地埋管換熱器溫差及運(yùn)行份額對(duì)換熱量的影響實(shí)驗(yàn)研究

李 想, 陳 茂, 李 明, 李孔清

(1.邵陽(yáng)學(xué)院，湖南 邵陽(yáng) 422000；2.湖南凌天科技有限公司，湖南 湘潭 411100)

0 引言

近年來(lái)，隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，能源緊缺問(wèn)題也越來(lái)越被人們重視，綠色可再生能源成為熱門研究課題。淺層地?zé)崮苁且环N清潔低碳、分布廣泛、資源豐富、安全優(yōu)質(zhì)的可再生能源，利用淺層地?zé)崮艿膰?guó)家逐年增加[1]。地源熱泵系統(tǒng)作為一種利用淺層地?zé)崮埽鞠到y(tǒng)從地源吸收熱量向建筑物供暖，夏季系統(tǒng)從室內(nèi)吸收熱量釋放到地源中實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空調(diào)制冷的暖通空調(diào)新技術(shù)，是建筑節(jié)能領(lǐng)域上廣泛采用的高效節(jié)能技術(shù)[2]。地埋管換熱器作為地源熱泵系統(tǒng)利用淺層地?zé)徇_(dá)到節(jié)能效果的關(guān)鍵部件，所以合理設(shè)計(jì)地埋管換熱器成為了地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重中之重。路陽(yáng)，張楠等人[3]利用Fluent軟件模擬并以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)水平地埋進(jìn)行定量分析了間歇次數(shù)和間歇時(shí)間占比對(duì)埋管平均線熱流密度的影響。結(jié)果表明:當(dāng)間歇次數(shù)固定時(shí),一定蓄熱時(shí)間內(nèi)的平均線熱流密度和間歇時(shí)間占比近似成線性關(guān)系。該文章得到的結(jié)果為水平地埋管設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。侯正芳,楊景洋等人[4]自行搭建砂箱試驗(yàn)臺(tái),試驗(yàn)研究了蓄熱取熱耦合(冷熱交替)運(yùn)行模式對(duì)土壤溫度分布和單位井深換熱量的影響,得出土壤溫度隨運(yùn)行時(shí)間呈現(xiàn)出周期性上下波動(dòng)的變化規(guī)律，以及單位井深換熱量的變化規(guī)律。由于沙箱與實(shí)際工程地埋管換熱環(huán)境存在較大的誤差，該研究對(duì)地埋管設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。朱稅平,趙蕾等人[5]建立了包含回水立管在內(nèi)的樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器三維動(dòng)態(tài)傳熱的仿真模型，對(duì)連續(xù)和3種間歇運(yùn)行模式下樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器的運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真,得到了出口水溫和單位管長(zhǎng)放熱量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，定量評(píng)價(jià)了間歇運(yùn)行的溫度恢復(fù)程度。該對(duì)樁基地埋管出口水溫和單位管長(zhǎng)放熱量的變化規(guī)律進(jìn)行研究，以及運(yùn)行份額的影響程度，為樁基型地埋管設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。董艷芳，王 磊[6]等人利用DEST軟件模擬了地埋管連續(xù)與間歇運(yùn)行工況流體和鉆孔壁溫度變化，得出間歇運(yùn)行更有利于土壤溫度的恢復(fù)，更能提高土壤熱的利用率。上文未對(duì)豎直地埋管換熱量的影響規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)分析。本文通過(guò)巖土熱響應(yīng)測(cè)試分析了地埋管換熱器進(jìn)水溫度與巖土初始溫度之間的溫差增大，地埋管換熱量隨運(yùn)行份額變化的規(guī)律；分析了運(yùn)行份額與地埋管換熱器換熱量之間的關(guān)系。對(duì)于地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

