地埋管換熱器溫差及運行份額對換熱量的影響實驗研究

李 想, 陳 茂, 李 明, 李孔清

(1.邵陽學院，湖南 邵陽 422000；2.湖南凌天科技有限公司，湖南 湘潭 411100)

0 引言

近年來，隨著工業技術的飛速發展，能源緊缺問題也越來越被人們重視，綠色可再生能源成為熱門研究課題。淺層地熱能是一種清潔低碳、分布廣泛、資源豐富、安全優質的可再生能源，利用淺層地熱能的國家逐年增加[1]。地源熱泵系統作為一種利用淺層地熱能，冬季系統從地源吸收熱量向建筑物供暖，夏季系統從室內吸收熱量釋放到地源中實現室內空調制冷的暖通空調新技術，是建筑節能領域上廣泛采用的高效節能技術[2]。地埋管換熱器作為地源熱泵系統利用淺層地熱達到節能效果的關鍵部件，所以合理設計地埋管換熱器成為了地源熱泵系統設計的重中之重。路陽，張楠等人[3]利用Fluent軟件模擬并以實驗驗證，對水平地埋進行定量分析了間歇次數和間歇時間占比對埋管平均線熱流密度的影響。結果表明:當間歇次數固定時,一定蓄熱時間內的平均線熱流密度和間歇時間占比近似成線性關系。該文章得到的結果為水平地埋管設計提供了參考依據。侯正芳,楊景洋等人[4]自行搭建砂箱試驗臺,試驗研究了蓄熱取熱耦合(冷熱交替)運行模式對土壤溫度分布和單位井深換熱量的影響,得出土壤溫度隨運行時間呈現出周期性上下波動的變化規律，以及單位井深換熱量的變化規律。由于沙箱與實際工程地埋管換熱環境存在較大的誤差，該研究對地埋管設計有一定的參考價值。朱稅平,趙蕾等人[5]建立了包含回水立管在內的樁基并聯雙螺旋型埋管換熱器三維動態傳熱的仿真模型，對連續和3種間歇運行模式下樁基并聯雙螺旋型埋管換熱器的運行情況進行了仿真,得到了出口水溫和單位管長放熱量的動態變化規律，定量評價了間歇運行的溫度恢復程度。該對樁基地埋管出口水溫和單位管長放熱量的變化規律進行研究，以及運行份額的影響程度，為樁基型地埋管設計提供了參考依據。董艷芳，王 磊[6]等人利用DEST軟件模擬了地埋管連續與間歇運行工況流體和鉆孔壁溫度變化，得出間歇運行更有利于土壤溫度的恢復，更能提高土壤熱的利用率。上文未對豎直地埋管換熱量的影響規律進行詳細分析。本文通過巖土熱響應測試分析了地埋管換熱器進水溫度與巖土初始溫度之間的溫差增大，地埋管換熱量隨運行份額變化的規律；分析了運行份額與地埋管換熱器換熱量之間的關系。對于地埋管系統設計有一定參考價值。

1 工程案例分析

1.1 實驗條件

本文以長沙地區某產業園項目4口測試井為例，測試井編號為1#、2#、3#、4#均采用雙U25 PE100換熱管，使用原漿加細沙人工回填，為了保證回填效果，使用了多次回填等綜合措施。流量傳感器采用等級為0.5%的高精度電磁流量傳感器自動記錄。同時，在系統中增加了一個機械水表，測試人員每隔兩個小時記錄一次水表流量。通過人工記錄的流量數據和自動記錄的流量數據進行對比分析，確保自動記錄數據的準確性。在數據采集和控制系統中，硬件系統是采用16通道的無紙記錄儀來進行溫度和流量數據的采集，軟件系統采用美國國家儀表局(NI)研發的Labview軟件進行數據的記錄和保存，每隔10 s掃描一次所有傳感器并保存數據。為了準確測量土壤初始溫度，將高精度的溫度傳感器直接埋在孔內不同深度，將溫度數據通過屏蔽電纜傳送到存儲設備處理后記錄儲存。

1.2 地源熱泵地埋管測試井情況

現場鉆孔及地質情況如圖1所示：

1#測試孔深105 m，0～18 m是土層；18～25 m是灰巖層；25～55 m是夾雜石膏層的中風化紅砂巖層；55～60 m是灰巖層；60～105 m是夾雜灰巖的紅砂巖層。

2#測試孔深105 m，0～18 m是土層；18～20 m是灰巖層；20～30 m是夾雜石膏層的中風化紅砂巖層；30～55 m是灰巖層；55～105 m是夾雜灰巖的紅砂巖層。

3#測試孔深105 m，0～18 m是土層；18～24 m是灰巖層；24～56 m是夾雜石膏層的中風化紅砂巖層；56～61 m是灰巖層；61～105 m是夾雜灰巖的紅砂巖層。

