垂直地埋管現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)研究

姚文江,杜建國(guó),徐雪球

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇南京 210018)

地源熱泵技術(shù)是一種利用淺層大地能量向建筑物供冷供熱的系統(tǒng),是一項(xiàng)值得大面積推廣的建筑供能技術(shù).為了合理利用和開(kāi)發(fā)淺層地溫能,需要對(duì)項(xiàng)目建設(shè)地的地下土壤熱物性、換熱孔地下單位換熱量、熱影響半徑等參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,為工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù).

沙家浜溫度假中心位于常熟市沙家浜風(fēng)景區(qū)旁,占地212畝,總投資約12億元.

1 測(cè)試目的及意義

通過(guò)垂直地埋管現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)獲得埋地?fù)Q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(jì)地源換熱系統(tǒng)以及整個(gè)熱泵系統(tǒng)提供依據(jù).

2 測(cè)試原理及裝置

(1)測(cè)試原理

地埋管換熱器的熱響應(yīng)特性試驗(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(wèn)題.其數(shù)學(xué)解析主要有兩種模型:基于線熱源理論的線模型;基于圓柱熱源理論的柱模型.本試驗(yàn)采用了線熱源數(shù)學(xué)模型.

根據(jù)線熱源理論,流入與流出地埋管的水溫平值的計(jì)算式為:

式中:Tf--埋管內(nèi)流體平均溫度(入口與出口的平均值)(℃);

Qheat=加熱功率,( w);

λ--土壤的平均熱導(dǎo)率(w/(m?℃) );

a--熱擴(kuò)散率(m2/s);

t--測(cè)試時(shí)間(S);

r--半徑(m);

y--歐拉常數(shù);

Rb--鉆孔熱阻(m?℃/w);

T0-巖土遠(yuǎn)處未受擾動(dòng)的溫度(℃).

計(jì)算式(1)可寫為線性形式:

C-土壤比熱容;

Qb-地埋管中心溫度(℃);

Q0-地層初始溫度(℃).

由(1)～(6)式可以計(jì)算得出地層的換熱量、土壤的平均熱導(dǎo)率λ和熱擴(kuò)散率a.

(2)測(cè)試裝置

本次試驗(yàn)采取恒溫測(cè)試方法,試驗(yàn)裝置主要由控制主機(jī)和測(cè)量系統(tǒng)兩部分組成(圖1),圖2給出了主機(jī)部分的結(jié)構(gòu)原理圖與測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)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(lái)完成.測(cè)量參數(shù)主要包括進(jìn)出口溫度以及流量等,其中溫度通過(guò)Pt1000型鉑電阻測(cè)量,測(cè)量精度為0.1℃,流量通過(guò)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.

圖1 埋地?fù)Q熱器試驗(yàn)系統(tǒng)原理

在試驗(yàn)過(guò)程中,先后測(cè)定埋地?fù)Q熱器的取熱能力和排熱能力,并且通過(guò)地下?lián)Q熱量隨流體平均溫度的線性變化的擬合方程來(lái)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0.85～0.90范圍,否則表明測(cè)試結(jié)果嚴(yán)重偏離線性關(guān)系,則需通過(guò)方差分析確定補(bǔ)做試驗(yàn)工況,以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性.

圖2 埋地?fù)Q熱器測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

3 測(cè)試步驟

(1)打井

本次測(cè)試鉆鑿2眼測(cè)試孔,兩井相距80m,為進(jìn)一步了解該區(qū)域內(nèi)鉆孔的難易、費(fèi)用和換熱效率等情況,根據(jù)建設(shè)單位要求和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,選擇具有地質(zhì)代表性和實(shí)際操作性強(qiáng)的地點(diǎn)進(jìn)行換熱測(cè)試孔的鉆鑿.

根據(jù)本地區(qū)地層結(jié)構(gòu),為了提高鉆孔效率和減少鉆孔成本,鉆孔深度為120m.鉆進(jìn)設(shè)備采用SP-150型水文鉆機(jī)、泥漿正循環(huán)、回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法.