1 工程案例分析

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

本文以長(zhǎng)沙地區(qū)某產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目4口測(cè)試井為例，測(cè)試井編號(hào)為1#、2#、3#、4#均采用雙U25 PE100換熱管，使用原漿加細(xì)沙人工回填，為了保證回填效果，使用了多次回填等綜合措施。流量傳感器采用等級(jí)為0.5%的高精度電磁流量傳感器自動(dòng)記錄。同時(shí)，在系統(tǒng)中增加了一個(gè)機(jī)械水表，測(cè)試人員每隔兩個(gè)小時(shí)記錄一次水表流量。通過(guò)人工記錄的流量數(shù)據(jù)和自動(dòng)記錄的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確保自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)是采用16通道的無(wú)紙記錄儀來(lái)進(jìn)行溫度和流量數(shù)據(jù)的采集，軟件系統(tǒng)采用美國(guó)國(guó)家儀表局(NI)研發(fā)的Labview軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄和保存，每隔10 s掃描一次所有傳感器并保存數(shù)據(jù)。為了準(zhǔn)確測(cè)量土壤初始溫度，將高精度的溫度傳感器直接埋在孔內(nèi)不同深度，將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)屏蔽電纜傳送到存儲(chǔ)設(shè)備處理后記錄儲(chǔ)存。

1.2 地源熱泵地埋管測(cè)試井情況

現(xiàn)場(chǎng)鉆孔及地質(zhì)情況如圖1所示：

1#測(cè)試孔深105 m，0～18 m是土層；18～25 m是灰?guī)r層；25～55 m是夾雜石膏層的中風(fēng)化紅砂巖層；55～60 m是灰?guī)r層；60～105 m是夾雜灰?guī)r的紅砂巖層。

2#測(cè)試孔深105 m，0～18 m是土層；18～20 m是灰?guī)r層；20～30 m是夾雜石膏層的中風(fēng)化紅砂巖層；30～55 m是灰?guī)r層；55～105 m是夾雜灰?guī)r的紅砂巖層。

3#測(cè)試孔深105 m，0～18 m是土層；18～24 m是灰?guī)r層；24～56 m是夾雜石膏層的中風(fēng)化紅砂巖層；56～61 m是灰?guī)r層；61～105 m是夾雜灰?guī)r的紅砂巖層。

4#測(cè)試孔深105 m，0～18 m是土層；18～23 m是灰?guī)r層；23～54 m是夾雜石膏層的中風(fēng)化紅砂巖層；54～88 m是灰?guī)r層；88～105 m是夾雜灰?guī)r的紅砂巖層。

圖1 鉆孔及地質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖

2 模擬計(jì)算方法

利用TRNSYS程序?qū)y(cè)試井所測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得到測(cè)試井鉆孔熱阻和土壤導(dǎo)熱系數(shù)。TRNSYS程序輸入：鉆孔尺寸、實(shí)測(cè)地埋管進(jìn)出水溫度、管內(nèi)水流量、原始地溫、土壤體積比熱容以及所需計(jì)算的鉆孔熱阻和土壤導(dǎo)熱系數(shù)的估值。其中土壤體積比熱容由所測(cè)巖土報(bào)告所提供巖土層類型查《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》得到。根據(jù)所輸入的參數(shù)，對(duì)比計(jì)算所得地埋管出水和實(shí)測(cè)出水溫度，兩者趨于一致時(shí)則認(rèn)為鉆孔熱阻和土壤導(dǎo)熱系數(shù)估算合理，繼而得出結(jié)果，根據(jù)所得結(jié)果可計(jì)算出地埋管的單位延米換熱量。計(jì)算過(guò)程是一個(gè)最優(yōu)化過(guò)程，最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

(1)

式中，Tcal,i為計(jì)算地埋管出水溫度，℃；Ttest,i為實(shí)測(cè)地埋管出水溫度，℃。

最優(yōu)化計(jì)算過(guò)程采用TRNSYS中的最優(yōu)化模塊TRNOPT進(jìn)行，利用該模塊調(diào)用美國(guó)伯克利勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室出品的最優(yōu)化軟件GENOPT完成最優(yōu)化計(jì)算。

圖2 TRNSYS求解模型示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用TRNSYS軟件計(jì)算所得土壤參數(shù)如表1：

