地源熱泵地?zé)犴憫?yīng)測試影響因素分析

王 晨 劉金祥

地源熱泵地?zé)犴憫?yīng)測試影響因素分析

王 晨 劉金祥

南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院

利用TRNSYS軟件建立地?zé)犴憫?yīng)測試的模型，以單U型地埋管換熱器為例，進(jìn)行了不同埋深、不同流速、季節(jié)效應(yīng)情況下的地埋管換熱量及每延米換熱量進(jìn)行模擬。分析在同一土壤類型條件下，不同地?zé)犴憫?yīng)測試工況對測試結(jié)果的影響。在地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮這些因素，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

每延米換熱量埋深土壤平均溫度地?zé)犴憫?yīng)測試

土壤源熱泵系統(tǒng)最重要的部分是地埋管換熱器的換熱能力，所以在進(jìn)行地埋管換熱器設(shè)計(jì)前，必須進(jìn)行熱響應(yīng)測試來獲得該地區(qū)的土壤換熱能力作為設(shè)計(jì)參考。而地?zé)犴憫?yīng)測試又受到多種因數(shù)的影響，在同一土壤類型的條件下，測試工況不一樣得到的結(jié)果也就不一樣。所以導(dǎo)致熱響應(yīng)測試的結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的偏差，這必將引起系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的不穩(wěn)定及建設(shè)成本。目前國內(nèi)市場上常采用取樣查表[1，2]、恒熱流法[3]及恒溫法[4]。

1 TRNSYS模型建立

通過TRNSYS中的模塊構(gòu)造系統(tǒng)，以及各模塊之間輸入與輸出的關(guān)系建立地?zé)犴憫?yīng)測試的系統(tǒng)模型。圖1為TRNSYS模型框架。

圖1 TRNSYS模型

該系統(tǒng)模型主要包括了以下幾個(gè)模塊：

1）地埋管換熱器模塊：主要的輸入?yún)?shù)包括地埋管進(jìn)口水溫、系統(tǒng)水流量、埋管數(shù)量、埋管深度、鉆孔直徑等。根據(jù)輸入?yún)?shù)與其他模塊的耦合可得到埋管出口水溫及土壤平均溫度。

2）熱泵機(jī)組模塊：由于地埋管出口水溫處于不斷變化狀態(tài)，為滿足模擬熱響應(yīng)測試中恒定地埋管進(jìn)口水溫，必須設(shè)置熱泵機(jī)組模塊進(jìn)行對地埋進(jìn)口水溫的嚴(yán)格控制。

3）冬夏季每日運(yùn)行時(shí)間模塊：控制夏季、冬季、及過渡季節(jié)中系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間進(jìn)行調(diào)控。

4）氣象參數(shù)、土壤溫度模塊：將模擬地區(qū)的室外氣象參數(shù)及土壤平均溫度輸入到系統(tǒng)模型中。

由于地埋管換熱器的土壤傳熱特性的復(fù)雜性，建立完美的系統(tǒng)模型模擬地埋管換熱是極其復(fù)雜的，所以對模型的一些部分進(jìn)行簡化：

1）土壤的初始溫度忽略沿深度方向上的變化；

2）不考慮實(shí)際土壤結(jié)構(gòu)中土壤分層的影響，以土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)作為土壤的熱物性參數(shù)；

3）忽略了地下水滲流對其換熱的影響。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 埋深因素分析

本次分析選取土壤導(dǎo)熱系數(shù)λ=1.5W/(m·℃)，以夏季進(jìn)口水溫35℃、冬季進(jìn)口水溫5℃、流量1.15m3/h條件下單U管出口水溫來分析豎井深度的影響。

從圖2中可以看出在夏季工況下埋管深度越深，地埋管出口水溫越高，60m、80m、100m出口水溫分別為32.05℃、31.75℃、31.46℃，80m的井深比60m出口水溫降低0.3℃，100m井深比80m降低0.29℃。

