地下同軸套管式換熱器取熱工況熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)分析

劉婧，高科，孟祥瑞，李冰

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春 130026;2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì)，河南鄭州 450016）

地下同軸套管式換熱器取熱工況熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)分析

劉婧1，高科1，孟祥瑞2，李冰1

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春 130026;2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì)，河南鄭州 450016）

地源熱泵系統(tǒng)憑借其節(jié)能和環(huán)保的特性，一經(jīng)問世就迅速吸引了全世界的目光，成為了一個(gè)非常熱門的研究課題。換熱器的傳熱效率一直是地源熱泵技術(shù)研究的主要問題之一，通過對(duì)比傳統(tǒng)的單U型換熱器，對(duì)新型的同軸套管型換熱器的取熱工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論，說明其具有良好的傳熱效果。

地源熱泵;換熱器;單U型;同軸套管型

0 前言

近年來，全世界都在不遺余力地進(jìn)行能耗低、污染少以及能夠可再生的新能源技術(shù)的研究與應(yīng)用，地源熱泵技術(shù)就是在這種形勢(shì)下逐漸興起的一種利用地表淺層熱能的新技術(shù)，其具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)等效益，可有效地緩解常規(guī)能源枯竭所帶來的壓力和常規(guī)能源的消耗給環(huán)境帶來的污染等問題，具有廣闊的發(fā)展前景。

在地源熱泵系統(tǒng)中，其研究的核心和應(yīng)用的基礎(chǔ)主要是對(duì)地埋管換熱器的選型和設(shè)計(jì)的研究，目前主要的豎直地埋管換熱器的形式大體分為4種:單U型，雙U型，1+2型和套管型，為了保證地埋管換熱器具有更好的傳熱效果，研制出了一種新型的同軸套管地埋管換熱器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理與U型管大體一致:在內(nèi)、外管之間注入循環(huán)液，利用地下巖石的熱傳導(dǎo)將循環(huán)液加溫或冷卻，再將循環(huán)液從內(nèi)管中抽出。

鑒于對(duì)其傳熱性能優(yōu)劣的研究，本文對(duì)比單U型換熱器，對(duì)同軸套管型換熱器的取熱工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，利用Excel對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并用MATLA軟件計(jì)算其導(dǎo)熱系數(shù)，說明了同軸套管型換熱器具有良好的取熱效果，所以在地埋管換熱器的研究中，同軸套管型換熱器仍然是其研究的方向。

圖1 同軸套管型換熱器結(jié)構(gòu)圖

1 測(cè)試原理

本文采用的測(cè)試方法是現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試法，其主要的工作原理是:將鉆孔中的換熱器與測(cè)試儀的管道入口A和出口端B相連，形成一個(gè)閉合的回路，利用水泵驅(qū)動(dòng)管路中的液體循環(huán)，以熱泵和加熱器作為熱源或以熱泵作為冷源對(duì)液體進(jìn)行加熱或制冷，并利用加熱器或電動(dòng)三通分流閥對(duì)輸入或提取的熱量進(jìn)行控制，保證輸入地下或從地下提取的熱量恒定。測(cè)試儀將采集連續(xù)運(yùn)行數(shù)十小時(shí)以上的地埋管換熱器的進(jìn)出口流體溫度、流體流量值、熱泵制熱或制冷量、電加熱器制熱量等數(shù)據(jù)，采用參數(shù)估計(jì)法結(jié)合MATLAB軟件編制程序，可反推地層平均熱傳導(dǎo)系數(shù)和鉆孔熱阻等土壤的熱物性參數(shù)。具體原理圖見圖2。

圖2 地層熱物性原位測(cè)試儀原理及流程圖

2 測(cè)試儀器

測(cè)試儀的各個(gè)設(shè)備和管道安裝在拖車上，車廂的外觀尺寸為3.4 m×1.7 m×1.8 m(長×寬×高），車廂內(nèi)鑲有40 mm厚的苯板，外包0.7 mm厚的彩鋼板。見圖3。

