防護(hù)工程垂直U形地埋管換熱性能的實(shí)驗(yàn)研究

(陸軍工程大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院 南京 210007)

地源熱泵系統(tǒng)作為環(huán)保高效的節(jié)能技術(shù)在商業(yè)和居民建筑節(jié)能領(lǐng)域中均得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。其中，垂直U形地埋管占地面積小、適用性強(qiáng)、換熱效率高，其換熱性能成為暖通空調(diào)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[3-4]，在民用建筑中的研究與應(yīng)用也日趨成熟。在理論模擬方面，劉永等[5-8]建立了U形地埋管的三維數(shù)值傳熱模型，對(duì)地埋管的換熱性能及影響因素進(jìn)行了研究，為地埋管換熱器傳熱特性的研究提供理論基礎(chǔ)。董艷芳等[9-11]利用軟件模擬了不同運(yùn)行模式下U形地埋管的傳熱特性，得到各運(yùn)行模式下?lián)Q熱器的換熱規(guī)律，結(jié)果表明：連續(xù)運(yùn)行工況下，邊緣位置的鉆孔及較大的滲流速度能夠增強(qiáng)換熱；間歇運(yùn)行模式下，土壤溫度能在系統(tǒng)間歇期內(nèi)得到一定程度的恢復(fù)，有利于提高地?zé)崮芾眯?。在?shí)驗(yàn)方面，周志華等[12-17]結(jié)合實(shí)際工程或?qū)嶒?yàn)對(duì)U形地埋管周?chē)寥罍囟葓?chǎng)進(jìn)行了檢測(cè)，對(duì)比分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)土壤溫度場(chǎng)具有延遲性，且探討了U形地埋管的換熱性能與改善措施。蔡穎玲等[18-20]測(cè)試了熱泵機(jī)組在不同工況下運(yùn)行時(shí)U形地埋管換熱器的換熱情況，認(rèn)為采用間歇運(yùn)行的方式，能顯著提高埋管換熱器換熱性能，進(jìn)而提高熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率，利于系統(tǒng)的多年穩(wěn)定運(yùn)行。

地埋管換熱器逐漸應(yīng)用到防護(hù)工程中，研究者基于工程的負(fù)荷特點(diǎn)和時(shí)間特性及山區(qū)巖土體特性，研究了豎直埋管換熱器在工程中的適用性及應(yīng)用形式[21-23]，但是將地埋管技術(shù)成功融入到防護(hù)工程中仍需進(jìn)一步研究。在遭遇突襲時(shí)，防護(hù)工程內(nèi)部作戰(zhàn)系統(tǒng)立即運(yùn)行，大量設(shè)備同時(shí)開(kāi)啟、大量人員進(jìn)入產(chǎn)生大量余熱。這與民用建筑中一年的冷熱負(fù)荷分布情況不同，防護(hù)工程對(duì)地埋管系統(tǒng)的熱處理能力要求更高。工程在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部余熱量相對(duì)減小，需要考慮土壤的蓄熱性能和地埋管系統(tǒng)的使用時(shí)間。因此，為探討防護(hù)工程中U形地埋管的傳熱性能，本文利用南京某地下工程地源熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)該處地下土壤原始溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)；采用恒熱流水箱模擬工程此時(shí)的余熱，在連續(xù)與間歇運(yùn)行兩種模式下，對(duì)比了埋管的出水溫度和鉆孔內(nèi)的土壤溫度，分析兩種運(yùn)行模式下的換熱量變化，提出地埋管在工程應(yīng)對(duì)突襲時(shí)的運(yùn)行建議。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)及實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)工程特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)分為3個(gè)系統(tǒng)：室外地下埋管換熱系統(tǒng)、流體循環(huán)系統(tǒng)和室內(nèi)數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 地源熱泵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 The diagram of test system

