地下水對(duì)地埋管換熱器換熱性能的影響分析

于孝民，楊春光，金 路，顧吉浩

（1.河北省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì)，河北 唐山 063000；2.河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

0 引言

近年來(lái)，基于地埋管換熱器的土壤源熱泵技術(shù)在北方地區(qū)得到了較為廣泛的推廣應(yīng)用，成為可再生能源建筑應(yīng)用的主要形式之一[1-2].在地埋管換熱器的實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)碰到地下水流動(dòng)的情況.前人研究表明，地下水流動(dòng)對(duì)地埋管換熱器的傳熱性能有不同程度的影響.例如，Chiasson等[3]對(duì)地下水的長(zhǎng)期影響進(jìn)行了數(shù)值評(píng)價(jià).Lim等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地下水流動(dòng)可能是引起熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果偏大的主要原因.刁乃仁等[5]采用移動(dòng)熱源法初步建立了地下水對(duì)流對(duì)地埋管換熱器影響的理論計(jì)算模型.范蕊等[6]開(kāi)展了地下水流動(dòng)對(duì)地下埋管換熱器影響的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究.顧吉浩等[7]開(kāi)展了地下水滲流對(duì)地埋管換熱器傳熱性能影響的數(shù)值模擬研究，分析了不同無(wú)量綱Peclet數(shù)下流動(dòng)與換熱狀況.就總體研究而言，目前針對(duì)地下水流動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究仍然偏少，這主要與現(xiàn)場(chǎng)情況下水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性有很大關(guān)系.

以唐山市為例，唐山市南部環(huán)南湖區(qū)域（含豐南區(qū)）的淺層土壤地下水賦存比較豐富，而市區(qū)北部（含空港城）和中部含水層厚度較小.根據(jù)前人研究結(jié)果，上述地下水發(fā)育差異對(duì)地埋管換熱器的傳熱性能有不同程度的影響.但截至目前，尚缺乏直接針對(duì)唐山地區(qū)的地埋管換熱特性試驗(yàn)研究.因此，本文在唐山地區(qū)開(kāi)展不同含水層厚度和富水性條件下地埋管換熱特性的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，為當(dāng)前的土壤源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一些有益的實(shí)際數(shù)據(jù)參考.

1 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)

1.1 測(cè)試儀器

本文測(cè)試中，鉆孔平均導(dǎo)熱系數(shù)采用恒熱流法，而地埋管換熱器傳熱特性采用恒溫法.試驗(yàn)系統(tǒng)（圖1）主要由車載試驗(yàn)儀器和地埋管換熱器連接組成閉合循環(huán)回路系統(tǒng)，向周圍土壤進(jìn)行傳熱交換.

為了獲得地埋管換熱器的排熱和取熱性能，分別進(jìn)行了制冷和制熱工況試驗(yàn)，其中冷熱源由一個(gè)小型水-空氣換熱的熱泵機(jī)組提供.地埋管換熱器的平均流量采用高精度電磁流量計(jì)（0.2級(jí)別），量程為1～5m3/h.溫度傳感器采用精度為A級(jí)的Pt1000鉑電阻，量程為0～50℃.整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的最大測(cè)試誤差約為±3.5%，能夠滿足工程測(cè)試的精度要求.關(guān)于測(cè)試儀器的其它詳細(xì)情況見(jiàn)文獻(xiàn)[8]，此處不再贅述.

圖1 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.1 Thephoto of thermal response test in-situ

1.2 測(cè)試鉆孔

選取了唐山市區(qū)由北向南的3個(gè)典型的換熱孔，分別定義為1#、2#、3#鉆孔，其GPS定位坐標(biāo)基本覆蓋了唐山市區(qū)的主要緯度位置.鉆孔有效深度均為100m，鉆孔直徑約為200mm，采用DN32型單U高密度聚乙烯管作為地埋管換熱器.

在鉆孔深度范圍內(nèi)，土壤類型以砂土、粉質(zhì)粘土為主.1#和2#鉆孔采用中粗砂+原漿作為回填材料，其中以粉質(zhì)粘土、細(xì)砂等為主，夾雜礫卵石，3#鉆孔采用細(xì)砂+原漿作為回填材料，回填密實(shí)可靠.為了減小實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差，地埋管換熱器的地面以上部分保留長(zhǎng)度盡量做到最短，并進(jìn)行橡塑保溫處理.測(cè)試工作在鉆井回填完成后一周開(kāi)始進(jìn)行，此時(shí)土壤溫度已經(jīng)基本恢復(fù)至未受擾動(dòng)前的自然初始狀態(tài).

圖2 地下含水?dāng)嗝媾c1#～3#地埋管換熱器的接觸縱深圖Fig.2 The contactdepth 1#～3#between theaquiferand heatexchanger

1.3 地層富水狀況

為定量分析地下水流動(dòng)對(duì)地埋管換熱特性的影響，在鉆孔附近的水文鉆孔井進(jìn)行了抽水試驗(yàn).抽水試驗(yàn)所選取的3口水井均采用相同口徑，相同井管，相同型號(hào)水泵進(jìn)行.圖2給出了含水層與地埋管換熱器接觸縱深圖.結(jié)果表明，3個(gè)鉆孔的涌水量分別為49m3/h、40.9m3/h和60.1m3/h.根據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，1#鉆孔鄰井在71～83m，92～100m兩層含水?dāng)嗝娉鏊枯^大，其他含水?dāng)嗝婧枯^小；2#鉆孔鄰井則整體富水性較差，出水量較1#鉆孔地區(qū)少；3#鉆孔鄰井因毗鄰南湖，地下水賦存豐富，地下水位較淺，涌水量較大.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 初始地溫結(jié)果

就唐山地區(qū)而言，淺層土壤大致可以劃分為3個(gè)區(qū)域：變溫層（深度0～20m）、恒溫層（深度20～50m）和增溫層（深度大于50m）.其中，變溫層由于距地表較淺，受氣象條件（如氣溫、太陽(yáng)輻射等）影響較大；恒溫層溫度幾乎不受氣象條件影響，四季溫度較為穩(wěn)定；增溫層溫度則呈一線性增加趨勢(shì)，斜率大致為2.5～5℃/hm.