圖3 測(cè)試儀拖車外部結(jié)構(gòu)

該測(cè)試儀主體結(jié)構(gòu)主要組成有:熱泵機(jī)組、循環(huán)水泵、電加熱器、補(bǔ)給水箱、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電磁流量計(jì)及傳感器(溫度傳感器、壓力傳感器）及控制閥等。測(cè)試儀的具體結(jié)構(gòu)布置及流程見圖4。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及控制系統(tǒng)工作過程為:溫度傳感器采集到的信號(hào)(熱阻信號(hào)）后傳遞給信號(hào)變速器，經(jīng)過信號(hào)變速器后，熱阻信號(hào)全部轉(zhuǎn)換為4～20 mA的電信號(hào)，之后信號(hào)變送器將信號(hào)輸送給無紙記錄儀，而壓力變送器和智能電磁流量計(jì)直接將電信號(hào)輸送給無紙記錄儀，無紙記錄儀接收到信號(hào)后一方面輸出數(shù)字信號(hào)，另一方面將信號(hào)輸送給PID控制器，PID控制器將電信號(hào)傳輸給電加熱器的功率調(diào)節(jié)器，功率調(diào)節(jié)器所輸入的電信號(hào)調(diào)節(jié)加熱功率，以保證入井循環(huán)液的溫度恒定。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)地淺層地?zé)峋植技捌渚膮?shù)

試驗(yàn)場(chǎng)地共有5口熱交換井，井間距為6 m。采用了3種類型的地下?lián)Q熱器，，分別是2個(gè)單U型、2個(gè)雙U型和1個(gè)同軸套管式換熱器，具體見圖5，各井具體結(jié)構(gòu)見表1。

3.2 管材性能及回填材料

管材采用的是高密度聚乙烯管(HDPE），導(dǎo)熱系數(shù)為0.42 W/(m·℃），公稱外徑32 mm，公稱壁厚3.0 mm，單重0.28 kg/m，工程壓力1.25 MPa?；靥畈牧鲜褂玫氖且欢ū壤纳白印⑺嗪团驖櫷恋幕旌衔?，具體配合比例見表2所示。

3.3 試驗(yàn)基本過程

本實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)對(duì)象是單U型井(2號(hào)井）與同軸井(5號(hào)井）。

圖4 地層熱物性原位測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖5 地埋管換熱器水平布置圖

表1 地埋管換熱器參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)回填材料配方

由于鉆井時(shí)對(duì)原始地溫產(chǎn)生擾動(dòng)，故需待地溫恢復(fù)接近到原始狀態(tài)時(shí)才能開始測(cè)試試驗(yàn)，這個(gè)期限不應(yīng)少于48 h。在實(shí)驗(yàn)過程中，為了防止管路中的熱量流失，更好地保證恒熱流，需在裸露在空氣中的管路外面纏上保溫材料。測(cè)試儀管道的保溫采用雙層保溫棉隔熱外加具有隔熱作用的鋁箔膠帶纏繞而成，以保證管路熱流損失最小。

3.3.1 原始地溫的確定

將測(cè)試儀與井相連，再檢查電路系統(tǒng)連接無誤后啟動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，開啟水泵，將流量設(shè)定為1 m3/h，對(duì)測(cè)試儀進(jìn)、出井溫度的變化進(jìn)行觀測(cè)，當(dāng)進(jìn)出井溫度變化很小時(shí)，可以把出井溫度近似認(rèn)為是周圍土壤的原始地溫，該試驗(yàn)進(jìn)行5 h。

3.3.2 單U井取熱試驗(yàn)

原始地溫測(cè)試結(jié)束后，開啟熱泵，將熱泵調(diào)至制熱模式，待循環(huán)流體溫差基本穩(wěn)定后打開加熱器及PID控制器，設(shè)定溫差為－1.9℃(視溫差情況而定約比試驗(yàn)溫差小1～1.5℃）進(jìn)行48 h取熱試驗(yàn)。

