重慶地區(qū)垂直雙U地埋管換熱器保溫性能研究*

陳金華，龔皓玥，包修碧，夏 磊

(1．重慶大學(xué) 低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心,重慶 400045；2．重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400045；3．宿遷市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇 宿遷 223800)

近年來，隨著能源供應(yīng)趨緊，可再生能源的發(fā)展和利用越來越受到人們的重視.土壤源熱泵系統(tǒng)作為可再生能源利用的關(guān)鍵技術(shù)之一，自20世紀(jì)90年代初在我國開始示范應(yīng)用以來，以20%以上的速度推廣[1].尤其在冷、熱負(fù)荷均有需求的地區(qū)，以及因條件限制不能使用煤、電、燃?xì)獾冗M(jìn)行供冷、制熱的地區(qū)有較好的適用性.土壤源熱泵系統(tǒng)通過地埋管換熱器與大地傳熱來實現(xiàn)制冷和供熱，而地埋管換熱器的初投資約占系統(tǒng)總初投資的30%[2].因此，對地埋換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高地埋管換熱器的換熱效率，是降低土壤源熱泵系統(tǒng)成本以及推動該技術(shù)廣泛應(yīng)用的重要途徑.

由于土壤源熱泵地埋管換熱器的進(jìn)回水管內(nèi)流體之間存在溫差，且相距較近，就會導(dǎo)致 “熱短路”現(xiàn)象，從而使地埋管換熱器的換熱量減小，降低系統(tǒng)的換熱效率[3].為了抑制或減弱“熱短路”對土壤源熱泵地埋管換熱器性能的影響，有學(xué)者提出對距地表一定深度范圍內(nèi)的上升管外添加一定厚度的絕熱保溫套[4-5].近年來，土壤源熱泵系統(tǒng)的實測研究所提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少，對系統(tǒng)的設(shè)計以及實際運行控制的作用較小.地埋管換熱器是否應(yīng)采取保溫措施已有研究中還存在以下的缺陷：1)研究對象僅為單U形地埋管換熱器；2)使用的評價標(biāo)準(zhǔn)多為單位井深換熱量、平均傳熱系數(shù)、平均埋管熱阻以及機(jī)組或系統(tǒng)的性能參數(shù)[6-7]；3)缺乏全年運行期間的保溫?fù)Q熱影響數(shù)據(jù).

本文從雙U地埋管換熱器深度方向上的溫度分布特點及變化規(guī)律的角度，探討回水管保溫對地埋管的供水溫度、回水溫度和換熱能效的影響，直觀地反映回水管保溫的價值.并期望把該土壤源熱泵系統(tǒng)案例實測的研究方法和相關(guān)結(jié)論推廣到不同氣象和水文地質(zhì)條件的地區(qū)，為土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的運行及設(shè)計提供可靠的實測基礎(chǔ).

1 層換熱理論

層換熱理論是根據(jù)流經(jīng)地埋管的流體溫度分布規(guī)律與周圍土壤溫度分布規(guī)律，從自然地表至管底深度范圍內(nèi)將地埋管換熱器的換熱情況分為3區(qū)換熱模型[8]，如式(1).

L=Ls+Lt+Ln．

(1)

式中：L為地埋管換熱器的埋設(shè)深度，m；Ls為飽和換熱層深度，m；Lt為換熱層深度，m；Ln為未換熱層深度，m.

