六安市檔案館土壤源熱泵系統巖土熱物性測試

湯同芳， 李順剛

(1.六安職業技術學院，安徽 六安 237158；2.六安市重點工程建設管理局，安徽 六安 237100)

土壤源熱泵技術是一項環保、經濟、綠色、可持續發展的新型空調技術,要使得這項技術在建筑物內得以充分有效的運用,離不開合理的熱泵地下換熱管系統的設計、規范的施工、土壤源熱泵系統正確的使用、及時的維護,更離不開前期準確的巖土熱物性測試。巖土熱物性測試就是經過勘察地質情況,測試并分析地下巖土的導熱系數、傳熱能力、熱擴散特性,掌握地下埋管與周圍土壤之間的換熱、傳熱能力及規律,每延米井的換熱量及冬、夏季換熱參數。巖土熱物性測試有助于地源熱泵系統正確設計,為后面設計地下換熱器系統提供依據。

1 巖土熱物性測試方法

巖土熱物性測試方法有查表法、穩態測試法、探針法、熱響應測試法。熱響應測試法是一中模擬土壤源熱泵系統運行模式,采用實驗井現場測試法測試巖土熱物性參數,即通過向地下輸入恒定的熱量,然后監測土壤的溫度響應以計算土壤熱物性質。使用電加熱器將水加熱后送入地下,在送入的過程中水通過管壁傳輸給土壤溫度,即向土壤放熱,測得水流經U管進出口的溫度變化便是地下土壤的響應。通過分析記錄下來的熱交換器入口和出口的溫度,測試水流量以及電加熱器的加熱功率,可以獲得土壤的熱物性。這是目前土壤源熱泵地下巖土熱物性參數測試優先推薦使用的測試法,它很好的避免了使用上述其他種測試法的誤差來源。

2 六安市檔案館土壤源熱泵地下巖土熱物性測試

2.1 測試方法

本工程具體測試設備是變頻熱泵式巖土熱物性測試儀,運用的是熱響應測試法原理。數據測試范圍為兩口井熱物性參數,測試時間為07-17日開始,為期10天,07-26日結束。測試井為1號井、2號井,井深均100m,井口直徑均為150mm,垂直管全長均為400m。管形式為雙U型并聯,材質為PE管,外徑為25mm,內徑為20.4mm。連接管部分,供回水管段長均為2m,采用30mm厚橡膠保溫材料。利用機械自重下管方法安裝。

2.2 測試步驟

(1)把控制柜和實驗臺通電。確保試驗全過程不斷電,熱響應實驗現場用電負荷約為10kW。

(2)連接。將準備好的絕緣軟管與試驗設備連接起來,將軟管保溫,確保測試精度。

(3)注水。為確保試驗系統運行注水壓力滿足要求,可采用注水管向系統注水。

(4)熱響應實驗。確保試驗系統中的空氣排盡,流速接近恒定,此時可開啟電加熱器或者風冷熱泵。數據采集中確保電源的穩定,保證數據連續被采集。主要采集初始地溫、井直徑、井深度等數據。

(5)埋管數據采集。采用計算機數據采集,記錄進出水溫度、循環水流量、壓力、能量消耗等。主要模擬測試空調在夏季的制冷和冬季制熱運行,得到所測試地埋管換熱器的散熱與取熱情況和能力。

2.3 數據處理

(1)數據處理方法。本工程處理數據使用的是線熱源理論模型,其公式如式(1):

(1)

依據測試數據,采用軟件得到環路平均溫度Tf與時間t之間的曲線如圖1所示。由Tf與之間的曲線圖,得到Tf對ln(t)的曲線圖,再結合公式推演出導熱系數,最后使用軟件計算出單位井深換熱量。

(2)測試相關數據。設置好測試參數后開啟儀器,待流量、壓力穩定后開始采集數據,測試儀每30s自動采集、記錄1次數據,并按要求連續采集。測得100m測試井初始溫度如圖1、圖2所示。

圖1 1號井初始溫度

圖2 2號井初始溫度

對排熱工況測試是在獲得測試井初始溫度后,開啟加熱開關進行恒定加熱流測試程序,測試每30s采集1次數據,并連續測試48h結束。以下是測得100m測試井供水、回水溫度曲線如圖3、圖4所示。

圖3 1號井進回水溫度變化曲線

圖4 2號井進回水溫度變化曲線

2.4 測試結果與建議

1號、2號井,鉆井深度均為100m.下管長度均為400m,換熱井鉆井深度巖土層初始溫度、導熱系數、容積比熱容以及夏季工況如表1 所列。分析表1數據得到：

表1 巖土層初始溫度、導熱系數、容積比熱容、夏季工況

(1)土壤熱物性參數與土壤換熱器的換熱能力。2井測得巖土初始溫度是19.8℃和20.5℃,與當地全年平均溫度持平,地溫適合巖土綜合導熱系數為2.09W/(m·K)和2.42W/(m·K),導熱系數較高,通過測試井孔,地下水活動充足,表明地下有較強的傳熱能力,所以該地質條件選用土壤源熱泵系統較為合適。

(2)建議取值。因實際運行中土壤源熱泵系統的參數是變化的,對比模擬值與實驗值,要使得系統保持穩定運行并結合群井孔影響因素,建議標準工況下,夏季換熱器每延米換熱量取50W/m,冬季換熱器每延米換熱量取40W/m;使用2個并聯U管埋地,設計可使用de25雙U管;地埋管深度100m左右。

3 結束語

土壤源熱泵技術運用于空調系統和熱水供應系統,憑借環保、節能、可持續發展的優勢,已在更多的工程中得到運用。工程項目是否能夠應用土壤源熱泵技術,與項目所在地的地質條件、地下水情況有關,需要進行準確的勘探測試地下巖土熱物性,收集數據,分析處理,綜合考慮并判斷是否適合采用。