不同深度的地埋換熱孔換熱功率分析

陳海波,高亮,李向寶,陳治法

(1.天津地熱勘查開發設計院,天津300250;2.北京市地質工程公司,北京100039)

1 簡介

地源熱泵現場熱響應試驗是利用地埋管換熱系統采用人工冷(熱)源向巖土體連續加熱(制冷)并記錄傳熱介質的溫度變化和循環量來測定巖土體的熱傳導熱性能的試驗。埋地換熱器的地下換熱特性實驗是開發利用淺層地熱能資源的一個首要技術程序。開展地下換熱特性實驗的重要目的在于通過現場鉆孔實驗,掌握淺層土壤在外界熱激勵作用下的動態響應過程,從而獲得土壤初始溫度、熱物性參數以及地下換熱規律,為進一步的地源熱泵系統優化設計與節能運行提供必要的數據依據。

通過建立天津淺層地熱能監測中心獲取動態數據,進行淺層地熱能資源開發利用地質環境影響分析及熱泵系統節能評價,為地源熱泵系統科學、合理、正常的運行提供基礎數據,建立起天津市淺層地熱能資源開發利用地質環境影響預警系統,實現本市淺層地熱能資源的科學管理和可持續開發利用。

2 現場熱響應實驗原理

2.1 測試儀器

現場熱響應試驗與測試就是熱響應測試儀器對一定深度測試孔進行不同熱負荷排熱和取熱試驗。試驗平臺主要包括恒熱流加熱器、流量傳感器、溫度傳感器、循環水泵、換熱器以及數據采集系統等組成。實驗儀器主要由控制主機和測量系統兩部分組成。圖1是主機部分的結構原理圖,其中加熱功能主要依靠盤管加熱器,冷卻功能由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器組成的封閉制冷循環來完成。測量參數主要包括進出口溫度以及流量等,本次試驗采用 HQ-L1恒溫法巖土熱響應測試儀。其中,溫度測量精度為0.1℃,流量通過電磁式流量計測量,流量啟動值為0.0073m3/h,分辨率為0.001m3/h,精度1%,累計熱量分辨率0.001mJ。恒熱流測試儀:流量在0.5～2m3/h范圍內,精度0.1級,即1%,溫度探頭精度為A級,即0.05級,0.5%,考慮儀表誤差,熱量值計算誤差可控制在1%以內,分辨率為0.001m3/h。滿足規范要求的流量測量誤差不應大于±1%及溫度測量誤差不應大于±0.2℃。

圖1 現場熱響應試驗測試原理圖

2.2 試驗原理

現場熱響應試驗過程為:首先,將測試儀的水路循環部分與待測換熱器相連接,形成一個閉式環路;然后,通過啟動管道循環水泵,以驅動環路流體開始循環。待系統進出口溫差為零時,開始啟動電加熱器來加熱環路中的流體。隨著換熱器進口水溫的不斷升高,其熱量通過管壁與土壤之間的傳熱過程逐漸釋放到地下土壤中,同時使土壤溫度也逐漸升高,最終管內流體溫度和土壤溫度維持在一種動態的熱平衡狀態。然后,增大加熱功率,系統將重復上述傳熱過程,直至達到新的平衡狀態。在整個流體加熱循環過程中,通過計算機采集系統記錄進/出溫度、流量和加熱功率等參數,與此同時地下溫度的變化情況也會自動記錄下來。

通過現場熱響應試驗模擬冬、夏季熱泵實際運行工況,測量進/出儀器的流量、進/出溫度和時間,依據不同負荷測試,最終求得:換熱孔的熱導率、每延米吸熱量和排熱量(W/m)。

現場熱響應試驗在理論上可以歸結為在一定熱流邊界條件下的非穩態傳熱問題。其數學解析主要有兩種模型:1)基于線熱源理論的線模型;2)基于圓柱熱源理論的柱模型。本次調查中現場熱響應試驗采用了柱熱源數學模型。

對于地下換熱量 q(W/m)而言,它是根據流量和進出口溫差獲得的,即

式中:m為質量流量,cp為定壓比熱容,H為換熱器的有效深度,tj和tc分別為進口/出口水溫(℃)。

對于鉆孔內穩態傳熱過程,滿足

式中:tf為流體平均溫度,且 tf=(tj+tc)/2,tb為鉆孔壁溫度,Rb為鉆孔總熱阻,其計算可參見有關文獻。

在鉆孔傳熱分析中,G函數定義如下:

式中:to為平均土壤初始溫度。

綜合(1)～(3)式可以看出,通過圓柱熱源模型解決鉆孔與土壤傳熱問題的一個重要手段是求解G函數,從而獲得地下換熱量和土壤的熱導率。

2.3 測試程序

(1)在測試埋管安裝完48h后進行現場熱響應試驗的無負荷循環測試,獲取地層初始平均溫度。溫度穩定后(變化幅度小于0.5℃),觀測時間不少于24h。

(2)在獲取初始平均溫度后,開始對回路中的傳熱介質加冷或熱負荷。測試過程中冷或熱負荷和流量基本保持恒定(波動范圍在±5%以內),逐時記錄回路中傳熱介質的流量和進出口溫度。

(3)現場熱響應試驗時,恒熱流排熱試驗:地埋管進口溫度分別為20℃和35℃兩種工況的排熱試驗,每個工況溫度恒定后,觀測時間不少于24h。

(4)每次加冷或熱負荷停止后,繼續觀測回路的進出口溫度,直到地層初始溫度為止。

(5)現場熱響應試驗時,進行氣溫觀測。

2.4 測試結果分析

在現場熱響應試驗過程中,先后測定換熱器的取熱和排熱能力,并且通過地下換熱量隨流體平均溫度的線性變化的擬合方程來確定測試數據的有效性。一般要求回歸系數 R2大于0.85,如測試結果嚴重偏離線性關系,則需通過方差分析確定補做實驗工況,以保證測試數據的可靠性。

3 試驗場測試結果

為分析在相同地質條件下不同埋管類型、埋管深度對地埋管換熱系統換熱量的影響,本次工作建設地埋管現場熱響應試驗場。試驗場共施工60m單 U、雙 U,80m 單 U、雙 U,100m 單 U、雙 U,120m單U、雙U,150m單U、雙U 10個現場熱響應換熱試驗孔(見圖2),采用相同技術要求和施工工藝,獲得試驗數據見表1及圖3和圖4。

圖2 調查區試驗場內現場熱響應試驗點位置

從表1測試數據和圖3、圖4看出,單U埋管與雙U埋管的排熱量、取熱量相差很大;同樣深度排熱量差值0.54～21.44 W/m;同樣深度取熱量差值3.61～12.61W/m。換熱孔深度為100m取熱量差值最大,換熱孔深為120m,取熱量差值次之;同樣深度的雙U埋管的取熱量比單U埋管取熱量高9.91～37.75﹪,同樣深度的雙U埋管的排熱量比單U埋管排熱量高0.9～35.6﹪,而120m雙U埋管試驗得出的熱導率為最大。綜上所述換熱孔無論是單U埋管,還是雙U埋管,排熱量還是取熱量,適宜深度為100～120m。

表1 試驗場現場熱響應試驗結果表

圖3 排熱量隨埋管深度關系曲線圖

圖4 取熱量隨埋管深度關系曲線圖

[1] 朱家玲,等.地熱能開發與應用技術[M].北京:化學工業出版社,2006.

[2] 天津市地質礦產局.天津市地質環境圖集[M].北京:地質出版社,2000.

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[4] 王曉偉,蘇登超.地源熱泵系統施工技術概述[J].工程建設與設計,2000(4).

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