垂直地埋管現場熱響應試驗研究

姚文江,杜建國,徐雪球

(江蘇省地質調查研究院,江蘇南京 210018)

地源熱泵技術是一種利用淺層大地能量向建筑物供冷供熱的系統,是一項值得大面積推廣的建筑供能技術.為了合理利用和開發淺層地溫能,需要對項目建設地的地下土壤熱物性、換熱孔地下單位換熱量、熱影響半徑等參數進行現場測試,為工程設計提供技術參數.

沙家浜溫度假中心位于常熟市沙家浜風景區旁,占地212畝,總投資約12億元.

1 測試目的及意義

通過垂直地埋管現場熱響應試驗獲得埋地換熱器與周圍土壤間的換熱規律、每延米井深的換熱量、地下巖土的熱物性參數以及周圍土壤溫度的變化情況等,為設計地源換熱系統以及整個熱泵系統提供依據.

2 測試原理及裝置

(1)測試原理

地埋管換熱器的熱響應特性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:基于線熱源理論的線模型;基于圓柱熱源理論的柱模型.本試驗采用了線熱源數學模型.

根據線熱源理論,流入與流出地埋管的水溫平值的計算式為:

式中:Tf--埋管內流體平均溫度(入口與出口的平均值)(℃);

Qheat=加熱功率,( w);

λ--土壤的平均熱導率(w/(m?℃) );

a--熱擴散率(m2/s);

t--測試時間(S);

r--半徑(m);

y--歐拉常數;

Rb--鉆孔熱阻(m?℃/w);

T0-巖土遠處未受擾動的溫度(℃).

計算式(1)可寫為線性形式:

C-土壤比熱容;

Qb-地埋管中心溫度(℃);

Q0-地層初始溫度(℃).

由(1)～(6)式可以計算得出地層的換熱量、土壤的平均熱導率λ和熱擴散率a.

(2)測試裝置

本次試驗采取恒溫測試方法,試驗裝置主要由控制主機和測量系統兩部分組成(圖1),圖2給出了主機部分的結構原理圖與測試現場圖,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,其中溫度通過Pt1000型鉑電阻測量,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.

圖1 埋地換熱器試驗系統原理

在試驗過程中,先后測定埋地換熱器的取熱能力和排熱能力,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0.85～0.90范圍,否則表明測試結果嚴重偏離線性關系,則需通過方差分析確定補做試驗工況,以保證測試數據的可靠性.

圖2 埋地換熱器測試現場圖

3 測試步驟

(1)打井

本次測試鉆鑿2眼測試孔,兩井相距80m,為進一步了解該區域內鉆孔的難易、費用和換熱效率等情況,根據建設單位要求和現場的實際情況,選擇具有地質代表性和實際操作性強的地點進行換熱測試孔的鉆鑿.

根據本地區地層結構,為了提高鉆孔效率和減少鉆孔成本,鉆孔深度為120m.鉆進設備采用SP-150型水文鉆機、泥漿正循環、回轉鉆進方法.

(2)下管及回填

換熱器管材采用φ32mm、壁厚3mm, PE100SDR11聚乙烯管.其底部的雙U型彎頭與豎直管采用電熔連接.為避免豎直兩管接觸造成短路,兩管之間每隔3.5m安裝管道固定卡一個,以保證兩管間距固定.下管前沖水打壓至1.6MP,下管是利用配重重力自然下入,當下管困難時,用鉆桿下頂輔助下管,下管完畢后填入回填料密實孔隙,為了提高填料的密實程度,要嚴格控制填料的速度,沿孔壁四周均勻慢速填料,減少因填料過快而造成填料在孔內搭橋的機會,本次回填料為細砂.回填完畢后再次打壓至0.4MP.測試工作在鉆孔回填完成48h后進行,此時土壤溫度已經基本恢復至未受擾動前的自然初始狀態.

(3)地質概況

結合區域地質資料和鉆探情況,本區第四系埋藏深度在200m以上,以粘土、粉砂及細砂為主,含水性高,地下水位一般在地表下1～4m.

4 換熱試驗

4.1 現場測試

連接管路,對1#、2#試驗孔進行測試,測試時間1#測試孔從1月3號～1月9號,共計7天;2#測試孔從1月9號～1月15號,共計7天.

