地源熱泵系統(tǒng)在軟土地區(qū)的傳熱研究①

張計鋒, 安 康, 李世超, 包方明, 潘昌青

(紹興文理學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引 言

常規(guī)能源的消耗，如煤炭、天然氣，產(chǎn)生大量的二氧化碳，對環(huán)境有著惡劣的影響，國家“十三五”規(guī)劃《綱要》提出了萬元GDP能耗降低16%的約束性指標，要求推動能源生產(chǎn)和利用方式變革，積極發(fā)展地?zé)崮艿刃滦湍茉?。地源熱泵系統(tǒng)利用了淺層地下土壤冬暖夏涼的特點，冬季將熱量從地下土壤中轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，夏季把建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，地源熱泵系統(tǒng)有效地利用地?zé)崮?，?jié)能環(huán)保，得到了人民的青睞，迅速的發(fā)展推廣起來[1]。

周華慧[2]通過現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗得到準確的巖土綜合換熱能力，X. Li[3]通過對不同類型的地埋管進行熱響應(yīng)試驗，得到各類地埋管換熱器的單位換熱量。 J. Gao[4]利用巖土熱響應(yīng)測試，分析評價W型、單U型、雙U型和三U型等埋管型式對熱交換能力的影響，以及熱交換管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的流速對熱交換能力的影響。通過熱響應(yīng)試驗和數(shù)值模擬結(jié)合的方法，分析地埋管與其周圍土體之間的傳熱。

1 地源熱泵型傳熱系統(tǒng)

土壤源熱泵的地埋管和周圍土壤組成一個熱量相互交換的傳熱器，傳熱器作為取熱段與熱泵機一端相連，熱泵機的另一端與供熱段相連。在夏季，熱泵機出水溫度高于地下土壤溫度，地埋管中的水與周圍土壤發(fā)生對流換熱，將熱量傳給土體，等于吸收土體的冷量，然后通過熱泵機提取給建筑物供冷。在冬季，熱泵機出水溫度低于土體的溫度，地埋管中的水吸收土體中的熱量，經(jīng)過熱泵機提升后給建筑物供暖。因此，要保證地源熱泵系統(tǒng)達到制冷的效果，并能夠長期穩(wěn)定的運行，必須求出單位深度換熱量，設(shè)計滿足熱負荷要求的埋管數(shù)量，同時夏季向土壤的散熱量和冬季從土壤中的取熱量要保持一致，這樣才不會因為長年的累積效應(yīng)導(dǎo)致低溫持續(xù)升高或降低，最終影響地源熱泵的正常使用。地源熱泵系統(tǒng)運行原理如圖1所示。

圖1 地源熱泵系統(tǒng)運行原理示意圖

2 現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗

2.1 工程背景

昆山聯(lián)排別墅區(qū)位于江蘇省昆山市湖濱路。該工程主要由65棟聯(lián)排別墅和一幢四層酒店組成。酒店主要為泳池、健身房、客房、客廳等商業(yè)用房，項目前期設(shè)計建筑總面積約為21,000。該工程的地源熱泵系統(tǒng)用于在別墅區(qū)的夏季空調(diào)制冷以及冬季制熱及泳池、客房區(qū)域的熱水需求。

由于別墅區(qū)占地面積大，選擇三個點進行鉆孔，進行熱響應(yīng)試驗。表1為測試井和埋管的相關(guān)參數(shù)。

表1 埋管的各項參數(shù)

陳云娜指出當(dāng)隧道埋深超過10m時 ,地層溫度可認為是恒溫的[5]。在進行測試前，先用溫度傳感器插入垂直埋管中，每隔10m測量一次溫度，三個測試井的平均溫度為19.22℃、19.34℃、19.05℃。得到該地區(qū)的原始地溫為19.2℃。根據(jù)地質(zhì)勘查中關(guān)于該地區(qū)土層的分布情況，從相關(guān)資料中可以得到各層土體的導(dǎo)熱系數(shù)，如表2所示。

表2 各層土體的導(dǎo)熱系數(shù)[6]

根據(jù)表2中的各土層的相關(guān)數(shù)據(jù)，將各土層的深度進行加權(quán)平均，以此作為熱響應(yīng)試驗孔的平均導(dǎo)熱系數(shù)λ的參考值。

(1)