(2)下管及回填

換熱器管材采用φ32mm、壁厚3mm, PE100SDR11聚乙烯管.其底部的雙U型彎頭與豎直管采用電熔連接.為避免豎直兩管接觸造成短路,兩管之間每隔3.5m安裝管道固定卡一個(gè),以保證兩管間距固定.下管前沖水打壓至1.6MP,下管是利用配重重力自然下入,當(dāng)下管困難時(shí),用鉆桿下頂輔助下管,下管完畢后填入回填料密實(shí)孔隙,為了提高填料的密實(shí)程度,要嚴(yán)格控制填料的速度,沿孔壁四周均勻慢速填料,減少因填料過(guò)快而造成填料在孔內(nèi)搭橋的機(jī)會(huì),本次回填料為細(xì)砂.回填完畢后再次打壓至0.4MP.測(cè)試工作在鉆孔回填完成48h后進(jìn)行,此時(shí)土壤溫度已經(jīng)基本恢復(fù)至未受擾動(dòng)前的自然初始狀態(tài).

(3)地質(zhì)概況

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料和鉆探情況,本區(qū)第四系埋藏深度在200m以上,以粘土、粉砂及細(xì)砂為主,含水性高,地下水位一般在地表下1～4m.

4 換熱試驗(yàn)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

連接管路,對(duì)1#、2#試驗(yàn)孔進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試時(shí)間1#測(cè)試孔從1月3號(hào)～1月9號(hào),共計(jì)7天;2#測(cè)試孔從1月9號(hào)～1月15號(hào),共計(jì)7天.

4.2 試驗(yàn)孔土壤平均初始溫度

通常而言,根據(jù)溫度變化差異,淺層土壤基本可以劃分為3個(gè)區(qū)域:變溫層、恒溫層和增溫層.在熱響應(yīng)測(cè)試中,當(dāng)不開(kāi)啟加熱或制冷裝置,而僅僅依靠循環(huán)泵來(lái)維持地埋管換熱器環(huán)路循環(huán)時(shí),經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后,地埋管換熱器的進(jìn)出口水溫將逐漸趨于相等或保持一個(gè)很小的允許溫差(通常為0.1℃).此狀態(tài)下的進(jìn)出口平均水溫通常被認(rèn)為"土壤初始溫度".圖3、圖4給出了土壤平均初始溫度的測(cè)試結(jié)果.可以看出,在測(cè)試條件下,經(jīng)過(guò)系統(tǒng)循環(huán)后,1#、2#孔土壤的初始溫度穩(wěn)定后分別為18.3℃和17.9℃.

需特別說(shuō)明的是,上述"土壤初始溫度"實(shí)際上是土壤沿鉆孔深度方向上各處地溫的積分平均數(shù)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(yīng)測(cè)試中的土壤初始溫度也會(huì)存在季節(jié)變化效應(yīng),這在設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)時(shí)需要加以考慮.一般而言,冬季結(jié)果偏小一些,而夏季結(jié)果偏大一些,本試驗(yàn)時(shí)間范圍內(nèi)的測(cè)量結(jié)果屬于冬季工況范疇.

圖3 1#孔土壤平均初始溫度測(cè)試結(jié)果

圖4 2#孔土壤平均初始溫度測(cè)試結(jié)果

4.3 換熱試驗(yàn)過(guò)程

1#測(cè)試孔現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)自2010年1月3日開(kāi)始,至2010年1月9日結(jié)束,首先用測(cè)試儀器對(duì)換熱孔土壤原始溫度進(jìn)行測(cè)試.2009年1月3日至2010年1月5日進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn),分別進(jìn)行恒溫法的10℃和5℃取熱工況,恒溫法的壓縮機(jī)功率為6kW.在取熱試驗(yàn)結(jié)束后,恢復(fù)到原地溫再進(jìn)行排熱試驗(yàn).2009年1月6日至2010年1月9日分別進(jìn)行恒溫法的25℃和30℃排熱工況,恒溫法的加熱功率為12kW.經(jīng)監(jiān)理及相關(guān)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)抽測(cè),所取得的數(shù)據(jù)合理、完整,符合試驗(yàn)要求(見(jiàn)圖5～8).