這3個換熱層是統(tǒng)一劃分且動態(tài)變化的，包括供水管和回水管.巖土累積熱量，其溫度和供水溫度接近，無工程意義上的換熱發(fā)生的區(qū)域稱為飽和換熱層；供水與巖土具有溫差，大量換熱發(fā)生的區(qū)域稱為換熱層；換熱達(dá)到一定程度后，供水溫度與巖土初始溫度接近，無工程意義上的換熱發(fā)生的區(qū)域稱為未換熱層.在以某供水溫度換熱之初，飽和換熱層尚未形成，Ls=0，從供水管入口開始到某一深度為換熱層，剩下為未換熱層；隨著換熱的進(jìn)行，入口處Ls開始形成，Lt下移，Ln縮??；若負(fù)荷持續(xù)時間較短，則Ls較小，Lt不變，且下移深度不大，Ln保持較大；當(dāng)負(fù)荷持續(xù)時間和強(qiáng)度提高后，Ls逐漸加長，Lt也增大并持續(xù)下移，Ln逐漸減小；當(dāng)換熱達(dá)到一定程度后，換熱器僅有Ls和Lt，Ln=0，這時地埋管換熱性能開始下降.對于回水管，未換熱層存在的條件下，未換熱層區(qū)域內(nèi)的換熱器管內(nèi)水溫已經(jīng)和巖土初始溫度一致，回水管沒有換熱能力；未換熱層消失后，回水管才開始換熱.

當(dāng)回水管的水經(jīng)過供水管的換熱區(qū)時，由于與周圍土壤存在一定的溫差，便會發(fā)生熱量交換，產(chǎn)生熱損失.所以對地埋管的回水管采取保溫措施在理論上對減輕熱損失是有一定積極作用的.回水管最保險的保溫長度Li為Ls與Lt之和，并考慮一定的富裕系數(shù)，可用式(2)計算，其中，富裕系數(shù)1.02參照熱水管網(wǎng)直埋敷設(shè)的室外管網(wǎng)熱損失系數(shù)1.02～1.06，取其下限[9].

Li=(Ls+Lt)×1.02．

(2)

而在地埋管熱泵系統(tǒng)實際運行時，往往可以通過控制機(jī)啟停臺數(shù)或地埋管的開啟數(shù)量實現(xiàn)間歇運行，間歇運行期便是土壤溫度的恢復(fù)期，期間飽和換熱層深度Ls將縮小且上移，其縮小極限為0，即恢復(fù)到土壤初始溫度；換熱層深度Lt會相應(yīng)縮小且上移；Ln則增大.所以考慮到系統(tǒng)運行期間有間歇期的存在，回水管最合理保溫長度Li為Lt的深度值，并考慮一定的富裕系數(shù)[9]，可用式(3)計算:

L=Lt×1.02．

(3)

2 實驗系統(tǒng)

基于層換熱理論，本文針對某綜合辦公建筑，對其土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行全年、連續(xù)地埋管換熱測試.該實驗建筑位于重慶市沙坪壩區(qū)，主要分為外訓(xùn)和學(xué)生宿舍兩部分.建筑高度約為21.2 m，地下一層，地上5層，功能包括住宿、餐飲、教學(xué)、辦公、會議等.空調(diào)設(shè)計冷負(fù)荷為580.817 kW，熱負(fù)荷為447.076 kW，完全由土壤源熱泵系統(tǒng)承擔(dān).地埋管換熱器采用并聯(lián)垂直雙U埋管，管材采用高承壓管材PE100，管徑為de32，井深100 m，孔徑130 mm，共有119口鉆井，孔間距6 m，分為3個管群，其換熱場區(qū)以換熱性能良好的沙巖、砂質(zhì)泥巖為主.

本工程熱響應(yīng)測試在測試完原始地溫后，進(jìn)行了雙U管夏季工況測試，通過測試儀器，使得進(jìn)地埋管換熱器的進(jìn)水溫度基本穩(wěn)定在33.5～34.5 ℃左右，流量為1.9 m3/h，流速為0.5 m/s.熱響應(yīng)測試結(jié)果如圖1所示．開始運行前，原始地溫由地下深度為1 m時的24.8 ℃降低為地下深度為20 m時的19.3 ℃；在地下深度20～90 m內(nèi)，地溫相對穩(wěn)定在18.8～19.5 ℃.從開始持續(xù)運行24 h時，地溫變化較大，從各層初始地溫19～25 ℃變化到29～31 ℃.當(dāng)持續(xù)運行到31 h后，各層地溫基本穩(wěn)定在31～33 ℃左右，與原始地溫相比，平均上升了10 ℃左右.