針對(duì)防護(hù)工程使用階段余熱量較大的情況，利用恒熱流加熱水箱中安裝的4 kW電加熱器，用于模擬工程內(nèi)部余熱；同時(shí)采用時(shí)間控制器調(diào)節(jié)加熱器的啟停、設(shè)置不同的日運(yùn)行時(shí)間，用于地埋管系統(tǒng)在連續(xù)和間歇兩種運(yùn)行模式下的實(shí)驗(yàn)。選用LD系列電磁流量計(jì)測(cè)量循環(huán)流體的流量，流量值可現(xiàn)場(chǎng)讀入，同時(shí)也可記錄到自控臺(tái)中存儲(chǔ)。測(cè)量范圍為0.05～5 m3/h，精度為0.5級(jí)，額定工作壓力4.0 MPa。

實(shí)驗(yàn)采用U形垂直地埋管，管外徑32 mm，內(nèi)徑26 mm；埋管埋于山區(qū)，周?chē)寥澜Y(jié)構(gòu)包括：地下1～5 m為干飽和土壤，5～20 m為濕粉砂土，20～50 m為飽和含水層，50 m以下為含裂隙水的巖土層。在鉆孔進(jìn)、出水口處各布置2個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，用來(lái)測(cè)量U形管進(jìn)、出水口溫度；為研究土壤不同埋深下的熱恢復(fù)能力，沿鉆孔的軸向方向布置3處測(cè)點(diǎn)，共6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，分布如圖2所示。

圖2 單個(gè)鉆孔內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)分布Fig.2 The placement of the temperature sensors

對(duì)U形地埋管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分為4個(gè)部分：1)10月16日 00∶00～10月20日 00∶00進(jìn)行原始地溫測(cè)試；2)10月20日12∶00～10月21日 12∶00連續(xù)運(yùn)行24 h； 3)10月21日 12∶00～10月23日 12∶00期間停機(jī)，讓地溫自然恢復(fù)；4)10月23日12∶00～10月25日 00∶00間歇運(yùn)行實(shí)驗(yàn)?？捎蓪?shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象求得鉆孔的瞬時(shí)換熱量，具體數(shù)據(jù)處理如下：

Q=ρcpL(tin-tout)

(1)

式中：Q為埋管換熱器瞬時(shí)換熱量，W；ρ為循環(huán)水流體的密度,kg/m3;cp為循環(huán)水流體比熱容，kJ/(kg·℃)；L為地埋管內(nèi)流體流量，m3/h；tin，tout分別為埋管進(jìn)、出口流體平均溫度，℃。

地埋管的單位孔深的換熱量：

(2)

式中:ql為單位孔深換熱量，W/m；l為埋管深度，m。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土壤原始溫度測(cè)試

圖3所示為地下初始溫度在10月16日 00∶00～10月20日 00∶00隨時(shí)間的變化。地面以下0.5 m處溫度變化受當(dāng)天氣溫的影響，可看作是周期性的溫度波動(dòng)，在每天14∶00溫度波達(dá)到峰值，在6∶00降到谷值，溫度變化范圍為17～19.5 ℃。由于地層的蓄熱作用，溫度波向地下深處傳遞時(shí)，波幅隨深度衰減，深層地下土壤的原始溫度波幅為0，其溫度值恒定，地下25 m處土壤溫度為16.7 ℃，55 m深處為17.5 ℃，95 m深處為18.4 ℃。

圖3 地下初始溫度隨時(shí)間的變化Fig.3 The initial temperature of underground changes with time

開(kāi)啟循環(huán)水泵，待埋管進(jìn)、出口水溫恒定且二者差值趨于0時(shí)得到的溫度數(shù)據(jù)即為地溫的平均值[24]。如圖4所示，埋管進(jìn)、出口的水溫逐漸上升，在65 min之后，進(jìn)出口溫差小于0.3 ℃，且進(jìn)、出口溫度趨于穩(wěn)定，可得到平均地溫為17.4 ℃。

圖4 平均地溫Fig.4 The mean underground temperature

2.2 日運(yùn)行24 h連續(xù)實(shí)驗(yàn)

10月20日12∶00～10月21日12∶00為24 h連續(xù)運(yùn)行工況，進(jìn)、出口水溫變化如圖5所示。

圖5 連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)進(jìn)出口水溫隨時(shí)間的變化Fig.5 The inlet and outlet temperatures change with time in continuous operation