4.2 試驗孔土壤平均初始溫度

通常而言,根據溫度變化差異,淺層土壤基本可以劃分為3個區域:變溫層、恒溫層和增溫層.在熱響應測試中,當不開啟加熱或制冷裝置,而僅僅依靠循環泵來維持地埋管換熱器環路循環時,經過一定時間后,地埋管換熱器的進出口水溫將逐漸趨于相等或保持一個很小的允許溫差(通常為0.1℃).此狀態下的進出口平均水溫通常被認為"土壤初始溫度".圖3、圖4給出了土壤平均初始溫度的測試結果.可以看出,在測試條件下,經過系統循環后,1#、2#孔土壤的初始溫度穩定后分別為18.3℃和17.9℃.

需特別說明的是,上述"土壤初始溫度"實際上是土壤沿鉆孔深度方向上各處地溫的積分平均數值.考慮到變溫層土壤溫度存在周期性變化,所以地下熱響應測試中的土壤初始溫度也會存在季節變化效應,這在設計地源熱泵系統時需要加以考慮.一般而言,冬季結果偏小一些,而夏季結果偏大一些,本試驗時間范圍內的測量結果屬于冬季工況范疇.

圖3 1#孔土壤平均初始溫度測試結果

圖4 2#孔土壤平均初始溫度測試結果

4.3 換熱試驗過程

1#測試孔現場熱響應試驗自2010年1月3日開始,至2010年1月9日結束,首先用測試儀器對換熱孔土壤原始溫度進行測試.2009年1月3日至2010年1月5日進行現場熱響應試驗,分別進行恒溫法的10℃和5℃取熱工況,恒溫法的壓縮機功率為6kW.在取熱試驗結束后,恢復到原地溫再進行排熱試驗.2009年1月6日至2010年1月9日分別進行恒溫法的25℃和30℃排熱工況,恒溫法的加熱功率為12kW.經監理及相關技術人員現場抽測,所取得的數據合理、完整,符合試驗要求(見圖5～8).

圖5 1#孔10℃取熱測試結果

圖6 1#孔5℃取熱測試結果

圖7 1#孔25℃排熱測試結果

圖8 1#孔30℃排熱測試結果

(2)2#測試孔

2#測試孔現場熱響應試驗自2010年1月9日開始,至2010年1月15日結束,1月9日用測試儀器對換熱孔土壤原始溫度進行測試.2009年1月10日至2010年1月11日進行現場熱響應試驗,分別進行恒溫法的10℃和5℃取熱工況,恒溫法的壓縮機功率為6kW.在排熱試驗結束后,恢復到原地溫再進行取熱試驗.2009年1月13日至2010年1月14日分別進行恒溫法的25℃和30℃排熱工況,恒溫法的加熱功率為12kW.取得數據齊全、經監理及相關技術人員現場抽測,數據合理、完整,符合試驗要求(見圖9～12).

圖9 2#孔10℃取熱測試結果

圖10 2#孔5℃取熱測試結果

圖11 2#孔25℃排熱測試結果

圖12 2#孔30℃排熱測試結果

5 數據處理

5.1 鉆孔換熱量計算

(1)1#孔數據處理結果

恒溫法在5℃取熱量:

G=1.1001m3/h,△t=4.14℃

Q=1.1001X4.14/0.86=5.296kW

在溫差為4.14℃,流量為1.1001m3/h時每延米取熱量為44.13W.

恒溫法在30℃排熱量:

綜上所述，0.50 mg/L舒芬太尼復合0.10%的羅哌卡因的硬膜外麻醉方案在為無痛分娩產婦提供較好鎮痛效果的同時，可縮短第一產程時間，值得在臨床中推廣應用。

G=1.1342m3/h,△t=4.04℃

Q=1.1342X4.04/0.86=5.328kW

在溫差為4.04℃,流量為1.1342m3/h時每延米排熱量為44.40W.

根據換熱試驗所得的每延米排熱量和每延米取熱量實際資料,編制雙U型管換熱量與流體溫度曲線關系圖(見圖13).

圖13 1#孔流體溫度與單位換熱量關系圖

(2)2#孔數據處理結果

恒溫法在5℃取熱量:

G=1.114m3/h,△t=4.13℃

Q=1.114X4.13/0.86=5.35kW

在溫差為4.13℃,流量為1.114m3/h時每延米取熱量為45.58W.