3.3.3 同軸井取熱試驗(yàn)

原始地溫測(cè)試結(jié)束后，開啟熱泵，將熱泵調(diào)至制熱模式，待循環(huán)流體溫差基本穩(wěn)定后打開加熱器及PID控制器，設(shè)定溫差為－3.8℃(視溫差情況而定）進(jìn)行48 h取熱試驗(yàn)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)完成后，共得到11組數(shù)據(jù)，其中包括6個(gè)溫度數(shù)據(jù)(出井溫度T1，水泵后熱泵機(jī)組前溫度T2，熱泵機(jī)組后加熱器前溫度T3，加熱器后溫度T4，流量計(jì)后溫度T5、T6），1個(gè)溫差數(shù)據(jù)(T5－T1），2個(gè)壓力數(shù)據(jù)(加熱器前后P1、P2），2個(gè)流量數(shù)據(jù)(流量計(jì)1和流量計(jì)2）。測(cè)試地層導(dǎo)熱系數(shù)的主要數(shù)據(jù)有進(jìn)井溫度T5、出井溫度T1和進(jìn)出井溫差，分析時(shí)只對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

分析數(shù)據(jù)所用的軟件主要是Excel:首先將獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格，分別選取進(jìn)井溫度、出井溫度和進(jìn)出井溫差的數(shù)據(jù)畫出圖。然后根據(jù)圖表中曲線的走勢(shì)來判斷設(shè)備的運(yùn)行情況。

在試驗(yàn)過程中，取得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制了溫度、流量、壓力、功率等隨時(shí)間變化的相關(guān)曲線圖，并對(duì)單U和同軸型井進(jìn)行對(duì)比分析。

3.4.1 大地初始溫度的測(cè)定

大地初始溫度是指無干擾地層的溫度，本實(shí)驗(yàn)大地初始溫度的測(cè)定時(shí)間為6 h，當(dāng)水泵循環(huán)一段時(shí)間以后(6 h左右），當(dāng)其進(jìn)、出井的溫度逐漸趨于穩(wěn)定，則把這個(gè)穩(wěn)定的出口溫度視為大地的初始溫度。具體見圖6、圖7。

圖8 單U井取熱工況運(yùn)行時(shí)間－溫度曲線

圖6 單U井初始溫度

圖7 同軸套管井初始溫度測(cè)量

圖9 同軸套管井取熱工況運(yùn)行時(shí)間－溫度曲線

從圖6、圖7可以看出，單U井的初始溫度為9.2℃，同軸套管井的初始溫度為9.4℃，由于2口井的距離為6 m，相隔很近，地層幾乎無變化，所以初始溫度應(yīng)相同。測(cè)試結(jié)果的偏差，可能是因?yàn)闇y(cè)試的先后順序和環(huán)境溫度的變化所致。

3.4.2 溫度曲線

實(shí)驗(yàn)采集了大量的溫度和溫差數(shù)據(jù)，溫度變化是系統(tǒng)運(yùn)行過程中最為重要的參數(shù)，直接影響著土壤耦合熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能。具體見圖8、圖9所示。

本實(shí)驗(yàn)每個(gè)井的取熱工況運(yùn)行了48 h，從圖8、圖9的曲線可以看出，進(jìn)、出井的溫度曲線是逐漸下降的，可以看出熱泵機(jī)組試供暖運(yùn)行，在不斷從地下獲取熱量。

2 個(gè)井的進(jìn)、出井的溫度及溫差走勢(shì)大致一致，開始前6 h為水泵運(yùn)行狀態(tài)下的曲線走勢(shì)，接下來1 h是熱泵剛開啟的運(yùn)行狀態(tài)，其后為開加熱器運(yùn)行狀態(tài)。

