寒冷地區(qū)垂直埋管換熱器供暖期巖土體溫度場研究

王　欣,杜震宇,呂植東

(1.太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024;2.寧波市鄞州區(qū)建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站,浙江 寧波 315100)

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寒冷地區(qū)垂直埋管換熱器供暖期巖土體溫度場研究

王欣1,杜震宇1,呂植東2

(1.太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024;2.寧波市鄞州區(qū)建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站,浙江 寧波 315100)

摘要:為了研究寒冷地區(qū)單U型垂直埋管換熱器供暖期巖土體溫度場,結(jié)合某實(shí)際工程,通過40個(gè)防護(hù)型一線式溫度傳感器對巖土體溫度進(jìn)行了監(jiān)測。對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正并分析后得出,地下水滲流能增強(qiáng)熱對流,使得巖土體溫度變化率升高,這對于地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行是一個(gè)有利的條件;間歇運(yùn)行可以有效緩解系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行對巖土體溫度場產(chǎn)生的不良影響,對于提高熱泵系統(tǒng)性能具有重要作用;巖土體溫度受到了地下熱傳導(dǎo)向上的熱量補(bǔ)給的影響,因此在模擬計(jì)算時(shí)不宜將換熱井底部設(shè)為恒溫邊界或者絕熱邊界,應(yīng)將其作為動(dòng)態(tài)邊界條件處理,同時(shí)淺層巖土體溫度受太陽輻射影響較大,計(jì)算時(shí)這部分熱量也是不能忽略的。

關(guān)鍵詞:地源熱泵;埋管;供暖期;巖土體溫度;換熱井

隨著社會發(fā)展過程中環(huán)境和能源問題的日漸突出,對可再生能源利用的需求愈來愈強(qiáng)烈。埋管式地源熱泵系統(tǒng)作為一種高效的可再生能源利用技術(shù),近年來備受青睞,對其研究和應(yīng)用也不斷增多。胡志高和曹崇民通過模擬分析了夏熱冬冷地區(qū)某地埋管周圍巖土體溫度場沿徑向的變化規(guī)律以及埋管的熱作用半徑,結(jié)果顯示,地埋管周圍巖土體溫度的下降速率與徑向距離成反比,模擬工況下?lián)Q熱井內(nèi)埋管的熱作用半徑為2 m[1]。WANG et al采用有限差分法對冬季地埋管周圍巖土體溫度場的分布進(jìn)行了模擬研究,發(fā)現(xiàn)地埋管中介質(zhì)流量越大、地埋管周圍巖土體溫度越低的規(guī)律[2]。ZHANG et al通過模擬分析了地下水滲流存在的情況下地?zé)峤粨Q器的性能,為地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用提供了理論和技術(shù)支持[3]。陳忠購、張正威建立了豎直地埋管換熱器的計(jì)算模型,應(yīng)用該模型對一簡單分層滲流地層中換熱器的換熱性能進(jìn)行計(jì)算,得出穩(wěn)定的地下水滲流能有效增強(qiáng)換熱器換熱性能的結(jié)論[4]。楊燕等人研究了地埋管換熱器與周圍巖土體的熱量交換以及巖土體的溫度變化,提出采用熱回收技術(shù)解決夏熱冬冷地區(qū)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的巖土體熱不平衡問題是有效的[5-7]。劉業(yè)鳳等對夏熱冬冷地區(qū)某地源熱泵實(shí)際工程管群內(nèi)外巖土體溫度場進(jìn)行了對比分析,結(jié)果表明：管群外淺層巖土體溫度隨氣溫變化波動(dòng)比較大,并且存在一定的滯后；同時(shí)隨著系統(tǒng)的長期運(yùn)行,地埋管換熱器表面與周圍巖土體之間換熱溫差減小,導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行性能下降,因此適當(dāng)增加鉆孔間距、對系統(tǒng)采用間歇運(yùn)行的模式會有效緩解這一現(xiàn)象[8]。然而不論是研究新型熱泵技術(shù),還是發(fā)展現(xiàn)有的熱泵理論,都離不開對巖土體溫度場的研究。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，對于埋管式地源熱泵系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)的研究較多,而對其在寒冷地區(qū)的研究相對較少,能與實(shí)際工程相結(jié)合的研究就更少。本文結(jié)合實(shí)際工程,實(shí)地監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),完成了寒冷地區(qū)單U型垂直埋管換熱器供暖期巖土體溫度場的試驗(yàn)研究,旨在為熱負(fù)荷大于冷負(fù)荷地區(qū)埋管式地源熱泵系統(tǒng)的研究提供參考。