測點位置/m

本工程為外訓(xùn)和學(xué)生宿舍，負(fù)荷特征與居住建筑相近，每日的19∶00到次日8∶00為主要負(fù)荷時間，其他時間段內(nèi)仍有負(fù)荷時間，但負(fù)荷強(qiáng)度較低[10].該工程持續(xù)31 h滿負(fù)荷運行的情況較少，所以參照累積運行24 h的平均地溫變化曲線，初步分析該地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的三區(qū)換熱模型：0～5 m受地表溫度影響，波動較大；5～10 m溫度變化平緩；10～40 m溫度波動呈下降趨勢；40～60 m的溫度下降趨勢較緩；60～90 m溫度變化平緩.可分析得出：飽和換熱層處于0～10 m段，Ls=10 m；換熱層處于10～40 m段，Lt=30 m；未換熱層處于40～100 m，Ln=60 m.通過式(2),(3)計算，本項目Li=41 m，Li=31 m.結(jié)合已有學(xué)者的研究成果[11-12]，本次實驗采用地埋管回水管保溫方式，保溫材料為柔性泡沫橡塑，保溫厚度取為25 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.033～0.034 W/(m·K)，保溫長度取30 m.

為更好地對比分析保溫的效果，本項目測試對象為保溫、不保溫垂直雙U地埋管換熱器，測量指標(biāo)為溫度.測溫點布置在地埋管的供水管、回水管上的深度為5 m，10 m，15 m，20 m，30 m，40 m，80 m和100 m處，共16個有效溫度測點，如圖2所示.溫度傳感器采用T型(銅-康銅)熱電偶，變送器采用美國安捷倫34970A型數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)記錄時間間隔設(shè)置為5 min，顯示器為筆記本電腦.熱電偶采用恒溫水箱法，通過測試范圍0～50 ℃，精度為0.1 ℃的精密水銀溫度計進(jìn)行標(biāo)定，并擬合了溫度校正曲線以及校正函數(shù).

測點位置(m)

3 實驗結(jié)果

編號“P1”代表回水管不保溫雙U地埋管換熱器，編號“P2”代表回水管保溫雙U地埋管換熱器.“G5”表示地埋管豎直方向上距自然地表深度為5 m處的供水管測溫點，“H5” 表示為地埋管豎直方向上距自然地表深度為5 m處的回水管測溫點.其他測溫點編號的含義以此類推.通過校正函數(shù)對測試數(shù)據(jù)修正，并剔除實驗數(shù)據(jù)中的壞值后，從不同時刻地埋管水溫、同一月份地埋管平均水溫和同一工作季度地埋管平均水溫這3個方面，對實測結(jié)果進(jìn)行分析.

3.1 不同時刻地埋管水溫

為了更清晰地反映各個測溫點的溫度隨工作時間的變化規(guī)律，典型日的數(shù)據(jù)以小時為單位取其平均值，時間間隔取6 h.夏季典型日為7月31日，測試工況為3臺冷卻泵開啟，開2個管群，單口地埋管換熱器流量為2.16 m3/h，流速為0.91 m/s.對采樣時間段為8∶00～次日8∶00的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，描繪P1，P2的水溫變化曲線，如圖3和圖4所示.

測點位置

測點位置

冬季典型日為2月17日，測試工況為3臺冷卻泵開啟，開3個管群，單口地埋管換熱器流量為1.12 m3/h，流速為0.51 m/s.對采樣時間段為8∶30～次日8∶30的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，描繪P1，P2的水溫變化曲線，如圖5和圖6所示.