由圖5可知，在水箱的連續(xù)加熱作用下，進(jìn)口水溫明顯上升，最后逐漸趨于穩(wěn)定，其值為32.5 ℃；出口水溫在10月20日12∶00～18∶00內(nèi)明顯上升，由初始的18 ℃上升到24.8 ℃，隨著時(shí)間的推移，上升幅度逐漸變得平緩，最后時(shí)刻出口水溫度為28.8 ℃；進(jìn)、出口溫差隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小。這是由于系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)埋管周?chē)寥罍囟葹槌跏紲囟?，U形管內(nèi)循環(huán)水與土壤的換熱效果明顯，出口水溫較低，隨著放熱的進(jìn)行，埋管周?chē)寥罍囟炔粩嗌?，埋管換熱效果隨之降低，出口水溫隨運(yùn)行時(shí)間的推移而升高，并且由于10月20日12∶00～10月21日00∶00內(nèi)埋管周?chē)寥罒崃縼?lái)不及擴(kuò)散，導(dǎo)致出口水溫上升幅度較大。

2.3 日運(yùn)行12 h間歇實(shí)驗(yàn)

間歇運(yùn)行傳熱實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)階段：連續(xù)運(yùn)行12 h后，停機(jī)12 h用作地溫自然恢復(fù)，再運(yùn)行12 h。進(jìn)、出口水溫如圖6所示。

圖6 間歇運(yùn)行實(shí)驗(yàn)進(jìn)出口水溫隨時(shí)間的變化Fig.6 The inlet and outlet temperatures change with the in intermittent operation

圖6中前12 h(10月23日12∶00～10月24日00∶00)為加熱階段，然后停機(jī)12 h(10月24日00∶00～10月24日12∶00)，后12 h(10月24日12∶00～10月25日00∶00)為第二次加熱階段。運(yùn)行3 h后，進(jìn)、出口水溫趨于平穩(wěn)，且兩條曲線(xiàn)基本平行，進(jìn)、出口水溫差無(wú)明顯變化；第一次加熱階段平均進(jìn)口水溫為27.5 ℃，出口水溫為23 ℃，第二次加熱階段平均進(jìn)口水溫為27.3 ℃，出口水溫為22.7 ℃，這是由于在運(yùn)行期的12 h內(nèi)埋管與土壤的換熱能力保持在較高水平，出口水溫沒(méi)有明顯升高，而機(jī)組停機(jī)12 h使前一階段土壤中堆積的熱量及時(shí)擴(kuò)散，有利于地下土壤溫度的恢復(fù)，因此在第二次加熱期內(nèi)，進(jìn)、出口水溫差仍保持在同一水平。

2.4 連續(xù)/間歇運(yùn)行模式下單位孔深換熱量

在連續(xù)、間歇運(yùn)行兩種模式下地埋管的單位孔深換熱量ql隨時(shí)間的變化如圖7所示。

圖7 不同運(yùn)行模式下的單位孔深換熱量對(duì)比Fig.7 The heat exchange of each borehole under different modes

觀察連續(xù)運(yùn)行工況下單位孔深換熱量ql隨時(shí)間的變化，0～4 h內(nèi)ql快速上升，在4 h達(dá)到最大值75 W/m，這是由于系統(tǒng)運(yùn)行初期，地下土壤處于初始溫度，隨著水箱的連續(xù)加熱，埋管進(jìn)口水溫逐漸升高，循環(huán)流體與土壤間的換熱強(qiáng)度持續(xù)升高；在4～9 hql曲線(xiàn)快速下降，9 h時(shí)ql為33 W/m，9～14 h下降幅度變緩，在14 hql達(dá)到最小值21 W/m，這是因?yàn)殡S著放熱的進(jìn)行，埋管周?chē)寥罒崃坎粩喽逊e，換熱效果開(kāi)始降低，并且4～9 h內(nèi)下降幅度較大，9～14 h換熱趨向于平衡，ql下降幅度變緩；14～24 h內(nèi)換熱基本平衡，其值為21 W/m。最終，連續(xù)運(yùn)行工況下ql基本保持在21 W/m。

