不同深度的地埋換熱孔換熱功率分析

陳海波,高亮,李向?qū)?陳治法

(1.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院,天津300250;2.北京市地質(zhì)工程公司,北京100039)

1 簡(jiǎn)介

地源熱泵現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)是利用地埋管換熱系統(tǒng)采用人工冷(熱)源向巖土體連續(xù)加熱(制冷)并記錄傳熱介質(zhì)的溫度變化和循環(huán)量來測(cè)定巖土體的熱傳導(dǎo)熱性能的試驗(yàn)。埋地?fù)Q熱器的地下?lián)Q熱特性實(shí)驗(yàn)是開發(fā)利用淺層地?zé)崮苜Y源的一個(gè)首要技術(shù)程序。開展地下?lián)Q熱特性實(shí)驗(yàn)的重要目的在于通過現(xiàn)場(chǎng)鉆孔實(shí)驗(yàn),掌握淺層土壤在外界熱激勵(lì)作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程,從而獲得土壤初始溫度、熱物性參數(shù)以及地下?lián)Q熱規(guī)律,為進(jìn)一步的地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與節(jié)能運(yùn)行提供必要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

通過建立天津淺層地?zé)崮鼙O(jiān)測(cè)中心獲取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),進(jìn)行淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境影響分析及熱泵系統(tǒng)節(jié)能評(píng)價(jià),為地源熱泵系統(tǒng)科學(xué)、合理、正常的運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),建立起天津市淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境影響預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)本市淺層地?zé)崮苜Y源的科學(xué)管理和可持續(xù)開發(fā)利用。

2 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理

2.1 測(cè)試儀器

現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)與測(cè)試就是熱響應(yīng)測(cè)試儀器對(duì)一定深度測(cè)試孔進(jìn)行不同熱負(fù)荷排熱和取熱試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺(tái)主要包括恒熱流加熱器、流量傳感器、溫度傳感器、循環(huán)水泵、換熱器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)儀器主要由控制主機(jī)和測(cè)量系統(tǒng)兩部分組成。圖1是主機(jī)部分的結(jié)構(gòu)原理圖,其中加熱功能主要依靠盤管加熱器,冷卻功能由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器組成的封閉制冷循環(huán)來完成。測(cè)量參數(shù)主要包括進(jìn)出口溫度以及流量等,本次試驗(yàn)采用 HQ-L1恒溫法巖土熱響應(yīng)測(cè)試儀。其中,溫度測(cè)量精度為0.1℃,流量通過電磁式流量計(jì)測(cè)量,流量啟動(dòng)值為0.0073m3/h,分辨率為0.001m3/h,精度1%,累計(jì)熱量分辨率0.001mJ。恒熱流測(cè)試儀:流量在0.5～2m3/h范圍內(nèi),精度0.1級(jí),即1%,溫度探頭精度為A級(jí),即0.05級(jí),0.5%,考慮儀表誤差,熱量值計(jì)算誤差可控制在1%以內(nèi),分辨率為0.001m3/h。滿足規(guī)范要求的流量測(cè)量誤差不應(yīng)大于±1%及溫度測(cè)量誤差不應(yīng)大于±0.2℃。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試原理圖

2.2 試驗(yàn)原理

現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)過程為:首先,將測(cè)試儀的水路循環(huán)部分與待測(cè)換熱器相連接,形成一個(gè)閉式環(huán)路;然后,通過啟動(dòng)管道循環(huán)水泵,以驅(qū)動(dòng)環(huán)路流體開始循環(huán)。待系統(tǒng)進(jìn)出口溫差為零時(shí),開始啟動(dòng)電加熱器來加熱環(huán)路中的流體。隨著換熱器進(jìn)口水溫的不斷升高,其熱量通過管壁與土壤之間的傳熱過程逐漸釋放到地下土壤中,同時(shí)使土壤溫度也逐漸升高,最終管內(nèi)流體溫度和土壤溫度維持在一種動(dòng)態(tài)的熱平衡狀態(tài)。然后,增大加熱功率,系統(tǒng)將重復(fù)上述傳熱過程,直至達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在整個(gè)流體加熱循環(huán)過程中,通過計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)記錄進(jìn)/出溫度、流量和加熱功率等參數(shù),與此同時(shí)地下溫度的變化情況也會(huì)自動(dòng)記錄下來。

通過現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)?zāi)M冬、夏季熱泵實(shí)際運(yùn)行工況,測(cè)量進(jìn)/出儀器的流量、進(jìn)/出溫度和時(shí)間,依據(jù)不同負(fù)荷測(cè)試,最終求得:換熱孔的熱導(dǎo)率、每延米吸熱量和排熱量(W/m)。