圖5 1#孔10℃取熱測(cè)試結(jié)果

圖6 1#孔5℃取熱測(cè)試結(jié)果

圖7 1#孔25℃排熱測(cè)試結(jié)果

圖8 1#孔30℃排熱測(cè)試結(jié)果

(2)2#測(cè)試孔

2#測(cè)試孔現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)自2010年1月9日開(kāi)始,至2010年1月15日結(jié)束,1月9日用測(cè)試儀器對(duì)換熱孔土壤原始溫度進(jìn)行測(cè)試.2009年1月10日至2010年1月11日進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn),分別進(jìn)行恒溫法的10℃和5℃取熱工況,恒溫法的壓縮機(jī)功率為6kW.在排熱試驗(yàn)結(jié)束后,恢復(fù)到原地溫再進(jìn)行取熱試驗(yàn).2009年1月13日至2010年1月14日分別進(jìn)行恒溫法的25℃和30℃排熱工況,恒溫法的加熱功率為12kW.取得數(shù)據(jù)齊全、經(jīng)監(jiān)理及相關(guān)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)抽測(cè),數(shù)據(jù)合理、完整,符合試驗(yàn)要求(見(jiàn)圖9～12).

圖9 2#孔10℃取熱測(cè)試結(jié)果

圖10 2#孔5℃取熱測(cè)試結(jié)果

圖11 2#孔25℃排熱測(cè)試結(jié)果

圖12 2#孔30℃排熱測(cè)試結(jié)果

5 數(shù)據(jù)處理

5.1 鉆孔換熱量計(jì)算

(1)1#孔數(shù)據(jù)處理結(jié)果

恒溫法在5℃取熱量:

G=1.1001m3/h,△t=4.14℃

Q=1.1001X4.14/0.86=5.296kW

在溫差為4.14℃,流量為1.1001m3/h時(shí)每延米取熱量為44.13W.

恒溫法在30℃排熱量:

綜上所述，0.50 mg/L舒芬太尼復(fù)合0.10%的羅哌卡因的硬膜外麻醉方案在為無(wú)痛分娩產(chǎn)婦提供較好鎮(zhèn)痛效果的同時(shí)，可縮短第一產(chǎn)程時(shí)間，值得在臨床中推廣應(yīng)用。

G=1.1342m3/h,△t=4.04℃

Q=1.1342X4.04/0.86=5.328kW

在溫差為4.04℃,流量為1.1342m3/h時(shí)每延米排熱量為44.40W.

根據(jù)換熱試驗(yàn)所得的每延米排熱量和每延米取熱量實(shí)際資料,編制雙U型管換熱量與流體溫度曲線關(guān)系圖(見(jiàn)圖13).

圖13 1#孔流體溫度與單位換熱量關(guān)系圖

(2)2#孔數(shù)據(jù)處理結(jié)果

恒溫法在5℃取熱量:

G=1.114m3/h,△t=4.13℃

Q=1.114X4.13/0.86=5.35kW

在溫差為4.13℃,流量為1.114m3/h時(shí)每延米取熱量為45.58W.

恒溫法在30℃排熱量:

G=1.1135m3/h,△t=4.41℃

Q=1.1135X4.41/0.86= 5.710kW

在溫差為4.41℃,流量為1.1135m3/h時(shí)每延米排熱量為47.58W.

根據(jù)換熱試驗(yàn)所得的每延米排熱量和每延米取熱量實(shí)際資料,編制雙U型管換熱量與流體溫度曲線關(guān)系圖(見(jiàn)圖14).

圖14 2#孔流體溫度與單位換熱量關(guān)系圖

5.2 熱物性參數(shù)計(jì)算

由圖14、圖15及該曲線斜率,可以計(jì)算得到土壤的平均熱導(dǎo)率λ.再根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y料估計(jì)土壤的體積比熱容c,計(jì)算得到熱擴(kuò)散率a.

