地源熱泵埋管換熱器換熱量影響因素初析

陳海波，田信民，林圣明，劉九龍

(天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院 ，天津 300250)

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地源熱泵埋管換熱器換熱量影響因素初析

陳海波，田信民，林圣明，劉九龍

(天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院 ，天津 300250)

用同一臺巖土熱物性測試儀，在外界溫度相差不明顯的條件下，對100 m、120 m單U、雙U換熱器進(jìn)行測試。數(shù)據(jù)表明，不同埋管深度、不同換熱器類型的熱導(dǎo)率、每延米的排、取熱量差異很大。在天津地區(qū)換熱量的主要因素為水文地質(zhì)條件，其次影響因素為試驗(yàn)工況、換熱孔深度、換熱器類型、回填材料及其回填固結(jié)時間等。

地源熱泵；熱物性測試；U型垂直換熱器；換熱功率

地源熱泵現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)是利用地埋管換熱系統(tǒng)采用人工冷(熱)源向巖土體連續(xù)加熱(制冷)并記錄傳熱介質(zhì)的溫度變化和循環(huán)量來測定巖土體的熱傳導(dǎo)熱性能。通過該試驗(yàn)確定巖土體的土壤初始溫度、熱物性參數(shù)以及地下?lián)Q熱規(guī)律，為進(jìn)一步的地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與節(jié)能運(yùn)行提供必要的數(shù)據(jù)依據(jù)[7]。

本文依據(jù)天津淺層地?zé)崮鼙O(jiān)測中心獲取換熱孔原始數(shù)據(jù)，從不同的埋管深度、回填材料及單U、雙U換熱器，但試驗(yàn)工況相同，分析不同地質(zhì)條件下和不同施工工藝下影響現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)成果的主要因素[1]。進(jìn)而分析不同埋管深度、不同換熱器類型的熱導(dǎo)率、每延米的排、取熱量。

1　現(xiàn)場熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理

1.1試驗(yàn)原理

1.1.1地層初始溫度測試

通常而言，根據(jù)溫度變化差異，淺層巖土體基本可以劃分為三個區(qū)域：變溫層、恒溫層和增溫層[3]。在現(xiàn)場熱響應(yīng)測試中，當(dāng)不開啟加熱或制冷裝置，而僅僅依靠循環(huán)泵來維持地埋管換熱器環(huán)路循環(huán)時，經(jīng)過一定時間后，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很小的允許溫差[5](通常為0.1℃～0.2℃)。此狀態(tài)下的進(jìn)出口平均水溫通常被認(rèn)為鉆孔深度范圍內(nèi)“巖土體初始平均溫度”。

1.1.2恒熱流試驗(yàn)

地埋管換熱器的現(xiàn)場熱響應(yīng)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)傳熱問題。其數(shù)學(xué)解析主要有兩種模型：

1)基于線熱源理論的線模型[6]；

2)基于圓柱熱源理論的柱模型[7]。

本次測試選用了2套同型號的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)，該試驗(yàn)設(shè)備的參數(shù)計算采用了線熱源理論數(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均值的計算式為：

(1)

式(1)可寫為線性形式，即：

Tf=klnt+m

(2)

(3)

(4)

式中：Tf為埋管內(nèi)流體平均溫度(取入口與出口的平均值)，K；Qheat為加熱功率，W；H為垂直埋管深度，m；λ為巖土體綜合熱導(dǎo)率，W/(m·K)；a為熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；t為測試時間，s；r為鉆孔半徑，m；γ為歐拉常數(shù)，取 0.577 2；Rb為鉆孔熱阻，m·K/W；T0為巖土遠(yuǎn)處未受擾動的溫度，K。

由(1)～(4)式可以計算得出地層的換熱量和巖土體的綜合熱導(dǎo)率λ。

1.1.3冬、夏季恒溫度試驗(yàn)

冬、夏季恒溫度試驗(yàn)即通過實(shí)驗(yàn)儀器控制地埋管換熱器的進(jìn)水溫度，模擬地源熱泵系統(tǒng)冬、夏季運(yùn)行時的特定工況。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析以恒溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值計算，即可獲得特定試驗(yàn)條件下的地埋管換熱器冬、夏季單位延米換熱量[8](單位為：W/m)。