由圖3、圖4可以看出，在夏季典型日內(nèi)，P1和P2的水溫變化趨勢大致相同，并且供水管變化幅度要比回水管大.地埋管供水管在距自然地表5～15 m段，P1在8∶00～20∶00時段內(nèi)溫度下降幅度較大，在次日2∶00～次日8∶00時段內(nèi)溫度下降幅度平緩，而P2在整個測試時段內(nèi)溫度下降幅度均較為平緩，該段為飽和換熱層；在距自然地表15～40 m段，P1，P2的測點水溫均隨著深度的增加呈下降趨勢，該段為換熱層；在距自然地表40～100 m段，P1，P2的測點水溫變化幅度較為平緩，該段為未換熱層.地埋管同一深度測點水溫隨時間的變化規(guī)律基本相同，機(jī)組大部分時間處于供冷狀態(tài)，地埋管累積負(fù)荷在8∶00～次日8∶00時段內(nèi)持續(xù)增加，水溫呈上升趨勢.

測點位置

測點位置

由圖5、圖6可以看出，在冬季典型日內(nèi)，P1和P2的水溫變化趨勢大致相同，并且供水管變化幅度要比回水管大.地埋管供水管在距自然地表5～10 m段，P1在14∶30～20∶30時段內(nèi)溫度上升幅度平緩，在其余時段內(nèi)溫度上升幅度較大，而P2在14∶30～次日2∶30時段內(nèi)溫度上升幅度平緩，在其余時段內(nèi)溫度上升幅度較大，該段為飽和換熱層；在距自然地表10～40 m段，測點水溫均隨著測點深度的增加呈上升趨勢，該段為換熱層；在距自然地表40～100 m段，測點水溫變化幅度較為平緩，該段為未換熱層.地埋管同一深度測點水溫隨時間的變化規(guī)律基本相同，由于建筑負(fù)荷特點，在8∶30～20∶30時段內(nèi)末端負(fù)荷增加，地埋管累積負(fù)荷持續(xù)增加，水溫呈下降趨勢；在次日2∶30～次日8∶30時段內(nèi)末端負(fù)荷減少，地埋管累積負(fù)荷逐漸減小，水溫呈上升趨勢，并且該趨勢在供水管0～30 m段以及回水管0～10 m段較為明顯.

3.2 同一月地埋管平均水溫情況

分別取夏季最熱月和冬季最冷月的雙U地埋管實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.夏季運行時，取7月份的月平均溫度進(jìn)行分析，冬季運行時，取2月份的月平均溫度進(jìn)行分析，并描繪其水溫變化曲線，如圖7所示.

由圖7可以看出，7月土壤源熱泵系統(tǒng)運行期間，P1和P2的水溫變化趨勢大致相同，并且供水管變化幅度要比回水管大.飽和換熱層處于距自然地表5～15 m段；換熱層處于距自然地表15～40 m段；未換熱層處于距自然地表40～100 m段.由于熱短路現(xiàn)象，在距自然地表5～30 m段，P1供水管上各測點溫度比P2總體偏低，P1回水管上各測點溫度比P2總體偏高； P1，P2上其余測點溫度相近，但P1的測點溫度略高些，兩溫度分布曲線在G30～G40段出現(xiàn)交點.

測點位置

2月土壤源熱泵系統(tǒng)運行期間，P1，P2的月平均水溫分布曲線大致相同.飽和換熱層處于距自然地表5～10 m段；換熱層處于距自然地表10～30 m段；未換熱層處于距自然地表30～100 m段.由于熱短路現(xiàn)象，在距自然地表5～30 m段， P1供水管上各測點溫度比P2總體偏高；P1，P2上其余測點溫度相近，但P1的測點溫度略低，兩溫度分布曲線在接近G30處出現(xiàn)交點.

3.3 同一季地埋管平均水溫情況

在土壤源熱泵系統(tǒng)運行期間，分別取夏季、冬季系統(tǒng)運行期間的雙U地埋管實測數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行分析，并描繪其水溫變化曲線，如圖8所示.

