地源熱泵地埋管換熱器換熱性能試驗研究

沈德安

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

地源熱泵地埋管換熱器換熱性能試驗研究

沈德安

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

影響地源熱泵系統(tǒng)效果的關(guān)鍵因素是室外地埋管換熱器的設(shè)置情況，影響地埋管換熱器換熱性能的主要因素是巖土的綜合導(dǎo)熱系數(shù)、綜合比熱容以及鉆孔的總熱阻等熱物性參數(shù)。各工程所在地地質(zhì)條件差異很大，如何得到地埋管換熱器換熱性能參數(shù)是地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計必須解決的問題。本文基于線熱源模型得出換熱器內(nèi)流體平均溫度與時間的對數(shù)關(guān)系曲線，通過測試地埋管換熱器進出口水溫，進而推算出巖土的綜合導(dǎo)熱系數(shù)及熱阻，大大簡化了計算過程。此外，通過對地埋管測試井長期連續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)對于冬夏季冷熱負荷不平衡的系統(tǒng)，室外地埋管換熱區(qū)巖土溫度呈下降趨勢，設(shè)計時應(yīng)考慮解決措施。

地源熱泵 地埋管換熱器 換熱特性 線熱源

地源熱泵技術(shù)是利用電能等高位能源從地表淺層提取地?zé)豳Y源的一種新能源運用技術(shù)，地埋管地源熱泵系統(tǒng)由換熱器、熱泵主機和末端用戶三部分組成，其中影響系統(tǒng)的關(guān)鍵因素是地埋管換熱器的設(shè)計與施工［1］。目前，工程上普遍采用的方法是通過冷熱響應(yīng)模擬地源熱泵系統(tǒng)實際運行工況，在施工安裝前進行現(xiàn)場測試［2-3］。對地源熱泵U型管地下?lián)Q熱器運行工況的模擬，當(dāng)前國內(nèi)外工程中使用較多的是線熱源模型和柱熱源模型［4-5］。影響地埋管換熱器性能的直接因素是巖土的綜合導(dǎo)熱系數(shù)、綜合比熱容和鉆孔總熱阻等熱物性參數(shù)。

近年來，很多地源熱泵工程實際應(yīng)用中出現(xiàn)了問題，主要是由于地埋管換熱器的選型設(shè)計或施工不當(dāng)，導(dǎo)致實際運行效果不好，亦或是工程造價過高等，這主要是因為各地巖土的熱物性差異很大［6］。據(jù)文獻［7］，地下巖土導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生10%的偏差便會造成設(shè)計的地下埋管長度產(chǎn)生4.5% ～5.8%的偏差，最終導(dǎo)致鉆孔和地埋管長度發(fā)生偏差，影響工程的運行效果和工程造價。在工程測試中，為推算出巖土的熱物性參數(shù)，首先應(yīng)建立合理的地埋管換熱器的傳熱計算模型。現(xiàn)在有關(guān)換熱器的計算模型有很多文獻，目前已經(jīng)提出并公開發(fā)表的已經(jīng)有30余種模型［8-10］。研究表明［11］，在換熱初期階段，柱熱源和線熱源模型的計算結(jié)果會有顯著差別，但隨著換熱時間的延長，兩種模型計算結(jié)果的相對誤差會逐步縮小，而且時間越長誤差越小，因此在工程研究中完全可以采用線熱源模型進行分析計算，而應(yīng)用圓柱面模型會使計算變得復(fù)雜許多。本文結(jié)合具體的太陽能耦合地源熱泵系統(tǒng)工程來研究地源熱泵地埋管換熱器換熱性能。

1 工程概況

工程位于山西省五寨縣三岔站站區(qū)，項目于2008年8月開展設(shè)計，2010年7月投入運行，至今系統(tǒng)運行狀況良好。整個太陽能耦合地源熱泵系統(tǒng)為站區(qū)綜合樓提供空調(diào)、采暖及生活熱水供應(yīng)，綜合樓冬季采暖設(shè)計熱負荷為1 420 kW，夏季空調(diào)設(shè)計冷負荷為1 016 kW，生活熱水最大耗熱量157 kW。機房內(nèi)設(shè)置2臺螺桿式地源熱泵機組，壓縮機為半封閉式雙螺桿壓縮機，采用4段容量調(diào)節(jié)方式，即100% ～75% ～50%～25%，其中25%為起動過程。通過人性化的液晶PLC中文界面操作微電腦控制器，能隨時監(jiān)控機組運行狀態(tài);空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備為風(fēng)機盤管。室外共設(shè)地埋管換熱井536口，井深100 m，其中有494口雙 U型地埋管換熱器井和42口單U型地埋管換熱器井。通過水平集水管和分支管，將4個并聯(lián)環(huán)路連接成一個完整的換熱系統(tǒng)。當(dāng)?shù)夭膳谧援?dāng)年10月底至次年的4月初，約5個月。空調(diào)期自6月至8月，約3個月。