1.2測深儀器

野外測試工作采用了我院自主研發(fā)的FTPT11型淺層地?zé)崮墁F(xiàn)場熱響應(yīng)測試儀。試驗(yàn)儀器主要由熱泵系統(tǒng)、電加熱器、補(bǔ)水箱、循環(huán)泵、循環(huán)管路、溫度和流量檢測元件等組成。地埋管供水管處安裝流量計，供、回水管及循環(huán)管路均布置有溫度檢測點(diǎn)，用于自動記錄管路中循環(huán)水的流量和溫度[2]。(見圖1)

FTPT11型設(shè)備主要參數(shù)：最大加熱量：8 kW；最大制冷量：7 kW；最大輸入功率：12 kW；循環(huán)水流量：1.8 m3/h；揚(yáng)程：10 m。

圖1　熱響應(yīng)測試儀整體照片

主機(jī)外形尺寸1.2×0.5×0.9 m3；輔機(jī)外形尺寸1×0.6×0.9 m3。主輔機(jī)最大運(yùn)行重量約300 kg。

測驗(yàn)儀可以進(jìn)行以下試驗(yàn)：非加熱試驗(yàn)，恒熱流試驗(yàn)(分為小加熱功率和大加熱功率，加熱功率0～8 kW任意調(diào)節(jié)，測取地層平均導(dǎo)熱系數(shù))，恒溫度測試(模仿夏季熱泵運(yùn)行狀態(tài)，測取單孔排熱量)，設(shè)定溫度低于地層溫度的制冷恒定溫度測試(模仿冬季熱泵運(yùn)行狀態(tài)，測取單孔吸熱量)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)接口直接導(dǎo)出，并有配套的數(shù)據(jù)處理軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理[6]。

1.3測試程序

(1)現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)在試驗(yàn)孔施工(回填)完畢48h后進(jìn)行，首先做非加熱的循環(huán)測試，獲取地層初始平均溫度。要求入口或出口溫度穩(wěn)定(持續(xù)變化小于0.5℃/d)；

(2)在獲取初始地層平均溫度后，開始對回路中的傳熱介質(zhì)進(jìn)行加熱，采用大功率和小功率兩種加熱模式。測試過程中加熱功率和流量要求基本保持恒定(波動范圍在±1%以內(nèi))，逐時記錄回路中傳熱介質(zhì)的流量和進(jìn)出口溫度。溫度穩(wěn)定后(持續(xù)變化小于0.5℃/d)，觀測時間不少于24 h；

(3)地層溫度恢復(fù)后進(jìn)行冬、夏季每延米換熱量測試。冬、夏季地埋管換熱器的吸、放熱能力測試通過試驗(yàn)設(shè)備建立冬、夏季地埋管換熱器的運(yùn)行工況，在特定條件(地埋管供水溫度穩(wěn)定，流量一定)下測定地埋管換熱器的換熱量，從而確定特定條件下每延米地埋管換熱器的排熱或取熱能力[4]。

(4)每次加熱試驗(yàn)停止后，繼續(xù)觀測回路的進(jìn)出口溫度，直到恢復(fù)地層初始溫度為止；

(5)分析現(xiàn)場測試成果資料時，注意試驗(yàn)條件如氣溫等對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計方法剔除異常數(shù)據(jù)[8]。

2　現(xiàn)場熱響應(yīng)成果

本次淺層地?zé)崮苜Y源調(diào)查工作在重點(diǎn)調(diào)查區(qū)共完成了62組100～120 m深單U、雙U換熱器的現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)，并選取了試驗(yàn)場進(jìn)行了不同深度、不同的換熱方式(單U、雙U)現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)與測試研究及試驗(yàn)成果見表1。

現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)在30℃～35℃工況條件下，換熱器為120 m雙U類型時，換熱量在60～80 W/m之間，在5℃～10℃工況條件下，換熱器為120 m雙U類型時，換熱量在25～45 W/m之間，熱導(dǎo)率在1.04～2.3 W/(m·℃)之間。不同埋管深度、不同換熱器類型的熱導(dǎo)率、每延米的排、取熱量差異很大[4](見表1、圖2、圖3、圖4)。

