U型地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱試驗研究

高俊明,高桂芝,田繼民

(1.河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校 土木工程系,河北 滄州 061001;2.滄州東方工程設(shè)計咨詢有限公司,河北 滄州 061001)

土壤源熱泵系統(tǒng)是以大地為熱泵機組的吸熱和放熱場所,將熱泵的換熱器埋入地下,與大地進行冷熱交換,向建筑物供應(yīng)熱量和冷量。土壤源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用在美國、加拿大以及西歐一些國家普遍受到重視[1]。地源熱泵以大地為熱源和熱匯,冬季通過埋地換熱器從大地中吸取熱量,向用戶供熱;夏季熱泵機組將室內(nèi)的熱量通過埋地換熱器排入土壤中。從全年的角度,低品位熱能是部分地得到了循環(huán)回用,這對于減少一次能源消耗,最大限度地降低化石能源的使用份額,意義十分重大。近年來,我國也開始注意對土壤熱源熱泵系統(tǒng)的研究與開發(fā)。

巖土體熱物性參數(shù)測定有現(xiàn)場測試與實驗室測定兩種方法。近年來國外研究者更注重現(xiàn)場測試研究,并開發(fā)了用于現(xiàn)場測試的便攜式測量裝置和相關(guān)計算程序,以評價、計算地埋管熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)的淺層地溫能資源可開采量。采用現(xiàn)場換熱試驗的方法是比較直觀和科學(xué)的。

1 試驗?zāi)康?/h2>

土壤熱源熱泵系統(tǒng)主要由兩部分組成:一部分是地表以上的水源熱泵機組;另一部分是埋設(shè)于地表以下的換熱盤管,如圖 1所示。

通過測試,獲得埋地換熱器與周圍土壤間的換熱規(guī)律、每延米井深的換熱量、地下巖土的熱物性參數(shù)以及周圍土壤溫度的變化情況等,為設(shè)計地源換熱系統(tǒng)以及整個熱泵系統(tǒng)提供依據(jù);啟用 3種鉆井機具(巖芯 1000 m鉆、黃河鉆、汽車工程鉆)進行現(xiàn)場鉆井,通過對這 3種鉆機鉆井的實際情況進行比較,確定出適合現(xiàn)場的最佳鉆機,以確保將來的施工工期,確定最佳的換熱孔填料。

圖1 土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理

2 測試原理

該測試系統(tǒng)簡單模擬地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)夏季制冷的運行模式。將儀器的水路循環(huán)部分與所要測試的換熱孔內(nèi)的 HDPE管路相連接,形成閉式環(huán)路,通過儀器內(nèi)的微型循環(huán)水泵驅(qū)動環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán),同時儀器內(nèi)的加熱器不斷加熱環(huán)路中的液體。該閉式環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán),加熱器所產(chǎn)生的熱量就不斷通過換熱孔內(nèi)的換熱管釋放到地下。在閉式環(huán)路內(nèi)的液體循環(huán)的過程中,將進 /出儀器的溫度、流量進行采集記錄,以此來分析計算巖土體的熱物性參數(shù)。

3 測試步驟

3.1 鉆孔

用巖芯 1000 m鉆機鉆深度 120 m的換熱孔 1個(I號測試孔),孔徑不小于180 mm。巖芯 1000 m鉆機采用油壓加壓鉆進,具有導(dǎo)正性好、穩(wěn)定性強等特點。鉆進方法為正循環(huán)回轉(zhuǎn)式鉆進,鉆速由低到高可調(diào)空間較大。用黃河鉆機鉆深度 95 m的換熱孔 1個(Ⅱ號測試孔),孔徑不小于180 mm。黃河鉆機采用油壓加壓鉆進,鉆具鉆進過程中扭距較大,鉆進速度快,鉆孔垂直度較高。用汽車工程鉆機鉆深度 120 m的換熱孔 1個。汽車工程鉆機適用于工程勘查,取芯取樣方便。布置該鉆孔的目的是為了詳細了解地層結(jié)構(gòu),獲取地層原樣,以便對地層樣品進行熱物性測試。測試孔基本狀況見表 1。