其中：λ為各土層的導(dǎo)熱系數(shù)，(W/(m·k))；為各土層的深度；m；L為埋管的總長度。

2.2 試驗理論

采用SDIDR地源熱泵測試儀進行現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗，儀器測試裝置如圖2所示：

圖2 巖土熱物性測試儀結(jié)構(gòu)示意圖

其工作原理為：出水溫度控制器可根據(jù)設(shè)定的溫度調(diào)節(jié)加熱器/壓縮機的工作狀態(tài)，使加熱/冷卻水箱內(nèi)獲得測試所需的水溫。在循環(huán)水泵的驅(qū)動下，加熱/冷水箱內(nèi)的水依次流經(jīng)布設(shè)在地埋管入口端的溫度傳感器、流量計和控制閥后，流入地埋管換熱器，與地下巖土體進行熱交換，再流經(jīng)布置在地埋管出口端的溫度傳感器后流回到加熱/冷水箱。

采用溫度控制器調(diào)節(jié)加熱器(或制冷機組)的工作狀態(tài)，使進入地下垂直埋管的入口水溫保持恒定。通過數(shù)據(jù)采集器獲得流入地下垂直埋管的進水溫度、回水溫度和循環(huán)水流量以后，利用公式2.4可計算測試井的總換熱量。

Q=ρvcp(Tout-Tin)

(2)

式中，Q為測試井的總換熱量，W；v為循環(huán)水流量，m3/s；Tout為流出地下埋管的出口水溫，℃；Tin流入地下埋管的水溫，℃；ρ為水的密度，kg/m3；cp為水的比熱，J/(kg·℃)。

則單位井深換熱量為：

(3)

式中，q為單位井深的換熱量，W/m；H為鉆孔有效深度，m。

圖3 夏季工況垂直埋管進、出水溫度變化圖

2.3 夏季放熱工況換熱量測試

準備工作完成以后，為避免測試儀器運行不穩(wěn)定帶來誤差而采用恒功率的測試方法，設(shè)定電加熱系統(tǒng)功率為7kW，將水箱內(nèi)的溫度加熱到35.0℃。我國國標GB50366—2005[7]中對熱響應(yīng)試驗的測試時間測試不少于48 h，以其中一個測試井為例，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)得到其進出水溫度的變化情況，如圖3所示，在測試的前期，進、出水口的溫度呈逐漸升高的趨勢，換熱量在不停地變化，運行一段時間后溫度趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)的換熱量也恒定，可以利用穩(wěn)定段的進、出口溫度來求換熱量。

通過公式2和公式3計算得到測試井每米換熱量如表3所示。

表3 夏季散熱工況測試井單位井深換熱量

2.4 冬季吸熱工況換熱量測試

在冬季工況下，要將地源熱泵測試儀調(diào)整到制冷條件下，開啟制冷機組，注意測試儀上方的風(fēng)機是否在排熱，將水箱內(nèi)的溫度降低到7℃，然后開始進行測試。如圖4所示，在測試的前期，進、出水口的溫度呈逐漸降低的趨勢，換熱量在不停地變化，運行一段時間后溫度趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)的換熱量也恒定，可以利用穩(wěn)定段的進、出口溫度來求換熱量。

利用公式2和公式3計算得到單位井深換熱量如表4所示.

表4 冬季吸熱工況測試井單位井深換熱量

3 基于comsol的數(shù)值模擬

利用comsol 軟件模擬地埋管與土體之間的傳熱，分析地埋管周圍土體的溫度場的變化。

3.1 幾何模型建立

在comsol軟件中建立二維模型，取深100m,寬80m的土體，土體內(nèi)地埋管長100m，管徑30mm，每隔4米布置一根地埋管，如圖5所示。

圖4 冬季工況地埋管出、回水溫度變化圖

3.2 模型邊界條件和熱物理參數(shù)設(shè)定

地鐵區(qū)間隧道周圍的介質(zhì)是土體， 在模擬的設(shè)置中， 將隧道周圍土體看作是各向同性，土體的導(dǎo)熱系數(shù)取綜合平均值1.95/W/( m·℃)，土體的溫度取原始地溫19℃，地埋管管壁的溫度夏季工況取35℃，冬季工況取7℃。地源熱泵系統(tǒng)的夏季制冷共計90d。冬季工況的取暖時間90d。