2 地埋管換熱器傳熱線熱源模型

建立線熱源模型，首先應(yīng)作以下假設(shè):

1)將鉆孔內(nèi)當(dāng)作一個整體，將地埋管換熱器當(dāng)作一個當(dāng)量直徑的線熱源;

2)地埋管換熱器按照輻射狀向周圍巖土傳熱;

3)將管子周圍的巖土和回填材料看成是無限大的實體。

基于以上假設(shè)，換熱井周圍的傳熱實際上可以簡化為一維軸對稱問題。由于鉆孔半徑較小，該模型的數(shù)學(xué)表達式可以簡化為［12］

式中:T=T(r，t)，是t時刻r處的巖土溫度，℃;λZ為巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);ρs為巖土密度，kg/m3;Cs為巖土的比熱容，kJ/(kg·k);T0為未受擾動時的巖土原始溫度，℃;rb為鉆孔半徑，m;ql為每延米長線熱源的熱流強度，W/m。

根據(jù)上述線熱源模型，可以得出其理論解析解，流體的平均溫度Tf(t)為

根據(jù)地埋管換熱器的線熱源模型理論，換熱量恒定時，系統(tǒng)循環(huán)流體的平均溫度與時間存在對數(shù)關(guān)系，即

巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)λZ和鉆孔內(nèi)的總熱阻R0的計算公式如下

式中，k為擬合曲線的斜率值。

3 試驗測試

試驗測試過程中，在地埋管換熱區(qū)中間和邊緣共選取2口有代表性的換熱井進行溫度的測量，溫度傳感器分別安裝在距地面5，35，65和95 m的位置。溫度測點布置如圖1所示。

圖1 換熱井內(nèi)溫度測點分布(單位:m)

測試結(jié)果表明，原始無熱源干擾時循環(huán)溫度在10.5℃左右波動，巖土初始溫度可視為10.5℃。試驗測試參數(shù)如表1所示。

表1 試驗測試參數(shù)

4 地埋管換熱器性能分析

4.1 巖土熱物性分析

圖2是2011年8月地埋管換熱區(qū)巖土溫度變化曲線。可以看出，淺層巖土溫度波動十分明顯，地下5 m處的巖土溫度波動較大，隨著巖土深度增加，溫度波動越來越小。這是因為淺層巖土受地面和氣候環(huán)境的影響比較大，而深層的巖土受到的影響較小。此外巖土溫度的分布呈現(xiàn)一定的梯度，隨著深度的增加有一定的溫升，但從地下5 m到95 m之間，巖土溫度升高在1℃以內(nèi)，這說明地埋管區(qū)溫度的分布還是比較均勻的，設(shè)計中可以把它看成一個較為均勻的溫度場。

圖2 8月巖土溫度變化曲線

圖3 測試井中7月底至次年2月初巖土溫度變化曲線

圖3是從2011年7月底至2012年2月初的兩個測試井內(nèi)巖土溫度變化曲線。由圖可以看出，巖土溫度剛開始緩慢上升，這是因為當(dāng)?shù)叵募究照{(diào)期比較短，而且夏季空調(diào)冷負荷也比較小。從10月底開始供暖后，巖土溫度出現(xiàn)持續(xù)下降，這是因為本項目處于寒冷地區(qū)，冬季供暖期較長，熱負荷較大。2012年2月初的巖土溫度與巖土初始溫度(10.5℃)相比下降了將近3℃，因此本項目所研究的地源熱泵系統(tǒng)在冬夏季運行過程中，其吸排熱量未能夠達到平衡。

圖4所示為地源熱泵系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行情況下，根據(jù)實測數(shù)據(jù)所擬合的地埋管進出水平均溫度與運行時間關(guān)系曲線。

圖4 地埋管進出水平均溫度與運行時間關(guān)系曲線

由圖4可知，擬合曲線斜率 k等于1.538 3，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，ql為15.3 W/m，故由式(4)可計算出 λZ等于0.792 W/(m·℃)。本工程當(dāng)?shù)赝临|(zhì)以砂土為主，查有關(guān)資料得巖土密度ρs=1 374 kg/m3，巖土的比熱容Cs=1.51 kJ/(kg·k)［13］，由式(5)計算可得 R0=0.314 m·k/W。

4.2 地埋管換熱器換熱特性分析

1)夏季工況

圖5所示為2011年7月26日、8月9日和8月17日這三天中某一時段地埋管換熱器的進出水溫度及換熱量變化曲線。由圖5可以看到，在不同的進水溫度、相近的換熱時間內(nèi)，換熱器的出水溫度比較接近。在8月17日，進水溫度有上升趨勢，但經(jīng)過一段時間后，出水溫度最終接近7月26日的溫度值。這是因為在該系統(tǒng)中，夏季地埋管換熱器的釋熱能力充分，巖土的換熱能力充足，完全滿足夏季制冷需求。夏季地埋管換熱器平均換熱性能測試結(jié)果如表2所示。

