初期上升得較快，因為在初期地下巖土體的溫度處于初始平均溫度，地埋管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)與周圍巖土之間的溫差較小，向周圍巖土散熱量較小，而電加熱功率恒定，導(dǎo)致?lián)Q熱介質(zhì)的溫升較快，而隨著換熱介質(zhì)與地埋管換熱器之間換熱的不斷進行，地埋管與周圍巖土體的溫差逐步穩(wěn)定，此時地埋管進出口溫差保持穩(wěn)定，滿足試驗要求的恒熱流條件，也說明地埋管換熱器的換熱能力是穩(wěn)定的。

圖5所示可以看出2#鉆孔地埋管內(nèi)換熱介質(zhì)的進出口溫度的變化趨勢與1#相同，變化范圍也很相近，說明兩口測試孔的換熱能力相近，證明了此次測試數(shù)據(jù)的可靠和準(zhǔn)確。圖5的曲線上升過程有些許的波動，但是對整體趨勢并無影響。

圖4 1#鉆孔雙U型地埋管內(nèi)換熱介質(zhì)進出口溫度和平均溫度圖Fig.4 The mean water temperature and inlet and outlet water temperature trend of the ground U-tube I

圖5 2#鉆孔雙U型地埋管內(nèi)換熱介質(zhì)進出口溫度和平均溫度圖Fig.5 The mean water temperature and inlet and outlet water temperature trend of the ground double U- tube II

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 巖土熱物性參數(shù)的計算

平均導(dǎo)熱系數(shù) λ 是綜合考慮地下?lián)Q熱器埋深范圍內(nèi)的其他特性因素的綜合系數(shù)。根據(jù)線熱源理論，當(dāng)散熱功率不變時，埋管內(nèi)換熱介質(zhì)的平均溫升和時間的對數(shù)成線性關(guān)系，將二者擬合成一條曲線，得到斜率和截距，如圖6、7所示。

圖6 1#鉆孔雙U型地埋管流體平均溫升與對數(shù)時間擬合曲線Fig.6 Regression curve of mean fl uid temperature rise to logarithm time of ground double U-tube I

圖7 2#鉆孔雙U型地埋管流體平均溫升與對數(shù)時間擬合曲線Fig.7 Regression curve of mean fl uid temperature rise to logarithm time of ground double U-tube II

結(jié)合如圖6、7所示試驗數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果圖，根據(jù)以下公式計算巖土的導(dǎo)熱系數(shù)[4]。

式中，Q—鉆孔每延米的換熱量，W/m；K—擬合曲線得到的斜率。

經(jīng)計算，1#、2#雙U型地埋管換熱器的巖土體導(dǎo)熱系數(shù)分別為2.170W/(m.K)，2.166W/(m.K)，根據(jù)規(guī)范，可得項目的巖土體平均導(dǎo)熱系數(shù)為2.168W/(m.K)。

3.2 地埋管換熱器換熱量的計算

根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366—2009)附錄B推薦的公式及試驗得到的數(shù)據(jù)計算單個鉆孔的鉆孔熱阻，地層熱阻，脈沖熱阻，地下巖土綜合熱阻(包括鉆孔內(nèi)熱阻，地層熱阻和脈沖熱阻三項，同時考慮制熱季節(jié)的制熱運行份額和制冷季節(jié)的制冷運行份額)及鉆孔在試驗條件下每延米的取放熱量，得到綜合熱物性如表4所示。

表4 巖土體綜合熱物性參數(shù)表Tab.4 The comprehensive thermophysical parameters table of rock and soil

雙U型埋管土壤源熱泵系統(tǒng)的地埋管換熱器換熱能力為夏季工況(35℃)每延米井深換熱量為69.6W/m，冬季工況(5℃)每延米井深的換熱量為51.2W/m。

4 總結(jié)

1)對2個鉆孔地埋管換熱器進行了試驗測試，提高了項目巖土熱響應(yīng)測試結(jié)果的可靠度，兩口井的測試數(shù)據(jù)趨勢一致也說明工程所在地地質(zhì)條件較均勻穩(wěn)定，測試結(jié)果為項目總體管群設(shè)計提供了實際參考依據(jù)。

2)通過巖土初始溫度測試得到試驗巖土體初始平均溫度為17.95℃，與當(dāng)?shù)厝昶骄鶜鉁叵喈?dāng)，可代表項目所在地以及周圍區(qū)域的巖土溫度狀況。該項目的巖土初始平均溫度對冬季埋管取熱與夏季排熱都較有利。

3)巖土熱物性測試結(jié)果表明工程所在區(qū)域每延米井深的的換熱量如下：夏季工況(35℃)每延米井深換熱量為69.6W/m，冬季工況(5℃)為51.2W/m，鉆孔的總熱阻為0.272(m.K)/W。

4)地下水位埋深為1.60m，水位隨季節(jié)變化，水位變幅在0.5m～1.0m左右，該區(qū)域的凍土層厚度為0.3m～0.5m，打井難度不大，經(jīng)過工程地質(zhì)分析及水分分析，表明工程埋管區(qū)綜合地質(zhì)條件較適宜采用土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

[1]王書中,由世俊,張光平.熱響應(yīng)測試在土壤熱交換器設(shè)計中的應(yīng)用[J].太陽能學(xué)報,2007,28(4):405-409.(Wang Shuzhong, You Shijun,Zhang Guangping. Application of Geo-thermal response test in the design of ground heat exchanger[J].Acta Energiae Solaris Sinica.2007,28(4):405-409.)

[2]徐偉.中國地源熱泵發(fā)展研究報告[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008,70-73.

[3]蔣能照,劉道平.水源.地源.水環(huán)熱泵空調(diào)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2007, 100-102.

[4]中國建筑科學(xué)研究院.地源熱泵工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[5]姜黎,蔣綠林,王宏,等.地源熱泵系統(tǒng)雙U型埋管換熱器的測試實驗[J].制冷學(xué)報,2010, 31(1):50-53.(Jiang Li,Jiang Lvlin,Wang Hong, et al. Experiment on Underground Double U-tube Exchanger of Ground-source Heat Pump System [J]. Journal of Refrigeration, 2010, 31(1): 50-53.)