在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試儀水箱中的水需要經(jīng)由水泵驅(qū)動(dòng)，通過(guò)軟連接管進(jìn)入地下?lián)Q熱器中，即依次流經(jīng)保溫軟連接管、變溫層、恒溫層、增溫層、恒溫層、變溫層、保溫軟連接管循環(huán)，最終返回水箱，如此往復(fù)循環(huán)，直至供回水溫差小于0.1℃，此時(shí)溫度即可認(rèn)為是鉆孔深度范圍內(nèi)的平均初始地溫.

圖3以1#鉆孔為例，給出了無(wú)功循環(huán)法測(cè)得的土壤平均初始溫度.可以看出，在測(cè)試工況下，經(jīng)過(guò)約24h循環(huán)后，土壤初始溫度穩(wěn)定為16℃.嚴(yán)格而言，此初始地溫應(yīng)理解為土壤沿鉆孔深度方向上各處地溫的積分平均數(shù)值，它會(huì)因晝夜或季節(jié)變化而呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)，因此地表裸露管路的保溫工作顯得尤為重要[9].

圖3 平均初始地溫的測(cè)試結(jié)果Fig.3 The resultof theaverage initialground temperature

2.2 單位井深換熱量分析

圖4 分別給出了3個(gè)鉆孔的夏季排熱和冬季取熱能力的測(cè)試結(jié)果.其中，地埋管換熱器內(nèi)平均流量為1.5m3/h，冬季工況設(shè)定供水溫度7℃，夏季工況設(shè)定供水溫度35℃.可以看出，經(jīng)過(guò)30～40 h換熱之后，地埋管換熱器基本進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定換熱狀態(tài).就總體而言，與1#和2#鉆孔地埋管換熱器相比，3#鉆孔地埋換熱器的冬夏季換熱能力明顯偏高一些.1#和2#鉆孔地埋管換熱器的熱性能基本接近.以夏季工況為例，3#鉆孔換熱量比1#和2#鉆孔分別偏高約34.2%和45.1%，而對(duì)于冬季工況，3#鉆孔換熱量比1#和2#鉆孔分別偏高約22.6%和21.6%.該試驗(yàn)結(jié)果與王華軍等人[10]在保定地區(qū)開(kāi)展的地下水換熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本上是吻合的.

表1進(jìn)一步匯總了3個(gè)典型地埋管換熱器的換熱試驗(yàn)數(shù)據(jù).通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，單位井深換熱量與含水層厚度或涌水量之間存在明顯的依賴關(guān)系.隨著鉆孔涌水量或者地埋管換熱器與地下水接觸長(zhǎng)度的增加，熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)得的鉆孔平均導(dǎo)熱系數(shù)呈增大趨勢(shì)，同時(shí)單位井深換熱量也呈明顯增加趨勢(shì)，這主要由于地下水流動(dòng)沖刷地埋管管壁，從而引起傳熱增強(qiáng)的緣故.具體而言，3#鉆孔的涌水量明顯高于1#和2#鉆孔，故地下水流動(dòng)所帶走的熱量較1#和2#多.在本文試驗(yàn)中，夏季工況下地下水流動(dòng)效應(yīng)表現(xiàn)更為明顯一些，這主要與較高的排熱溫度（35℃）有關(guān).相比之下，在冬季工況下，地埋管內(nèi)流體與土壤換熱溫差較小，所以地下水流動(dòng)強(qiáng)化傳熱效應(yīng)不甚明顯.在工程實(shí)踐中，根據(jù)涌水量與地埋管換熱器換熱特性之間的關(guān)系，可以為評(píng)估鉆孔附近地下水流動(dòng)強(qiáng)度提供一種有益的參考.

表1 1#-3#鉆孔換熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表Tab.1 The data 1-3#ofborehole heat transfer

3 結(jié)論

在唐山市區(qū)由北向南3個(gè)典型區(qū)域開(kāi)展了不同含水層、不同富水性狀況下的地埋管換熱器換熱特性試驗(yàn)研究.通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析，可以獲得以下結(jié)論：地埋管換熱器的換熱量與地下水分布縱深和與地層接觸縱深長(zhǎng)度內(nèi)的整體富水性存在直接的關(guān)系，其中接觸長(zhǎng)度越大、富水性越好，對(duì)地埋管換熱器換熱性能的強(qiáng)化效應(yīng)越明顯.該結(jié)論對(duì)于富水性較強(qiáng)地區(qū)的地埋管換熱器設(shè)計(jì)具有實(shí)際的指導(dǎo)作用.此外，上述強(qiáng)化效應(yīng)對(duì)于判斷鉆孔附近地下水流速也具有一定的參考意義.

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