總體上來說影響換熱量的主要因素為水文地質(zhì)條件，寶坻斷裂以南平原區(qū)的熱導(dǎo)率在平面上分布規(guī)律基本與中更新世Qp2和晚更新世Qp3的古河道分布相一致，分布在古河道中的現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)點(diǎn)，通過現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)所得到的綜合熱導(dǎo)率偏大，說明水文地質(zhì)條件是影響巖土體的綜合熱導(dǎo)率的主要因素[7]。其次影響因素為試驗(yàn)工況、換熱孔深度、換熱器類型、回填材料及其回填固結(jié)時間等[8]。

圖2　不同深度不同埋管方式熱導(dǎo)率(W/(m℃))曲線圖

圖3　100 m換熱孔不同埋管方式下每延米排取熱量(W/m)

圖4　120 m雙U換熱孔每延米排取熱量(W/m)

序號地點(diǎn)埋管深度m埋管方式回填材料綜合熱導(dǎo)率(W/(m·℃)排熱量(w/m)吸熱量(w/m)1濱海新區(qū)八一鹽場100雙U碎石2.22126.166.82寶坻玫瑰半島100雙U原漿及中粗砂2.0884.7839.593塘沽農(nóng)業(yè)生態(tài)園100單U原漿回填1.132.3217.734東麗區(qū)大畢莊120雙U原漿加細(xì)砂1.9577.3324.325大港電測站100雙U原漿及中粗砂1.7838.9720.836東麗機(jī)場120雙U中粗砂1.3857.6729.087津南區(qū)東右營120雙U中粗砂1.7567.3636.058河北區(qū)富水一方2100單U中粗砂1.0454.733.49河北區(qū)富水一方1120雙U中粗砂1.3981.6745.1910和平區(qū)恒隆廣場100雙U碎石2.2091.965.1011東麗區(qū)華明鎮(zhèn)120雙U細(xì)砂1.5570.6839.0512津南區(qū)海河醫(yī)院120雙U細(xì)砂1.3641.0625.4213靜海東雙塘120雙U原漿及中粗砂1.5267.131.5614空港物流3120雙U原漿及中粗砂1.5269.0642.4315西青區(qū)洛卡小鎮(zhèn)120雙U中粗砂1.6564.136.9316梅江會展中心120雙U中粗砂1.7662.2817北辰區(qū)青光鎮(zhèn)120雙U原漿加細(xì)砂1.9677.6622.8518濱海新區(qū)西部新城100單U水泥砂漿2.3053.3732.9719天津大學(xué)體育館120雙U原漿1.7660.9738.7720武清黃莊120雙U原漿及中粗砂1.5477.0336.2721西青區(qū)天地偉業(yè)120雙U中粗砂1.6770.0742.9322市區(qū)宜家家居100單U原漿及中粗砂1.6620.423中新生態(tài)城120雙U細(xì)砂1.5769.4838.84

[1]朱家玲，等．地?zé)崮荛_發(fā)與應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2006．

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Preliminary Analysis on Heat Transfer Factors of Ground Source Heat-pump Heat Exchanger

CHEN Hia-bo，TIAN Xin-min，LIN Sheng-ming，LIU Jiu-long

(Tianjin Institute of Geothermal Exploration and Development Tianjin 300250, China)

The paper first introduces the same rock and soil thermal physical property tester, under the condition of outside temperature difference is not obvious,About 100 m and 120 m U single, double U heat exchanger were tested. Data show that different buried depth of pipe, heat exchanger type of thermal conductivity, per linear meter, take heat difference is very big. Secondly, the main factors of heat transfer in tianjin area as the hydrogeological conditions, the second influence factors for test modes, heat exchanging hole depth and type of heat exchanger, backfill material and backfilling consolidation time, etc.

Ground source heat pump；Thermal Properties Measure；U-shaped vertical heat exchangers and heat exchange

2016-03-08

陳海波(1985-)，男，天津?qū)氎嫒耍こ處?，主要從事淺層地?zé)峥辈?、地?zé)嵛锾娇辈楣ぷ鳌?/p>

P314.2

B

1004-1184(2016)04-0061-03