測點位置

由圖8可以看出，土壤源熱泵系統(tǒng)制冷季期間，P1，P2的季平均水溫變化趨勢和3區(qū)換熱模型均同系統(tǒng)最熱月運行期間的大致相同.由于熱短路現(xiàn)象，在距自然地表5～40 m段，P1供水管上各測點溫度比P2總體偏低，P1回水管上各測點溫度比P2總體偏高； P1，P2上其余測點溫度相近，但P1的測點溫度略高些，兩溫度分布曲線在G40處出現(xiàn)交點.

土壤源熱泵系統(tǒng)制熱季期間， P1，P2的季平均水溫變化趨勢和3區(qū)換熱模型均同系統(tǒng)最冷月運行期間的大致相同.由于熱短路現(xiàn)象，在距自然地表5～30 m段，P1供水管上各測點溫度比P2總體偏高； P1，P2上其余測點溫度相近，但P1的測點溫度略低，兩溫度分布曲線在G20～G30處出現(xiàn)交點.

4 基于層換熱理論的地埋管保溫?fù)Q熱性能分析

采用換熱器效能εΛ[13]來衡量“熱短路”對地埋管換熱器的影響，換熱器效能是指在同樣的運行條件下，地埋管換熱器的實際換熱量與最大換熱量之比，如式(4)所示.

(4)

式中：ρ為進(jìn)出水平均溫度下的密度，kg/m3；Cp為水的定壓比熱，取4.19 kJ/(kg·℃)；V為循環(huán)水流量，m3/h；ti為地埋管換熱器進(jìn)水平均溫度，℃；to為地埋管換熱器出水平均溫度，℃；tmax為地埋管換熱器進(jìn)水最高溫度，℃；tmin為地埋管換熱器進(jìn)水最低溫度，℃.

(5)

式中：εΛi為保溫地埋管換熱器效能；εΛn為不保溫地埋管換熱器效能；Δti為保溫地埋管換熱器進(jìn)出水溫差，℃；Δtn為不保溫地埋管換熱器進(jìn)出水溫差，℃.

考慮本實驗測點的局限性以及一定的水溫波動幅度，實驗結(jié)果分析得本實驗項目飽和換熱層深度Ls=5～15 m，換熱層深度Lt=20～30 m，未換熱層深度Ln=60 m.Ls按最不利條件取15 m ，Lt按最不利條件取30 m，則由式(2)計算的回水管Li= 46 m，則由式(3)計算的回水管Lr= 31 m.本實驗地埋管保溫長度與最合理保溫長度相近.本實驗系統(tǒng)地埋管換熱層的變化主要集中于供水管飽和換熱層和換熱層，結(jié)合該變化規(guī)律，分別將地埋管不同運行期間的換熱效能匯總列于表1,表2.

表1 夏季地埋管換熱能效分析

表2 冬季地埋管換熱能效分析

由表1可看出，典型日7月31日8∶00～次日8∶00，地埋管換熱持續(xù)進(jìn)行，飽和換熱層在增加，土壤所承受的累積負(fù)荷在增加，不保溫地埋管P1的換熱能效呈下降趨勢，而保溫地埋管P2換熱能效保持在0.65左右，ε'Λ持續(xù)提升，由9.68%增加到21.23%.月平均和季平均所分析的是當(dāng)月、當(dāng)季的平均效果，得到的是負(fù)荷的累積效果，7月平均ε'Λ上升到28.57%，制冷季平均ε'Λ上升到41.48%.可以看出，回水管保溫對換熱能效的提高有顯著影響.