1供試工程及傳感器布置

供試工程位于寒冷地區(qū)的某高速公路收費(fèi)站。該處的巖土體分層從地表到-70 m依次為濕陷性黃土、黃土(粉土)、卵石、強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖,其厚度分別為11.5，12.3，3.8 ，5.6，36.8 m,且在-40 m巖土體層存在地下水滲流。

該埋管式地源熱泵系統(tǒng)地埋管側(cè)共有82口鉆孔尺寸為150 mm的換熱井,井深為70 m,換熱井布置方式為等間距陣列布置,井間距為4.50 m.埋管形式采用單U型垂直埋管,U型管為管徑32 mm的高密度聚乙烯管,管內(nèi)循環(huán)液為軟化水,不同井內(nèi)U型埋管采用同程方式連接,如圖1所示。由于換熱井對稱布置,為減少測試工作量,本文取3×3矩陣排列的9口換熱井單元區(qū)域作為實(shí)測研究對象。該區(qū)域中心處換熱井編號為A,其余8口換熱井依次編號為1號-8號,如圖1中虛線框所示。

圖1　埋管式地源熱泵系統(tǒng)換熱井布置圖Fig.1　Schematic of the wells of the groundsource heat pump system

為了研究供暖期地埋管換熱器周圍巖土體溫度場,在換熱井A周圍另外鉆取B、C、D等3口測試井,測試井B、C、D分別位于換熱井A與換熱井5、1、7的對角線上。其中,測試井B、C與換熱井A的距離為2.25 m,而測試井D位于換熱井A與換熱井7位置連線的中點(diǎn),如圖2所示。測試井的大小、深度與換熱井的完全相同,但僅用于埋設(shè)巖土體溫度傳感器。本試驗(yàn)采用5組共40個(gè)溫度傳感器對換熱井A及測試井B、C、D內(nèi)的巖土體溫度進(jìn)行監(jiān)測，如圖3所示。在換熱井A中的供回水支管外側(cè)各設(shè)一組溫度傳感器,其中回水管傳感器編號為第Ⅰ組,供水管傳感器編號為第Ⅱ組;測試井B、C、D內(nèi)各設(shè)一組溫度傳感器,并分別編號為第Ⅲ組—第Ⅴ組。每組溫度傳感器均有8個(gè)測點(diǎn),分別記為1#—8#溫度傳感器。其中,1#測點(diǎn)位于U型管最下端,即-70 m處,并從下往上每隔10 m設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)。由于該溫度傳感器長期處于潮濕環(huán)境,因此選用了防護(hù)型一線式溫度傳感器,測量范圍為-55 ～125 ℃,測量精度為±0.1 ℃,并且埋設(shè)前在實(shí)驗(yàn)室用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)進(jìn)行了校驗(yàn),以此對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正。試驗(yàn)中所有監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)均以有線傳送方式傳輸至監(jiān)控機(jī)房,通過數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)后,再通過通訊轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)傳至電腦并自動(dòng)記錄。

圖2　換熱井和測試井的相對位置Fig.2　Relative position betweentesting wells and engineering wells

圖3　溫度傳感器布置圖Fig.3　Arrangement of temperature sensors

在本試驗(yàn)測試系統(tǒng)中,巖土體溫度范圍為6.22～11.64 ℃,因此測試誤差的最大值為:

誤差小于5%,在工程可接受范圍內(nèi),因此用測試數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析得出的結(jié)論是可靠的。

2監(jiān)測結(jié)果及分析

本文討論冬季供暖運(yùn)行階段巖土體溫度場的變化規(guī)律,測試時(shí)間段為2010-12-11至2011-04-14。供暖運(yùn)行期間,在滿足收費(fèi)站內(nèi)人員供暖需求前提下,熱泵機(jī)組采用間歇運(yùn)行的方式。

2.1換熱井A內(nèi)巖土體溫度變化

以供暖期幾個(gè)典型日為例,換熱井A內(nèi)不同深度供回水側(cè)的巖土體溫度變化如圖4—圖6所示。由于供暖初期回水側(cè)-70 m和-60 m層的溫度傳感器出現(xiàn)故障,所以沒有采集到相應(yīng)的巖土體溫度。

由圖4可知，巖土體溫度出現(xiàn)明顯的波動(dòng),這是由于間歇供暖所引起的。巖土體溫度在機(jī)組停止運(yùn)行期間便得到了一定的恢復(fù),可見間歇運(yùn)行可以有效緩解系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行對巖土體溫度場產(chǎn)生的不良影響[8-9]。

圖4　不同深度供回水側(cè)巖土體溫度變化(2010-12-13)Fig.4　Soil temperature variation of different depths in both sides of water supply and water return (2010-12-13)