1#孔和2#孔換熱量滿足以下方程:

1#孔和2#孔附近土壤的熱導(dǎo)率分別為1.76W/ (mK)和1.78W/(mK).

1#孔和2#孔附近土壤的熱擴(kuò)散系數(shù)分別為0.8036X10-6m3/s;和0.8127X10-6m3/s;

6 溫度場(chǎng)模擬

由公式(6)經(jīng)反復(fù)迭代計(jì)算出,1#換熱試驗(yàn)影響半徑為1.90m～2.83m,2#孔換熱試驗(yàn)影響半徑為1.94m～2.90m.

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),分別模擬夏季制冷工況和冬季制熱工況下的溫度場(chǎng)(見(jiàn)圖15～圖18).

圖15 1#孔夏季工況120m深處距井中心0.1～5m溫度模擬時(shí)間的變化

圖16 1#孔冬季工況120m深處距井中心0.1～5m溫度模擬時(shí)間的變化

圖17 2#孔夏季工況120m深處距井中心0.1～5m溫度模擬時(shí)間的變化

圖18 2#孔冬季工況120m深處距井中心0.1～5m溫度模擬時(shí)間的變化

7 結(jié)論及建議

(1)1#孔地層初始溫度為18.3℃.

在熱泵進(jìn)水溫度29℃,出水溫度24.96℃,溫差4.04℃,流量為1.1342m3/h的排熱工況下,制冷期的排熱量為44.3892W/m;在熱泵進(jìn)水溫度為6.93℃,出水溫度11.07℃,溫差4.14℃,流量為1.1001m3/h的取熱工況下,取暖期的取熱量為44.0825W/m.

地層的熱導(dǎo)率約為1.76W/m.℃,熱擴(kuò)散率約為0.8036X10-6m2/s,模擬試驗(yàn)溫度影響半徑為1.90m～2.83m.

(2)2#孔地層初始溫度為17.9℃.

在熱泵進(jìn)水溫度28.82℃,出水溫度24.41℃,溫差4.41℃,流量為1.1135m3/h的排熱工況下,制冷期的排熱量為47.5867W/m;在熱泵進(jìn)水溫度為6.65℃,出水溫度10.78℃,溫差4.13℃,流量為1.114m3/h的取熱工況下,取暖期的取熱量為44.6283W/m.

地層的熱導(dǎo)率約為1.78W/m.℃,熱擴(kuò)散率約為0.8127X10-6m2/s,模擬試驗(yàn)溫度影響半徑為1.94～2.9m.

綜合考慮熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果及地質(zhì)條件,建議夏季制冷工況可選擇熱泵進(jìn)水溫度32℃,流量1.1m3/h,預(yù)計(jì)每延米排熱量為65W/m;冬季采暖工況,選擇熱泵進(jìn)水溫度7℃,流量1.1m3/h,預(yù)計(jì)每延米取熱量為50W/m;

本次試驗(yàn)區(qū)域的土壤熱傳導(dǎo)能力較強(qiáng),適合建設(shè)地埋管方式的地源熱泵系統(tǒng).但由于土壤初始溫度較高,有利于土壤取熱,不利于排熱,所以在設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)時(shí)需注意地下排取熱平衡問(wèn)題.建議設(shè)計(jì)人員根據(jù)項(xiàng)目建筑冷熱負(fù)荷本身的不平衡程度,同時(shí)考慮地下地埋管換熱器管群的密集程度,來(lái)確定地埋管換熱器管群換熱能力的長(zhǎng)期衰減系數(shù),以保證整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性與節(jié)能性.

最后衷心感謝天津市地?zé)峥辈扉_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院,對(duì)本次試驗(yàn)的技術(shù)支持.

[1]張燕立,張新發(fā),由世俊.土壤源熱泵空調(diào)工程的設(shè)計(jì)與施工[J].制冷與空調(diào), 2006, 6.

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[4] GB50366-2005,地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].

[5]淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(征求意見(jiàn)第二稿)[S].