對(duì)單U、同軸套管井進(jìn)行對(duì)比分析:從進(jìn)、出井的溫度變化曲線看出，雖然大體走勢(shì)一致，但同軸套管井與單U井相比要陡一些，同軸套管井進(jìn)井最低溫度為－5.3℃，出井最低溫度為－3.6℃，而單U井進(jìn)井最低溫度為－1.8℃，出井最低溫度為－0.2℃左右，所以同軸套管井的取熱最低溫度要比單U要低很多，同樣條件的井中，同軸井的取熱量更多。從溫差變化看出單U井的溫差變化的頻率要比同軸井的要高，可見其穩(wěn)定相對(duì)同軸井更差。

3.4.3 流體平均溫度擬合曲線

在線源模型的基礎(chǔ)上，利用MATLAB軟件，把利用傳熱模型計(jì)算的流體平均溫度與實(shí)際測(cè)得的流體平均溫度進(jìn)行比較，具體如圖10、圖11所示。

從圖10、圖11可以看出，實(shí)際情況基本符合模擬的趨勢(shì)變化(除部分有大的波動(dòng)外），在模型計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用參數(shù)估計(jì)法不斷調(diào)整流體平均溫度與實(shí)際測(cè)量的溫度方差和使其最小，求得地層平均熱物性參數(shù)值(地層的平均導(dǎo)熱系數(shù)和鉆孔熱阻），具體見表3。

從上述結(jié)果可以看出，同軸井的導(dǎo)熱系數(shù)要明顯好于單U井，而且其鉆孔的熱阻值也要小于單U井，所以同軸井的換熱性能要明顯好于單U井，其換熱能力更強(qiáng)。

圖10 單U井進(jìn)出井循環(huán)流體的平均溫度

圖11 同軸井進(jìn)出井循環(huán)流體的平均溫度

表3 地層平均導(dǎo)熱系數(shù)和鉆孔熱阻計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

通過上述對(duì)2種井的溫度、溫差、壓力和流量的曲線分析，可以得出以下結(jié)論。

(1）單U井、同軸井在啟動(dòng)階段進(jìn)出井溫度的變化規(guī)律基本一致，但是同軸套管井取熱工況的進(jìn)出井溫度在同一時(shí)刻要低于單U井的進(jìn)出口溫度，同時(shí)從進(jìn)出井溫差角度衡量可以看出，同軸井的換熱性能要優(yōu)于單U井的換熱性能。

(2）從經(jīng)濟(jì)角度可以看出，由于同軸井的換熱性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單U井，鉆井利用率高于單U井，可以大幅度降低系統(tǒng)成本。

(3）從加工角度，同軸套管換熱器的加工較為復(fù)雜，要求精度較高，單U井的加工技術(shù)已經(jīng)十分成熟，所以在加工方面，同軸套管換熱器還需要更成熟的技術(shù)。

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Experimental Research on Thermal Response of Taking Heat Conditions of Coaxial Casing-shaped Heat Exchang-er

LIU Jing1，GAO Ke1，MENG Xiang-rui2，LI Bing1(1.Construction Engineering College，Jilin University，Changchun Jilin 130026，China;2.No.3 Geological Team，Henan Provincial Non-ferrous Metals Geological and Mineral Resources Bureau，Zhengzhou Henan 450016，China）

Ground-coupled heat pump systems quickly attract attention in the world by the advantages of energy saving and no-pollution to the environment as a hot research topic.The efficiency heat exchanger of the heat transfer is always one of the main problems of the ground source heat pump technology research.Comparing with the traditional single U-shaped，the taking heat conditions of coaxial casing-shaped were also studied，and the experimental study of the collected data were discussed which explained good heat transfer effect.

ground-coupled heat pump;heat exchanger;single U-shaped，coaxial casing-shaped

TU833

:A

:1672－7428(2012）10－0053－05

2012－05－09

國家自然科學(xué)青年基金(51004052）;國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863”項(xiàng)目(2009AA06Z201）;國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(SinoProbe－09－05）

劉婧(1988－），女(漢族），遼寧人，吉林大學(xué)碩士生，地質(zhì)工程專業(yè)，從事巖土鉆鑿技術(shù)研究工作，吉林省長春市西民主大街6號(hào)，825011753@qq.com。