圖5　不同深度供回水側(cè)巖土體溫度變化(2010-12-21)Fig.5　Soil temperature variation of different depths in both sides of water supply and water return(2010-12-21)

圖6　不同深度供回水側(cè)巖土體溫度變化(2011-03-04)Fig.6　Soil temperature variation of different depths in both sides of water supply and water return (2011-03-04)

由圖5、圖6可知:

1) -40 m層巖土體溫度變化率較大,這是由于該層存在地下水滲流,熱對流較快所引起的[10-11]。

2) 隨著室外溫度的升高,熱負(fù)荷減小,間歇時(shí)間延長,巖土體溫度開始進(jìn)行較為明顯的恢復(fù),-70 m層溫度逐漸處于最大值,可見地下熱傳導(dǎo)向上的熱量補(bǔ)給起到了明顯的作用。因此在模擬計(jì)算時(shí)不宜將換熱井底部設(shè)為恒溫邊界或絕熱邊界,應(yīng)將其作為動(dòng)態(tài)邊界條件處理。

2.2測試井B、C、D內(nèi)巖土體溫度變化

各測試井內(nèi)巖土體溫度在整個(gè)供暖期的變化見表1、表2和表3。

表1　測試井B內(nèi)各層巖土體溫度變化

表2　測試井C內(nèi)各層巖土體溫度變化

可以看出,各層巖土體都呈現(xiàn)出在剛開始一段時(shí)間內(nèi)溫度幾乎不變、而在某一時(shí)刻才開始降溫的規(guī)律。這說明在某一時(shí)刻前巖土體溫度不受換熱井的影響,之后才受到其影響,開始降溫,這與熱作用半徑是有關(guān)的[12-13]。同時(shí),在-20 m層到-70 m層之間,隨著深度的增加,巖土體溫度是逐漸升高的；然而在淺層呈現(xiàn)出了相反的規(guī)律,說明淺層巖土體溫度受太陽輻射影響是比較大的,因此在模擬計(jì)算時(shí)這部分熱量是不能忽略的。

表3　測試井D內(nèi)各層巖土體溫度變化

3結(jié)論

1) 在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后,巖土體溫度在相對較短的時(shí)間間隔內(nèi)圍繞一個(gè)穩(wěn)定值來回振蕩,巖土體溫度在機(jī)組停止運(yùn)行期間得到了一定的恢復(fù)。這是由機(jī)組的間歇運(yùn)行所引起的,可見間歇運(yùn)行可以有效緩解系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行對巖土體溫度場產(chǎn)生的不良影響。

2) 地下水滲流能增強(qiáng)熱對流,使得巖土體溫度變化率升高,這對于地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行是一個(gè)有利條件。

3) 巖土體溫度受到了地下熱傳導(dǎo)向上的熱量補(bǔ)給影響,因此在模擬計(jì)算時(shí)不宜將換熱井底部設(shè)為恒溫邊界或絕熱邊界；同時(shí)淺層巖土體溫度受太陽輻射影響較大,計(jì)算時(shí)這部分熱量是不能忽略的。

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(編輯：張紅霞)

Experimental Research on Soil Temperature Field of Vertically Buried Heat Exchanger in Heating Period in Cold Region

WANG Xin1,DU Zhenyu1,LYU Zhidong2

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.NingboYinzhouSupervisionStationofConstructionEngineeringQuality,Ningbo315100,China)

Abstract:This study deals with the soil temperature field around single U-tube heat exchanger working for a real project in cold region,which is monitored by 40 temperature sensors. After correcting and analyzing the data,we give the conclusions as follows.Groundwater seepage can effectively enhance the heat exchange efficiency of ground heat exchanger,which is an advantage for the operation of ground source heat pump system. Intermittent operation,which can mitigate the negative effect of continuous operation of system on soil temperature field,plays an important role in improving the performance of heat pump system. Soil temperature is influenced by underground supplementary heating,so the bottom border of wells should not be set as constant temperature boundary or adiabatic boundary,but as dynamic boundary during the process of simulation. Meanwhile,temperature of shallow layer of soil is greatly influenced by solar radiation,which should also be taken into consideration.

Key words:ground source heat pump;single buried pipes;heating period;soil temperature;engineering wells

中圖分類號:TU831

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.01.009

作者簡介：王欣(1993-),女,山西原平人,碩士,主要從事建筑節(jié)能研究,(E-mail)wang885857@126.com通訊作者：杜震宇,男,博士,教授,(E-mail)dsdd2004@163.com

基金項(xiàng)目：山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目:土壤源熱泵可持續(xù)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)研究——黃土高原寒冷地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)研究(20130313004-1)

收稿日期：2015-02-25

文章編號:1007-9432(2016)01-0041-05