表1 巖土參數(shù)表

測(cè)試井之間的換熱環(huán)境：土壤初始溫度、土壤導(dǎo)熱系數(shù)、測(cè)試流量、土壤體積熱容均十分接近。利用TRNSYS對(duì)地埋管換熱量進(jìn)行模擬分析。在進(jìn)行地埋管單位延米換熱量模擬時(shí)，模擬地埋管在固定進(jìn)水溫度下運(yùn)行15 d，模擬的時(shí)間步長(zhǎng)取1 h，在制冷工況下地埋管進(jìn)水溫度為36、33和30 ℃，制熱工況下地埋管進(jìn)水溫度為5、7和10 ℃。單位延米換熱量取運(yùn)行周期內(nèi)逐時(shí)單位延米換熱量的平均值(取絕對(duì)值)。運(yùn)行份額的含義為：當(dāng)運(yùn)行份額為0.25時(shí)，則系統(tǒng)每天每天運(yùn)行6 h，運(yùn)行份額為0.33時(shí)，系統(tǒng)每天運(yùn)行8 h，之后依次類推。根據(jù)單位延米換熱量的分析結(jié)果，分別對(duì)溫差變化以及運(yùn)行份額的變化進(jìn)行對(duì)比分析，所得測(cè)試井在制冷及制熱工況下模擬不同進(jìn)水溫度下單位延米換熱量隨運(yùn)行份額變化趨勢(shì)如圖3所示：

圖3 單位延米換熱量隨運(yùn)行份額變化趨勢(shì)圖

4 結(jié)果分析

從測(cè)試井巖土熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果可看出，隨運(yùn)行份額的增加，由于鉆孔周圍冷(熱)堆積導(dǎo)致巖土溫度波動(dòng)較大恢復(fù)不及時(shí)，從而地埋管內(nèi)流體與周圍巖土之間溫差降低，導(dǎo)致地埋管換熱性能降低，地?zé)崮艿睦寐室搽S之降低，所以地埋管的單位延米換熱量隨之減小；地埋管進(jìn)水溫度與原始地溫之間溫差增大時(shí)，地埋管單位延米換熱量增大，但是隨運(yùn)行份額的增加單位延米換熱量的增加量會(huì)隨之減小。從測(cè)試井單位延米換熱量計(jì)算結(jié)果表中列舉出的計(jì)算結(jié)果可看出，本文中所述換熱條件下地埋管運(yùn)行份額為0.33時(shí)，溫差每上升1 ℃單位延米換熱量增加約4.5 W/m，地埋管運(yùn)行份額為1時(shí)，溫差每上升1 ℃單位延米換熱量增加量約為3.3 W/m，增加量降低了26%左右。通過(guò)模擬不同運(yùn)行份額在相同換熱條件下所得單位延米換熱量的結(jié)果表明：?jiǎn)挝谎用讚Q熱量隨運(yùn)行份額的增加而減小，而且進(jìn)水溫度不同時(shí)其變化率均接近，以圖中3種不同進(jìn)水溫度為例，運(yùn)行份額為1時(shí)的結(jié)果與運(yùn)行份額為0.33時(shí)的結(jié)果相比，地埋管單位延米換熱量也降低了26%左右。

5 結(jié)論

通過(guò)本文所述巖土熱響應(yīng)測(cè)試工程，對(duì)施工工藝，換熱條件接近的4口測(cè)試井進(jìn)行巖土熱響應(yīng)測(cè)試，結(jié)果表明：

(1)地埋管單位延米換熱量隨進(jìn)水溫度與土壤初始溫度的溫差增加而增大，溫差每增大1 ℃單位延米換熱量增加量隨運(yùn)行份額變化，進(jìn)行地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮其影響。

(2)地埋管單位延米換熱量隨運(yùn)行份額的增加而降低，間歇運(yùn)行有利于地?zé)崮艿挠行Ю?，運(yùn)行份額為1時(shí)單位延米換熱量約為運(yùn)行份額為0.33時(shí)單位延米換熱量的74%左右，進(jìn)行地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮運(yùn)行份額，合理設(shè)計(jì)埋管。

(3)由于地埋管傳熱復(fù)雜，受施工工藝及換熱環(huán)境影響較大，巖土熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果為特定條件下所得，其變化規(guī)律僅供設(shè)計(jì)參考。