現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)在理論上可以歸結(jié)為在一定熱流邊界條件下的非穩(wěn)態(tài)傳熱問題。其數(shù)學(xué)解析主要有兩種模型:1)基于線熱源理論的線模型;2)基于圓柱熱源理論的柱模型。本次調(diào)查中現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)采用了柱熱源數(shù)學(xué)模型。

對(duì)于地下?lián)Q熱量 q(W/m)而言,它是根據(jù)流量和進(jìn)出口溫差獲得的,即

式中:m為質(zhì)量流量,cp為定壓比熱容,H為換熱器的有效深度,tj和tc分別為進(jìn)口/出口水溫(℃)。

對(duì)于鉆孔內(nèi)穩(wěn)態(tài)傳熱過程,滿足

式中:tf為流體平均溫度,且 tf=(tj+tc)/2,tb為鉆孔壁溫度,Rb為鉆孔總熱阻,其計(jì)算可參見有關(guān)文獻(xiàn)。

在鉆孔傳熱分析中,G函數(shù)定義如下:

式中:to為平均土壤初始溫度。

綜合(1)～(3)式可以看出,通過圓柱熱源模型解決鉆孔與土壤傳熱問題的一個(gè)重要手段是求解G函數(shù),從而獲得地下?lián)Q熱量和土壤的熱導(dǎo)率。

2.3 測(cè)試程序

(1)在測(cè)試埋管安裝完48h后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)的無負(fù)荷循環(huán)測(cè)試,獲取地層初始平均溫度。溫度穩(wěn)定后(變化幅度小于0.5℃),觀測(cè)時(shí)間不少于24h。

(2)在獲取初始平均溫度后,開始對(duì)回路中的傳熱介質(zhì)加冷或熱負(fù)荷。測(cè)試過程中冷或熱負(fù)荷和流量基本保持恒定(波動(dòng)范圍在±5%以內(nèi)),逐時(shí)記錄回路中傳熱介質(zhì)的流量和進(jìn)出口溫度。

(3)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)時(shí),恒熱流排熱試驗(yàn):地埋管進(jìn)口溫度分別為20℃和35℃兩種工況的排熱試驗(yàn),每個(gè)工況溫度恒定后,觀測(cè)時(shí)間不少于24h。

(4)每次加冷或熱負(fù)荷停止后,繼續(xù)觀測(cè)回路的進(jìn)出口溫度,直到地層初始溫度為止。

(5)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)時(shí),進(jìn)行氣溫觀測(cè)。

2.4 測(cè)試結(jié)果分析

在現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)過程中,先后測(cè)定換熱器的取熱和排熱能力,并且通過地下?lián)Q熱量隨流體平均溫度的線性變化的擬合方程來確定測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性。一般要求回歸系數(shù) R2大于0.85,如測(cè)試結(jié)果嚴(yán)重偏離線性關(guān)系,則需通過方差分析確定補(bǔ)做實(shí)驗(yàn)工況,以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性。

3 試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

為分析在相同地質(zhì)條件下不同埋管類型、埋管深度對(duì)地埋管換熱系統(tǒng)換熱量的影響,本次工作建設(shè)地埋管現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)場(chǎng)。試驗(yàn)場(chǎng)共施工60m單 U、雙 U,80m 單 U、雙 U,100m 單 U、雙 U,120m單U、雙U,150m單U、雙U 10個(gè)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)換熱試驗(yàn)孔(見圖2),采用相同技術(shù)要求和施工工藝,獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1及圖3和圖4。

圖2 調(diào)查區(qū)試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)點(diǎn)位置

從表1測(cè)試數(shù)據(jù)和圖3、圖4看出,單U埋管與雙U埋管的排熱量、取熱量相差很大;同樣深度排熱量差值0.54～21.44 W/m;同樣深度取熱量差值3.61～12.61W/m。換熱孔深度為100m取熱量差值最大,換熱孔深為120m,取熱量差值次之;同樣深度的雙U埋管的取熱量比單U埋管取熱量高9.91～37.75﹪,同樣深度的雙U埋管的排熱量比單U埋管排熱量高0.9～35.6﹪,而120m雙U埋管試驗(yàn)得出的熱導(dǎo)率為最大。綜上所述換熱孔無論是單U埋管,還是雙U埋管,排熱量還是取熱量,適宜深度為100～120m。

表1 試驗(yàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果表

圖3 排熱量隨埋管深度關(guān)系曲線圖

圖4 取熱量隨埋管深度關(guān)系曲線圖

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