由間歇運(yùn)行工況下ql隨時(shí)間的變化可知，在第一個(gè)運(yùn)行階段0～12 h內(nèi)，ql由最大值73 W/m下降為22 W/m，下降幅度由快變慢；第二個(gè)運(yùn)行階段在24 h時(shí)埋管ql再次達(dá)到最大值73 W/m，隨后ql開(kāi)始下降，最后時(shí)刻ql為26 W/m。間歇工況兩個(gè)運(yùn)行階段的ql變化基本相同。最終，間歇運(yùn)行工況下ql為27.6 W/m。

對(duì)比兩種運(yùn)行方式，間歇工況在第一次運(yùn)行的時(shí)間段內(nèi)埋管ql曲線(xiàn)變化趨勢(shì)與連續(xù)運(yùn)行工況基本一致，而第二次運(yùn)行階段中ql曲線(xiàn)明顯高于連續(xù)運(yùn)行工況在12～24 h內(nèi)的ql曲線(xiàn)。分別求兩種運(yùn)行模式下24 h內(nèi)ql的平均值，得到連續(xù)運(yùn)行模式平均ql為22.3 W/m，間歇運(yùn)行模式平均ql為27.6 W/m，與連續(xù)運(yùn)行模式相比提高了23.7 %。

2.5 地下土壤溫度變化

由溫度測(cè)點(diǎn)得到10月19日00∶00～10月25日12∶00時(shí)間內(nèi)鉆孔內(nèi)土壤溫度變化如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)期間地下土壤溫度的變化Fig.8 The variation of underground temperature

在10月20日12∶00～10月21日12∶00連續(xù)加熱運(yùn)行期間，地下土壤溫度明顯上升，25 m深處溫度由16.7 ℃升高到20.9 ℃，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，上升速率逐漸變小；55 m深處溫度由17.5 ℃升高到19.2 ℃；95 m深處土壤溫度由18.4 ℃升高到19 ℃，埋管中流體溫度順著埋深方向逐漸降低，因此溫度上升幅度隨土壤深度的增加而減小。

10月21日12∶00水箱停止加熱，土壤進(jìn)入恢復(fù)期，25 m深處土壤溫度在21日12∶00～22日00∶00迅速下降，之后趨于平緩，22日21∶00土壤溫度為16.9 ℃，比原始溫度升高了1.19%；55 m深處土壤溫度恢復(fù)為17.7 ℃，比原始溫度升高了1.14%；95 m深處土壤溫度恢復(fù)為18.5 ℃，比原始溫度升高了0.54%。不同深度土壤的溫度在自然恢復(fù)48 h后與初始值相比有小幅度的升高，95 m深處地溫變化幅度最小，25 m、55 m深處與原始溫度相差小于5%，可認(rèn)為地溫已恢復(fù)平衡。

在10月23日12∶00～10月25日00∶00間歇運(yùn)行期間，兩次加熱運(yùn)行階段中25 m深處土壤溫度在12 h內(nèi)均上升到20.6 ℃，在10月24日00∶00～12∶00停機(jī)間歇期溫度恢復(fù)到17 ℃，與原始溫度相差1.79%；55 m深處土壤溫度在加熱運(yùn)行階段上升至19 ℃，在中間停機(jī)期恢復(fù)到17.8 ℃，與原始溫度相差1.71%；95 m深處土壤溫度在加熱運(yùn)行階段上升至18.9 ℃，在中間停機(jī)期恢復(fù)到18.55 ℃，與原始溫度相差0.81%，可認(rèn)為土壤溫度經(jīng)過(guò)12 h恢復(fù)到原始溫度，為下一個(gè)階段的運(yùn)行提供了較好的換熱條件。

對(duì)比兩種工況的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，間歇12 h運(yùn)行時(shí)，鉆孔初始時(shí)的局部換熱量與24 h連續(xù)運(yùn)行時(shí)相差較大，但總的相等時(shí)間內(nèi)鉆孔的平均換熱量要大于連續(xù)運(yùn)行。同時(shí)因?yàn)樵?0月24日00∶00～12∶00停機(jī)期內(nèi)，埋管周?chē)寥罍囟鹊玫接行Щ謴?fù)，熱量堆積現(xiàn)象減緩，所以間歇運(yùn)行工況溫升幅度小于連續(xù)運(yùn)行工況，說(shuō)明間歇運(yùn)行能有效減緩?fù)寥罍厣?/p>