由表2可看出，典型日2月17日08∶30～14∶30，地埋管換熱開始，機(jī)組逐漸達(dá)到滿載運行，P1，P2的換熱能效呈上升趨勢，能效比較系數(shù)ε'Λ持續(xù)提升，由3.63%增加到5.41%.14∶30～次日2∶30，地埋管換熱持續(xù)進(jìn)行，飽和換熱層在增加，土壤所承受的累積負(fù)荷在增加，不保溫地埋管P1的換熱能效呈下降趨勢，而保溫地埋管P2換熱能效保持在0.5左右，能效比較系數(shù)ε'Λ持續(xù)提升由5.41%增加到11.81%.次日2∶30～8∶30，負(fù)荷逐漸減少，飽和換熱層在縮小，土壤所承受的累積負(fù)荷在減小，不保溫地埋管P1的換熱能效呈上升趨勢，而保溫地埋管P2換熱能效呈下降趨勢，ε'Λ降到4.75%.月平均和季平均所分析的是當(dāng)月、當(dāng)季的平均效果，得到的是負(fù)荷的累積效果，2月平均ε'Λ上升到23.08%，制熱季平均ε'Λ上升到40.54%，可以看出回水管保溫對換熱能效的提高有顯著影響.

由上述分析可以得出，本實驗項目所確定的最合理保溫長度能緩解地埋管換熱器的“熱短路”問題，達(dá)到其保溫效果.尤其是在累積負(fù)荷期較長的情況下，累積負(fù)荷越大，回水管保溫的效果越明顯，越有利于實現(xiàn)地埋管換熱器冬季“高溫”出水，夏季“低溫”出水，對供回水溫差的提高有顯著影響，進(jìn)而提高地埋管的換熱能力.

地埋管換熱器的流量會影響地埋管的換熱情況，所以本實驗項目夏季地埋管的3區(qū)換熱模型與熱響應(yīng)測試數(shù)據(jù)分析出的結(jié)果不同，實際飽和換熱層增加，換熱層下移，可能會影響保溫層的保溫效果.而且本實驗項目夏季負(fù)荷大于冬季負(fù)荷，隨著運行時間的持續(xù)，負(fù)荷的累積，夏季地埋管的換熱能效大于冬季地埋管，夏季地埋管飽和換熱層的下移速度也比冬季快，夏季地埋管的保溫性能也比冬季的明顯，同等運行時間內(nèi)的能效比較系數(shù)ε'Λ也較大.針對其余地區(qū)的土壤源熱泵系統(tǒng)，“熱短路”問題是普遍存在的，回水管保溫是解決該問題的有利措施.在實際工程設(shè)計時，應(yīng)在熱響應(yīng)測試時詳細(xì)測試不同運行工況下的地溫變化情況，并根據(jù)土壤換熱特性、經(jīng)濟(jì)政策以及對冷熱負(fù)荷需求的不同等因素，通過理論計算合理確定土壤源熱泵地下?lián)Q熱器的各換熱層長度，進(jìn)而確定合理的回水管保溫長度.

5 結(jié) 論

本文基于層換熱理論，以重慶某實際工程為例，對其實際運行狀況下的地埋管換熱器供回水管不同深度的水溫進(jìn)行了現(xiàn)場實測，從不同時刻地埋管平均水溫和地埋管換熱器能效兩個方面對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，研究了回水管保溫與不保溫時垂直雙U地埋管換熱器的全年換熱情況，分析得出如下結(jié)論：

1)實測數(shù)據(jù)分析得出，本實驗項目飽和換熱層深度Ls=5～15 m，換熱層深度Lt=20～30 m，未換熱層深度Ln=60 m.

2)回水管保溫?fù)Q熱器P2的不同時刻換熱能效、月平均換熱能效、工作季(制冷季、制熱季)平均換熱能效均比回水管不保溫?fù)Q熱器P1高.其中不同時刻換熱能效冬季高出3.63%～11.81%，夏季高出9.68%～26.23%；月平均換熱能效高出23.08%～28.57%；季平均換熱能效高出40.54%～41.48%.

3)可通過完善土壤源熱泵熱響應(yīng)測試，分析得出系統(tǒng)地埋管換熱器的3區(qū)換熱模型，從而確定回水管保溫長度.回水管最保險的保溫長度Li為Ls與 Lt之和，并考慮一定的富裕系數(shù)；最合理保溫長度Lr為Lt的深度值，并考慮一定的富裕系數(shù).本項目Li=46，Lr=31 m.

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