圖2 夏季工況出口水溫

從圖3中可以看出在冬季工況下埋管深度越深，地埋管出口水溫越低，60m、80m、100m出口水溫分別為7.57℃、7.86℃、8.14℃，80m的井深比60m出口水溫升高0.29℃，100m井深比80m升高0.28℃。

圖3 冬季工況出口水溫

綜合圖2和圖3發(fā)現(xiàn)地埋管出口水溫是隨著時(shí)間的增加逐步升高（夏季工況）和逐步降低（冬季工況）的過程。這是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加，土壤不斷吸收熱量或吸收冷量，土壤溫度發(fā)生變化，與地埋管的換熱量逐漸減少，當(dāng)土壤熱量擴(kuò)散的熱流密度與地埋管和換熱土壤的熱流密度達(dá)到一個(gè)恒定值時(shí)，地埋管出口水溫才到達(dá)恒定。從100m、80m、60m的溫度趨于恒定的斜率來看，100m井深出口水溫達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)用時(shí)最長，及熱流密度變化時(shí)間最長。

根據(jù)圖4，從總換熱量的增長率來看，以80m和60m對比，井深的排熱量與取熱量增長率為10.15%、11.28%；以100m和80m對比，井深的排熱量與取熱量增長率為8.92%、9.79%?？倱Q熱量的增長率隨著埋深的增加出現(xiàn)遞減的趨勢，可見不能因?yàn)樵黾訂尉倱Q熱量，而盲目增加埋深。

圖4 不同深度下的地埋管換熱量

2.2 每延米換熱量的對比

本次分析選取土壤導(dǎo)熱系數(shù)λ=1.5W/(m·℃)及λ=2.0W(m·℃)兩種土壤類型，以夏季進(jìn)口水溫35℃、冬季進(jìn)口水溫5℃、流量1.15m3/h條件下，不同埋深的每延米換熱量作對比。

從圖5～6上可以看出，在冬、夏工況下100m井深每延米換熱量反而低于80m井深，80m井深的每延米換熱量低于60m。每延米換熱量與埋管的深度不成正比，隨著深度的增加而減少。究其原因在于U型管在靠近埋管低層的部位換熱效率明顯下降。

圖5 λ=1.5W/(m·℃)條件下每延米換熱量

圖6 λ=2.0W/(m·℃)條件下每延米換熱量

在地下埋管換熱器中，進(jìn)水管帶入的熱量導(dǎo)致靠近地面土壤溫度不斷地提高，溫度達(dá)到一定程度時(shí)，巖土的溫度與進(jìn)水管的溫度無限地接近，進(jìn)水管與土壤的換熱在該區(qū)域不斷減小，甚至不換熱，該區(qū)域?yàn)轱柡蛽Q熱層[5]。

進(jìn)水管穿越飽和換熱層后，土壤的溫度與進(jìn)水管的溫度在此形成了大溫差，則大量的地埋管的換熱就在該區(qū)域形成，該區(qū)域則為地埋管的換熱最重要的區(qū)域。該區(qū)域的土壤類型也就成了整個(gè)土壤結(jié)構(gòu)中最主要，直接影響到整個(gè)豎直地埋管總換熱量。

經(jīng)歷過上端區(qū)域，埋管內(nèi)流體溫度與土壤溫度溫差減小，換熱效率降低，通過對60m、80m、100m每延米換熱量的比較，前60m的換熱量最高，60m以下的換熱量就出現(xiàn)下降，這就導(dǎo)致100m井深的每延米換熱量低于80m和60m。

圖5顯示在土壤導(dǎo)熱系數(shù)為1.5W/(m·℃)的前提條件下，散熱工況：80m和60m的差值為11.46W/m，100m和80m的差值為7.01W/m；取熱工況：80m和60m的差值為9.51W/m，100m和80m的差值5.83W/m。