圖5 夏季地埋管換熱器進出水溫度及換熱量變化曲線

表2 夏季地埋管換熱器的換熱性能測試結(jié)果

2)冬季工況

圖6所示為系統(tǒng)在冬季供暖過程中，地埋管換熱器進出水溫度的變化曲線。可以看出，在系統(tǒng)剛啟動階段，地埋管換熱器進出水溫度比較穩(wěn)定，隨著換熱持續(xù)，換熱器進出水溫度先呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，但隨著換熱過程的延長，換熱器又逐漸進入平穩(wěn)換熱狀態(tài)。

圖6 地埋管換熱器進出水溫度曲線

圖7和圖8分別為2011年1月14日、1月25日和2月10日某一時段地埋管換熱器進出口水溫、每延米井深的換熱量變化曲線。

圖7 冬季地埋管換熱器進出水溫度變化曲線

圖8 冬季換熱器每延米井深換熱量變化曲線

從圖7中可以看出，每天的進出水溫度基本穩(wěn)定，但系統(tǒng)持續(xù)運行一段時間后，地埋管換熱器出水溫度有所下降。從圖8可以看出，1月14日每延米井深換熱量約為11 W/m，到1月25日后略有下降，到2月10日每延米井深換熱量僅約為10 W/m。這說明該系統(tǒng)在冬季連續(xù)運行后，地埋管換熱器的換熱能力有所減弱，但并未出現(xiàn)明顯的惡化。這主要是因為長期的取熱過程中，地埋管換熱區(qū)的巖土溫度沒有及時恢復(fù)，故地埋管換熱器的換熱能力有所下降。根據(jù)現(xiàn)場測試來看，該供暖季巖土溫度下降對系統(tǒng)沒有造成明顯的影響，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行。須說明的是，地源熱泵系統(tǒng)是否能常年維持穩(wěn)定高效運行，取決于非采暖季節(jié)是否有足夠的熱量補償至室外地埋管區(qū)域。根據(jù)前面關(guān)于巖土溫度變化的分析，可以看出系統(tǒng)常年運行后會出現(xiàn)換熱量減小、效率降低的趨勢。本工程設(shè)計中預(yù)留有太陽能跨季節(jié)蓄熱措施，可以解決此問題。冬季地埋管換熱器平均換熱性能測試結(jié)果如表3所示。

表3 冬季地埋管換熱器換熱性能測試結(jié)果

5 結(jié)論

1)在實際工程測試中，基于線熱源模型研究地源熱泵室外地埋管換熱器換熱性能及巖土熱物性的方法切實可行，根據(jù)線熱源模型理論解析解，可以計算出巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)λZ和鉆孔內(nèi)的總熱阻R0等熱物性參數(shù)。

2)對于寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)，冬夏季冷熱負荷嚴(yán)重不平衡的地源熱泵系統(tǒng)，根據(jù)一個空調(diào)季和一個采暖季對地埋管區(qū)巖土溫度監(jiān)測結(jié)果顯示，埋管區(qū)巖土溫度會呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢。這會影響地埋管換熱器換熱量大小以及地源熱泵系統(tǒng)性能，需要采取措施防止系統(tǒng)運行性能惡化。

3)淺層巖土溫度波動較大，深層巖土溫度波動較小，且隨著巖土深度的增加巖土溫度有所升高，但從地下5 m到95 m，巖土溫度升高在1℃以內(nèi)。在地源熱泵工程設(shè)計中，可以將地埋管換熱區(qū)視為一個均勻溫度場進行設(shè)計分析。

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Experimental study on heat transfer performance of ground source heat pump buried tube heat exchanger

SHEN De'an

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

The key of the ground source heat pump system is the design of the ground heat exchanger．Some soil thermal properties including soil heat conductivity，specific heat capacity and entire thermal resistance of the well drilling affect heat transfer characteristics of ground heat exchanger significantly．However，geological conditions are different in different area，resulting in the difficulty in acquiring ground heat exchanger heat transfer capacity in every project designing．In this paper，the log curve of the relationship between average temperature and time was obtained based on the line heat resource theory．According to the test of the inlet and outlet water temperature，the soil heat conductivity and thermal resistance were calculated，leading to a simpler calculation．Additionally，it was revealed that when summer cooling load and winter heating load was unbalanced in cold area，the temperature dropped in buried pipes outdoors，requiring solutions at the design stage．

Ground source heat pump;Ground heat exchanger;Heat transfer characteristics;Linear heat resource

TK523

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．10．28

1003-1995(2014)10-0111-05

2014-06-20;

2014-07-25

沈德安(1981— )，男，云南騰沖人，工程師，碩士。

(責(zé)任審編 李付軍)