防護(hù)工程在遭遇突襲時(shí)，要求地埋管系統(tǒng)能夠迅速處理工程內(nèi)部短期產(chǎn)生的大量余熱，因此建議防護(hù)工程此時(shí)采用連續(xù)運(yùn)行模式；但在進(jìn)入使用期后，由于防護(hù)工程的余熱量相對(duì)降低，且工程根據(jù)使用級(jí)別的不同其運(yùn)行時(shí)間也有差別，等級(jí)較高的工程甚至要求保障時(shí)間達(dá)到數(shù)月以上，故建議工程此時(shí)采用間歇運(yùn)行模式，合理調(diào)控機(jī)組啟停時(shí)間以延長(zhǎng)地埋管系統(tǒng)的余熱處理時(shí)間。

為了描述防護(hù)工程地埋管熱泵系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)突襲時(shí)的保障水平，擬將連續(xù)運(yùn)行模式下埋管與周?chē)寥罁Q熱過(guò)程趨于穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間稱(chēng)為熱穩(wěn)定時(shí)間，確定公式為：

(qj+1-qj)/qj

(3)

式中：j為地埋管系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，h；f為閾值，根據(jù)不同等級(jí)工程取值不同，文中工程取5%。

熱穩(wěn)定時(shí)間反映了防護(hù)工程地埋管系統(tǒng)應(yīng)對(duì)短期大量余熱的有效處理能力，建議將熱穩(wěn)定時(shí)間及該時(shí)間內(nèi)的埋管換熱量作為工程地埋管系統(tǒng)應(yīng)突處理能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。如圖7所示，第14 h和15 h時(shí)的埋管ql變化與第14 h的ql的比為2.4%，開(kāi)始小于5%，認(rèn)為該時(shí)刻埋管與土壤的換熱達(dá)到穩(wěn)定。經(jīng)計(jì)算，該防護(hù)工程本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的熱穩(wěn)定時(shí)間為14 h，14 h內(nèi)換熱量為1 310.4 kJ/m。

3 結(jié)論

基于南京某地下工程地源熱泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)垂直U形地埋管的換熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為地埋管換熱器在防護(hù)工程中的應(yīng)用、在類(lèi)似山地土壤結(jié)構(gòu)中的運(yùn)行提供借鑒，結(jié)論如下：

1)連續(xù)運(yùn)行工況會(huì)使地埋管與土壤間的換熱效果減弱，使機(jī)組處于低效狀態(tài)。間歇運(yùn)行工況的停機(jī)時(shí)間使前一階段循環(huán)水向土壤排放的熱量及時(shí)擴(kuò)散，彌補(bǔ)了土壤熱擴(kuò)散能力的不足。當(dāng)日運(yùn)行時(shí)間由連續(xù)運(yùn)行24 h轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)行12 h、間歇停機(jī)12 h后，鉆孔的平均ql由22.3 W/m升高至27.6 W/m，提高了23.7 %。

2)分析測(cè)試期間地下恒溫層土壤的溫度變化，在換熱期間土壤有明顯的升溫現(xiàn)象，間歇運(yùn)行模式下該現(xiàn)象得到有效減緩，因此工程長(zhǎng)期使用時(shí)應(yīng)采用間歇運(yùn)行模式，合理調(diào)控埋管換熱器日運(yùn)行時(shí)間，有利于避免熱量聚集，可使換熱能力保持在較高水平。

3)由于間歇運(yùn)行時(shí)鉆孔初始時(shí)局部ql與連續(xù)運(yùn)行時(shí)相差較大，但總的相等時(shí)間內(nèi)鉆孔的平均ql要大于連續(xù)運(yùn)行。建議防護(hù)工程在應(yīng)對(duì)突襲時(shí)采用連續(xù)運(yùn)行模式，并將熱穩(wěn)定時(shí)間和該時(shí)間內(nèi)的ql作為工程地埋管系統(tǒng)應(yīng)突處理能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，該工程本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的熱穩(wěn)定時(shí)間為14 h及14 h內(nèi)換熱量為1 310.4 kJ/m。

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