恒溫法在30℃排熱量:

G=1.1135m3/h,△t=4.41℃

Q=1.1135X4.41/0.86= 5.710kW

在溫差為4.41℃,流量為1.1135m3/h時每延米排熱量為47.58W.

根據換熱試驗所得的每延米排熱量和每延米取熱量實際資料,編制雙U型管換熱量與流體溫度曲線關系圖(見圖14).

圖14 2#孔流體溫度與單位換熱量關系圖

5.2 熱物性參數計算

由圖14、圖15及該曲線斜率,可以計算得到土壤的平均熱導率λ.再根據當地資料估計土壤的體積比熱容c,計算得到熱擴散率a.

1#孔和2#孔換熱量滿足以下方程:

1#孔和2#孔附近土壤的熱導率分別為1.76W/ (mK)和1.78W/(mK).

1#孔和2#孔附近土壤的熱擴散系數分別為0.8036X10-6m3/s;和0.8127X10-6m3/s;

6 溫度場模擬

由公式(6)經反復迭代計算出,1#換熱試驗影響半徑為1.90m～2.83m,2#孔換熱試驗影響半徑為1.94m～2.90m.

根據試驗數據,分別模擬夏季制冷工況和冬季制熱工況下的溫度場(見圖15～圖18).

圖15 1#孔夏季工況120m深處距井中心0.1～5m溫度模擬時間的變化

圖16 1#孔冬季工況120m深處距井中心0.1～5m溫度模擬時間的變化

圖17 2#孔夏季工況120m深處距井中心0.1～5m溫度模擬時間的變化

圖18 2#孔冬季工況120m深處距井中心0.1～5m溫度模擬時間的變化

7 結論及建議

(1)1#孔地層初始溫度為18.3℃.

在熱泵進水溫度29℃,出水溫度24.96℃,溫差4.04℃,流量為1.1342m3/h的排熱工況下,制冷期的排熱量為44.3892W/m;在熱泵進水溫度為6.93℃,出水溫度11.07℃,溫差4.14℃,流量為1.1001m3/h的取熱工況下,取暖期的取熱量為44.0825W/m.

地層的熱導率約為1.76W/m.℃,熱擴散率約為0.8036X10-6m2/s,模擬試驗溫度影響半徑為1.90m～2.83m.

(2)2#孔地層初始溫度為17.9℃.

在熱泵進水溫度28.82℃,出水溫度24.41℃,溫差4.41℃,流量為1.1135m3/h的排熱工況下,制冷期的排熱量為47.5867W/m;在熱泵進水溫度為6.65℃,出水溫度10.78℃,溫差4.13℃,流量為1.114m3/h的取熱工況下,取暖期的取熱量為44.6283W/m.

地層的熱導率約為1.78W/m.℃,熱擴散率約為0.8127X10-6m2/s,模擬試驗溫度影響半徑為1.94～2.9m.

綜合考慮熱響應試驗結果及地質條件,建議夏季制冷工況可選擇熱泵進水溫度32℃,流量1.1m3/h,預計每延米排熱量為65W/m;冬季采暖工況,選擇熱泵進水溫度7℃,流量1.1m3/h,預計每延米取熱量為50W/m;

本次試驗區域的土壤熱傳導能力較強,適合建設地埋管方式的地源熱泵系統.但由于土壤初始溫度較高,有利于土壤取熱,不利于排熱,所以在設計地源熱泵系統時需注意地下排取熱平衡問題.建議設計人員根據項目建筑冷熱負荷本身的不平衡程度,同時考慮地下地埋管換熱器管群的密集程度,來確定地埋管換熱器管群換熱能力的長期衰減系數,以保證整個地源熱泵系統的長期穩定性與節能性.

最后衷心感謝天津市地熱勘察開發設計院,對本次試驗的技術支持.

[1]張燕立,張新發,由世俊.土壤源熱泵空調工程的設計與施工[J].制冷與空調, 2006, 6.

[2]蘇登超,陳明九.地源熱泵空調技術的地域性特征[J].工程建設與設計,2007,1.

[3]何耀東,何青.兩種快速發展的地源熱泵技術經濟性對比分析及節能技術[J].建筑節能,2007,3.

[4] GB50366-2005,地源熱泵系統工程技術規范[S].

[5]淺層地熱能勘查評價技術規范(征求意見第二稿)[S].