圖5 二維模型示意圖

3.3 計算結(jié)果及分析

3.3.1 冬季工況分析

是在冬季工況下，埋管的進水溫度設(shè)定為7℃，圖中給出地源熱泵系統(tǒng)運行30d、60d的地埋管周圍土體溫度變化圖，如圖6、圖7所示，可以看出隨著地源熱泵系統(tǒng)運行時間的增長，地埋管周圍土體的溫度逐漸降低。

3.3.2 夏季工況分析

在夏季工況下，地埋管的進水溫度設(shè)定為35℃，圖中給出地源熱泵系統(tǒng)運行30d、60d的地埋管周圍土體溫度變化圖，如圖8、圖9所示，可以看出隨著地源熱泵系統(tǒng)運行時間的增長，地埋管周圍土體的溫度逐漸上升。

圖6 冬季工況運行30d土體溫度場云圖

圖7 冬季工況運行60d土體溫度場云圖

圖8 夏季工況運行30d土體溫度場云圖

選取圖4中地埋管之間的一個點，記作點a,求該點冬季工況和夏季工況的溫度變化。從圖10中可以直觀的看出,在冬季工況下，地埋管周圍土體的溫度逐漸降低，從運行開始到結(jié)束，溫度從19.2℃降到了7.7℃,降低了11.5℃。在夏季工況下，地埋管間土體的溫度逐漸上升，從運行開始到結(jié)束，溫度從19℃上升到34℃，上升15℃，地埋管周圍土體溫度在夏季工況下上升的溫度值大于冬季工況下溫度的下降值。分析得出這是因為昆山地區(qū)的氣候條件決定冬季的需熱量小于夏季的需冷量，如果長期運行會產(chǎn)生熱堆積現(xiàn)象。然而別墅區(qū)不僅僅在冬季供暖，還需要給生活用水及游泳池加熱，地源熱泵系統(tǒng)在過度季節(jié)同樣需要進行制熱工況，以增加供熱量。

圖9 夏季工況運行60d土體溫度場云圖

圖10 點a溫度隨時間變化圖

4 結(jié) 語

(1)從熱響應(yīng)試驗結(jié)果分析得出，冬季工況下地埋管的換熱量為38.4W/m，夏季工況下地埋管的換熱量為49.8W/m，昆山別墅區(qū)軟土地區(qū)具有較好的換熱能力，為地埋管換熱器的設(shè)計提供了重要的依據(jù)。

(2)通過地埋管周圍土體溫度場數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，地源熱泵系統(tǒng)冬季工況下土體溫度降低值小于夏季工況下土體溫度上升值，因此過度季對別墅區(qū)的生活用水和游泳池進行加熱，以增加供熱量，這樣才能達到熱平衡，避免出現(xiàn)熱堆積現(xiàn)象。

(3)在設(shè)計地埋管熱交換器時，要根據(jù)建筑物總熱負荷，能夠滿足建筑物的冷熱需求，計算出埋管的總長度，由于地源熱泵系統(tǒng)在在運行后期進水溫度和周圍土體溫度差值減小，可能會出現(xiàn)制冷/制熱效果下降的情況，因此采取了加大10%的埋管長度的設(shè)計以增大土壤換熱能力。模型是取埋管間距4m,當(dāng)加大埋管的間距，埋管周圍土體的換熱能力穩(wěn)定性會更好。

[1] 張越,孫潔,孫靜. 河南省淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用[J]. 河南科技,2011,(05):73-74.

[2] 周華慧,王景剛,佘軍. 地源熱泵巖土熱響應(yīng)現(xiàn)場測試及分析[J]. 制冷與空調(diào),2012,02:57-60.

[3] LI X， CHEN Y， CHEN Z， et al. Thermal performances of differenttypes of underground heat exchangers[J]. Energy and Building， 2006，38(5)： 543-547.

[4] GAO J， ZHANG X， LIU J， et al. Thermal performance and groundtemperature of vertical pile-foundation heat exchangers： a case study[J].Applied Thermal Engineering， 2008， 28(17/18)： 2 295-2 304.

[5] 陳云娜， 淺談地鐵環(huán)控通風(fēng)[J] . 地下工程與隧道,1995, (3) : 38 -42.

[6] 章熙民， 傳熱學(xué)[M]， 中國建筑工業(yè)出版社, 2007.

[7] 中國建筑科學(xué)研究院．GB50366-2005 地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S]．2009 年版．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.