圖6顯示在土壤導(dǎo)熱系數(shù)為2.0W/(m·℃)的前提條件下，散熱工況：80m和60m的差值為17.22 W/m，100m和80m的差值為9.61W/m；取熱工況：80m和60m的差值為10.46W/m，100m和80m的差值7.25W/m。

綜合圖5和圖6，土壤導(dǎo)熱系數(shù)越高，不同埋深的每延米換熱量差異越大，鑒于埋深對每延米換熱量的影響，所以在進(jìn)行熱響應(yīng)測試時(shí)，最好對不同的埋深進(jìn)行測試，更有利于設(shè)計(jì)參考。

2.3 不同流速下的換熱分析

本次分析選取土壤導(dǎo)熱系數(shù)λ=1.5W/(m·℃)；埋管深度100m；夏季進(jìn)口水溫35℃工況下分別選取0.4～0.8m/s之間5種地埋管管內(nèi)流速進(jìn)行換熱分析。

圖7 不同流速下的出口水溫

由圖7在不同的流速之間比較，流速越低，地埋管管內(nèi)流體與周圍土壤之間的換熱時(shí)間越長，換熱越充分所以出口水溫越低，供回水溫差越大。最小流速為0.4m/s時(shí)出口水溫為30.9℃，溫差4.1℃，最大流速為0.8m/s時(shí)出口水溫為31.85℃，溫差3.15℃。但是管內(nèi)流量減小所以單井總換熱量反而減小，整體換熱系數(shù)降低。

由表1可以看出管內(nèi)流體的流速越大，地埋管進(jìn)出口水溫溫差逐漸減小，單井換熱量之間的差值也會逐漸變小。流速每增加0.1m/s，單井換熱量之間差值由609.58W遞減到403.43W。在流速為0.4m/s及0.5m/s的情況下，管內(nèi)流體讓處于層流狀態(tài)，所以換熱量減小幅度大。在大于0.6m/s時(shí)管內(nèi)流體處于紊流狀態(tài)，換熱量會出現(xiàn)提升。

表1 不同流速下總換熱量

流速增加雖然單井總換熱量增加，但出口水溫增大，供回水溫差的減小會導(dǎo)致機(jī)組的COP值降低，同時(shí)流速增加，管道的阻力也會加大，所以應(yīng)選取比較經(jīng)濟(jì)的流速。

實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，地埋管管內(nèi)流速并不與熱響應(yīng)測試中流速完全相似，而且在系統(tǒng)的分區(qū)運(yùn)行過程中管內(nèi)流速也會發(fā)生變化，所以針對地?zé)犴憫?yīng)測試中的流速必須做出適當(dāng)修正。

2.4 季節(jié)效應(yīng)的分析

本次分析選取土壤導(dǎo)熱系數(shù)λ=1.5W/(m·℃)；埋管深度100m；夏季進(jìn)口水溫35℃；地埋管管內(nèi)流速為0.6m/s的工況下單U管季節(jié)效應(yīng)的分析。

經(jīng)Baggs公式[6]計(jì)算得出夏季土壤平均初始溫度為18.5℃；冬季土壤平均初始溫度為16.7℃。

由圖8可以看出在模擬地埋管排熱能力過程中，在冬季進(jìn)行熱響應(yīng)測試所得結(jié)果與夏季進(jìn)行熱響應(yīng)測試所得結(jié)果是完全不一樣的。模擬冬季出口水溫為30.96℃，模擬夏季出口水工況為31.46℃，不同季節(jié)下其出口水溫的發(fā)生了0.5℃的變化，這與土壤平均溫度發(fā)生變化有著必然的聯(lián)系。根據(jù)土壤的溫度沿深度方向上的變化，土壤可以分為三個(gè)區(qū)[7]：表層區(qū)、恒溫區(qū)及深層區(qū)。淺層區(qū)：0～20m處，此區(qū)域土壤受到室外氣溫變化的影響比較大，溫度變化也較快；中層區(qū)：20～38m處，此處區(qū)域幾乎不受外界的影響，基本處于恒定溫度狀態(tài)；深層區(qū)：38m以下，此處的土壤溫度成線性增加趨勢，增幅在0.02℃/m左右。因?yàn)楸韺訁^(qū)受季節(jié)變化的影響比較大，所以冬季氣候情況下土壤平均溫度較低，夏季較高，在進(jìn)行排熱工況下土壤溫度越低越有利于排熱，這就導(dǎo)致了在不同氣候條件下，得出結(jié)果不一致。