表1 測試孔基本狀況

成孔后,在下入 HDPE管前,要首先進行電阻率測井,以了解地層的賦水情況。

3.2 下管

孔內(nèi)下入直徑為32 mm的單 U型HDPE管,并在下管后回填級配砂石填料。下管前后都需要對 HDPE管進行打壓試驗,穩(wěn)壓壓力為1.2 MPa,穩(wěn)壓時間不小于1 h。另外,埋管時,應(yīng)盡量使管子貼近孔壁,增大同一鉆孔中各管子之間的間距?；靥畈牧蠎?yīng)用導(dǎo)熱系數(shù)較高、膨脹性較好的材料,這樣可使鉆孔內(nèi)導(dǎo)熱熱阻小,從而增強埋管與周圍巖土的換熱能力[4]。

3.3 模擬測試

將儀器的水路循環(huán)部分與所要測試換熱孔內(nèi)的 HDPE管路相連接,形成閉式環(huán)路,通過儀器內(nèi)的微型循環(huán)水泵驅(qū)動環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán),同時儀器內(nèi)的加熱器不斷加熱環(huán)路中的液體。該閉式環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán),加熱器所產(chǎn)生的熱量就不斷通過換熱孔內(nèi)的換熱管釋放到地下。在閉式環(huán)路內(nèi)的液體循環(huán)的過程中,將進 /出儀器的溫度、流量進行采集記錄,來分析計算土壤的熱物性參數(shù)。

4 測試實例與數(shù)據(jù)整理

本工程位于河北省滄州市開發(fā)區(qū)某科技園,室內(nèi)末端系統(tǒng)分為低溫水地板輻射采暖和風機盤管中央空調(diào)系統(tǒng),總熱負荷為3820kW,冷負荷為1680kW。

4.1 工作區(qū)淺層地熱地質(zhì)條件

表2 勘探孔地質(zhì)狀況

工作區(qū)及附近基巖在工作區(qū)范圍內(nèi)有一定的均一性和規(guī)律性,主要為黏砂、細砂與卵礫石互層。地層含水量較大但含水層顆粒較細。表2為工作區(qū)內(nèi)勘探孔地質(zhì)狀況,反映了項目所在地 134 m內(nèi)的地層巖性。

4.2 傳熱量測試數(shù)據(jù)

測試孔有效測試時間為12 h,單 U型埋管,采用級配砂石料回填。地埋管系統(tǒng)連接測試前做排氣處理,并進行打壓實驗以確保 U型管下管過程中沒有破損。埋管換熱器的供回水溫度與流量數(shù)值見圖 2和圖 3,數(shù)據(jù)均為測試系統(tǒng)穩(wěn)定運行后測得。

圖2 Ⅰ號測試孔數(shù)據(jù)圖

圖3 Ⅱ號測試孔數(shù)據(jù)圖

計算結(jié)果如下:Ⅰ號測試孔地埋管進出口平均溫差ΔT=3.17℃,地埋管側(cè)平均流量 Q=1.094 m3/h,測試孔深度 120 m,每延米換熱量為33.61 W;Ⅱ號測試孔地埋管進出口平均溫差ΔT=2.78℃,地埋管側(cè)平均流量 Q=1.175 m3/h,測試孔深度 95 m,每延米換熱量為39.99 W。

4.3 淺層地熱資源量評價分析

根據(jù)儲量法對地質(zhì)體儲存的熱能進行計算,計算面積 A按規(guī)劃面積 34388m2計算,地質(zhì)體厚度 d按130 m計算,地質(zhì)體溫度、計算基礎(chǔ)溫度分別用 tr,t0表示,地質(zhì)體巖石和流體的平均比熱容用C表示,則地質(zhì)體中儲存的熱量 QA為:

可將地質(zhì)體厚度分成包氣帶和飽和水帶兩層,其中包氣帶厚度按 18 m計算,則包氣帶地質(zhì)體巖石和流體的平均比熱容可按 1.05×106J/(m3·℃)計算,飽和水帶地質(zhì)體巖石和流體的平均比熱容可按 2.7×106J/(m3·℃)計算,具體計算方法參見相關(guān)文獻。由以上計算可得,地質(zhì)體中 130 m以內(nèi)溫度變化 1℃可以釋放或吸收的熱能為1.08× 1013J。

地源熱泵機組制冷能效比(EER)取 4.7,則地源熱泵系統(tǒng)夏季向巖土體排放的總熱量為2037kW,地源熱泵機組制熱能效比(COP)取 3.7,則地源熱泵系統(tǒng)冬季從巖土體吸收的總熱量為2787kW。全年采暖期按 135 d計算,熱泵機組全天運行,全負荷使用系數(shù)取 0.63,熱泵機組從巖土體吸收的總熱量為2.05×1013J,則地質(zhì)體計算溫度降低約 1.7℃,夏季綜合服務(wù)區(qū)制冷天數(shù)取 90 d,熱泵機組每天運行 10 h,全天負荷使用系數(shù)取 0.8,則夏季制冷熱泵機組向巖土體排放的總熱量為5.3×1012J,則制冷季巖土體計算溫度升高約 0.48℃,因此,地源熱泵運行一年巖土體計算溫度降低約為1.22℃。

考慮到地下水流動對地層散熱的影響,130 m以下巖土的地熱傳導(dǎo),以及熱泵系統(tǒng)的間隙期,均有利于地層溫度的恢復(fù),總體上地埋管系統(tǒng)對項目區(qū)整體地溫場影響不大。

5 結(jié)論

(1)通過本次測試,對該項目所在地地層情況有了進一步的掌握,巖性主要為砂質(zhì)粘土、細砂,含有數(shù)層砂礫層。130 m深換熱孔施工較容易,成本較低,適合采用地源熱泵系統(tǒng)進行冬季供暖和夏季制冷,項目區(qū)對于建設(shè)地源熱泵系統(tǒng)的地質(zhì)條件可行性評價為適宜。

(2)根據(jù)測量的溫度、流量、功率等實驗數(shù)據(jù),采用圓柱熱源理論模型結(jié)合參數(shù)估計法計算的地下土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)約為1.7 W/(m·K),符合地源熱泵設(shè)計要求,可滿足冬夏季負荷要求。

(3)根據(jù)熱負荷和冷負荷計算出全年從巖土體吸收的總熱量為1.52×1013J,溫度降低 1.22℃。考慮地層散熱及熱泵系統(tǒng)的間隙期,均有利于地層溫度的恢復(fù),因此地埋管系統(tǒng)對項目區(qū)整體地溫場影響不大。

(4)通過對上述實際工程項目的分析表明,地源熱泵系統(tǒng)換熱現(xiàn)場試驗為實際工程提供了可靠的數(shù)據(jù),可很好地指導(dǎo)工程設(shè)計與施工。

[1]Don A brams.Ground2Coupled Heat Pumps[J].SOLAR AGE,1985,(9):61-64.

[2]田繼民,戈瑞梅.某工程項目淺層地能測試與評價[J].河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2010,(1):9-12.

[3]李曉東,于明志,李雨桐.基于地源熱泵的便攜式巖土熱物性測試儀的研制與應(yīng)用[J].自動化儀器與儀表,2004(5):28-29.

[4]Marita L Allan.Materials Characterization of Super Plasticized Cement-sandgrout[J].Cement and Concrete Research,2000,(30):937-942.

[5]陳衛(wèi)翠,劉巧鈴,賈立群,等.高性能地埋管換熱器鉆孔回填材料的實驗研究.暖通空調(diào),2006,36(9):1-6.

[6]于明志,方肇洪.現(xiàn)場測量深層巖土熱物性方法[J].工程熱物理學(xué)報,2002,23(3):354-356.