4#測試孔深105 m，0～18 m是土層；18～23 m是灰巖層；23～54 m是夾雜石膏層的中風化紅砂巖層；54～88 m是灰巖層；88～105 m是夾雜灰巖的紅砂巖層。

圖1 鉆孔及地質結構示意圖

2 模擬計算方法

利用TRNSYS程序對測試井所測試數據進行分析可以得到測試井鉆孔熱阻和土壤導熱系數。TRNSYS程序輸入：鉆孔尺寸、實測地埋管進出水溫度、管內水流量、原始地溫、土壤體積比熱容以及所需計算的鉆孔熱阻和土壤導熱系數的估值。其中土壤體積比熱容由所測巖土報告所提供巖土層類型查《地源熱泵系統工程技術規范》得到。根據所輸入的參數，對比計算所得地埋管出水和實測出水溫度，兩者趨于一致時則認為鉆孔熱阻和土壤導熱系數估算合理，繼而得出結果，根據所得結果可計算出地埋管的單位延米換熱量。計算過程是一個最優化過程，最優化目標函數為：

(1)

式中，Tcal,i為計算地埋管出水溫度，℃；Ttest,i為實測地埋管出水溫度，℃。

最優化計算過程采用TRNSYS中的最優化模塊TRNOPT進行，利用該模塊調用美國伯克利勞倫斯國家實驗室出品的最優化軟件GENOPT完成最優化計算。

圖2 TRNSYS求解模型示意圖

3 實驗結果及分析

利用TRNSYS軟件計算所得土壤參數如表1：

表1 巖土參數表

測試井之間的換熱環境：土壤初始溫度、土壤導熱系數、測試流量、土壤體積熱容均十分接近。利用TRNSYS對地埋管換熱量進行模擬分析。在進行地埋管單位延米換熱量模擬時，模擬地埋管在固定進水溫度下運行15 d，模擬的時間步長取1 h，在制冷工況下地埋管進水溫度為36、33和30 ℃，制熱工況下地埋管進水溫度為5、7和10 ℃。單位延米換熱量取運行周期內逐時單位延米換熱量的平均值(取絕對值)。運行份額的含義為：當運行份額為0.25時，則系統每天每天運行6 h，運行份額為0.33時，系統每天運行8 h，之后依次類推。根據單位延米換熱量的分析結果，分別對溫差變化以及運行份額的變化進行對比分析，所得測試井在制冷及制熱工況下模擬不同進水溫度下單位延米換熱量隨運行份額變化趨勢如圖3所示：

圖3 單位延米換熱量隨運行份額變化趨勢圖

4 結果分析

從測試井巖土熱響應測試結果可看出，隨運行份額的增加，由于鉆孔周圍冷(熱)堆積導致巖土溫度波動較大恢復不及時，從而地埋管內流體與周圍巖土之間溫差降低，導致地埋管換熱性能降低，地熱能的利用率也隨之降低，所以地埋管的單位延米換熱量隨之減小；地埋管進水溫度與原始地溫之間溫差增大時，地埋管單位延米換熱量增大，但是隨運行份額的增加單位延米換熱量的增加量會隨之減小。從測試井單位延米換熱量計算結果表中列舉出的計算結果可看出，本文中所述換熱條件下地埋管運行份額為0.33時，溫差每上升1 ℃單位延米換熱量增加約4.5 W/m，地埋管運行份額為1時，溫差每上升1 ℃單位延米換熱量增加量約為3.3 W/m，增加量降低了26%左右。通過模擬不同運行份額在相同換熱條件下所得單位延米換熱量的結果表明：單位延米換熱量隨運行份額的增加而減小，而且進水溫度不同時其變化率均接近，以圖中3種不同進水溫度為例，運行份額為1時的結果與運行份額為0.33時的結果相比，地埋管單位延米換熱量也降低了26%左右。

5 結論

通過本文所述巖土熱響應測試工程，對施工工藝，換熱條件接近的4口測試井進行巖土熱響應測試，結果表明：

(1)地埋管單位延米換熱量隨進水溫度與土壤初始溫度的溫差增加而增大，溫差每增大1 ℃單位延米換熱量增加量隨運行份額變化，進行地埋管系統設計時應綜合考慮其影響。

(2)地埋管單位延米換熱量隨運行份額的增加而降低，間歇運行有利于地熱能的有效利用，運行份額為1時單位延米換熱量約為運行份額為0.33時單位延米換熱量的74%左右，進行地埋管系統設計時應考慮運行份額，合理設計埋管。

(3)由于地埋管傳熱復雜，受施工工藝及換熱環境影響較大，巖土熱響應測試結果為特定條件下所得，其變化規律僅供設計參考。