圖8 冬夏季工況下的出口水溫

由表2可以看出在冬夏季氣候條件下模擬出的單井總換熱量相差14%，鑒于目前地源熱泵系統(tǒng)的大量使用，其偏差量足以改變設(shè)計(jì)階段埋管數(shù)量的計(jì)算，影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率。因此氣候效應(yīng)在熱響應(yīng)測試當(dāng)中有著重要的地位。

表2 冬夏季工況下總換熱量

3 結(jié)論

1）同一土壤結(jié)構(gòu)條件下，埋深不同，每延米換熱量就不同。埋深越深，總換熱量增加，但每延米換熱量反而減小。當(dāng)以熱響應(yīng)測試報(bào)告作為設(shè)計(jì)依據(jù)時(shí)，當(dāng)埋深發(fā)生變化應(yīng)做適當(dāng)?shù)男拚?/p>

2）地埋管內(nèi)流速不同，熱響應(yīng)測試結(jié)果就不相同，管內(nèi)流速減小，換熱時(shí)間長，進(jìn)出口溫差就大，但其流量減小換熱量并沒有增加。當(dāng)單U管換熱量減小到0.6m/s以下時(shí)，管內(nèi)流體處于層流狀態(tài)，不利于換熱。

3）季節(jié)因素是不可忽略的因素之一，由于淺層土壤溫度隨季節(jié)變化，不同季節(jié)情況下的地?zé)犴憫?yīng)測試，都應(yīng)對季節(jié)因素進(jìn)行修正。

[1]IGSHPA.Closed-loop/geothermal heat pump systems-design and installation standards[M].USA:Oklahoma State University, 2007

[2]ASHRAE.2007 ASHRAE handbook on HVAC Applications [M].Atlanta:American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,Inc,2007

[3]地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(GB50366-2005)[S].2006

[4]地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范局部修訂(GB50366-2005)[S].2009

[5]王勇,劉方,付祥釗.基于層換熱理論的豎直地埋管換熱器設(shè)計(jì)方法[J].暖通空調(diào),2007,37(9):37

[6]Baggs S.Remote prediction of ground temperature in Australian soils and mapping its distribution[J].Solar Energy,1983,30(4): 351-366

[7]王華軍,齊承英.地下熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中土壤初始溫度的探討[J].暖通空調(diào),2010,40(1):96-99

Ana lys is of Fa c tors of The rm a l Re s pons e Te s t of Ground Sourc e He a t Pum p

WANG Chen,LIU Jin-xiang
College of Urban Construction and Safety Engineering,Nanjing University of Technology

Using TRNSYS software to establish model of geothermal response test,heat transfer and heat exchange per meter in different depth,different flow velocity and in different seasons were simulated,which took the single-U type ground heat exchanger as an example.Different working condition of geothermal response test’s influence on the test results under the condition of the same soil type was analyzed.In ground source heat pump system design process,these factors should be considered for the optimization of design.

heat exchange per meter,heat exchanger duct depth,soil mean temperature,thermal response test

1003-0344（2014）04-049-4

2013-5-24

王晨（1987～），男，碩士研究生；南京市鼓樓區(qū)中山北路200號南京工業(yè)大學(xué)虹橋校區(qū)（210009）；E-mail:344680616@qq.com

江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)目（SBY201220376）