中深層地埋管熱泵系統運行性能測試平臺及方法研究

鄧杰文 王 成 李 科 李 敏 張 威 劉立軍 段 毅 趙興海 周 添 劉加根1, 魏慶芃

(1.清華大學,北京;2.北京城市副中心站綜合樞紐建設管理有限公司,北京;3.北京市市政工程設計研究總院有限公司,北京;4.清華大學建筑設計研究院有限公司,北京)

0 引言

中深層地埋管熱泵供熱技術通過間壁式換熱的方式提取地下2～3 km中深層地熱能,地面結合熱泵供熱系統為建筑物供熱[1]。已有工程表明,因地熱地質條件不同,以及運行參數的區別,單根2 500 m中深層地埋管瞬時取熱量可達到250～400 kW[1],熱泵系統供熱季綜合能效達到5.0以上,實現了高效穩定供熱[2]。與此同時,相關學者對中深層地埋管換熱特性開展了深入研究,結果表明,地熱條件、設計及運行參數對其換熱性能有顯著影響[3-5]。由此可見,得益于更高品位的低溫熱源,中深層地埋管熱泵供熱系統實現了可再生能源高效低碳供熱[6]。

但另一方面,由于該技術取熱點深,對于不同的地熱地質條件,單根2 500 m中深層地埋管造價可達(300～500)萬元,較傳統淺層地埋管偏高;此外,由于中深層地熱溫度較高,使得該技術難以滿足供冷需求。針對上述問題,相關研究從中深層地埋管的深度轉換[7]、與淺層地埋管聯合運行[8]等方面展開了研究,以期兼顧冷熱供應需求,提高該技術的經濟效益,擴大應用范圍,但較高的建設成本仍然不利于該技術的推廣應用。

因此,在項目規劃階段需要從經濟效益、節能環保效益等方面進行綜合考量,確定中深層地埋管建設數量。但對于新建項目,特別是在缺乏參考項目的區域,如何明確中深層地埋管取熱能力,以及熱泵系統運行性能,對項目設計至關重要。因此,本文提出了中深層地埋管熱泵供熱系統測試平臺及測試方法,并應用到我國北方寒冷地區新建項目中,開展現場測試。通過高負荷、部分負荷等多工況測試,明確中深層地埋管取熱特性及熱泵機組供熱特性,為項目規劃設計及技術的推廣應用提供數據支撐。

1 測試平臺與測試方法分析

1.1 測試平臺搭建

測試項目位于我國北方寒冷地區,全年平均氣溫12.5 ℃,供暖季為11月15日至次年3月15日。由于中深層地埋管熱泵供熱技術是首次應用于該地區,因此在項目規劃階段率先建設1根埋深2 750 m的中深層地埋管。該中深層地埋管采用套管結構,設計參數見表1。

表1 中深層地埋管設計參數

與此同時,項目團隊搭建了中深層地埋管及熱泵系統運行性能測試平臺,以探究該技術在當地的實際運行效果與特性,從而更好地指導項目能源系統規劃與設計。如圖1所示,測試平臺由1根2 750 m中深層地埋管、1臺板式換熱器、1臺熱泵機組、1臺閉式冷卻塔,以及冷凝側、蒸發側、熱源側的相應水系統組成。測試平臺實物圖見圖2。

1.閉式冷卻塔;2.調節閥A;3.冷凝側水泵;4.熱泵機組;5.蒸發側水泵;6.板式換熱器;7.調節閥B;8.熱源側水泵;9.中深層地埋管。圖1 測試平臺系統示意圖

圖2 測試平臺實物圖

如前所述,中深層地埋管換熱性能受循環流量與進水溫度共同影響,為實現2個運行參數的獨立控制,測試平臺設置板式換熱器將中深層地埋管與熱泵機組蒸發器解耦,即可通過熱源側水泵變頻單獨調節中深層地埋管循環流量;同時通過調節熱泵機組制熱量改變中深層地埋管進水溫度,以滿足取熱需求;閉式冷卻塔作為熱泵機組冷凝側排熱設備以營造系統供熱環境;而調節閥A、B則分別用以調節冷卻側排熱量與熱源側取熱量。關鍵設備額定參數見表2。

表2 測試平臺關鍵設備額定參數

測試過程中,項目團隊對系統熱源側、蒸發側、冷凝側的供回水溫度、循環流量、水壓,以及熱泵機組、水泵、冷卻塔運行功率開展持續監測,測試儀器相關情況見表3,數據記錄間隔為10 min。此外,熱泵機組內部運行參數,包括蒸發溫度、冷凝溫度等反映運行狀態的關鍵參數可通過熱泵機組面板監測讀數,未設置記錄功能。

表3 測試儀器相關參數

1.2 測試方法分析

結合測試平臺調節能力,熱泵機組供熱能力的調節方式主要包括:1) 調節熱泵機組冷凝側供水溫度設定值,供水溫度越高,冷凝側循環水經冷卻塔與室外空氣的換熱量越大,從而增加熱泵機組供熱量;2) 調節冷凝側水泵運行頻率從而調節循環流量,流量越大,冷凝側循環水經冷卻塔與室外空氣的換熱量越大,從而增加熱泵機組供熱量;3) 調節閥門A開度,閥門A開度越大,進入冷卻塔的流量越小,則冷凝側循環水經由冷卻塔與室外空氣的換熱量越小,從而降低熱泵機組供熱量;4) 調節冷卻塔風機頻率從而調節風量,風量越大,冷凝側循環水經由冷卻塔與室外空氣的換熱量越大,從而增加熱泵機組供熱量。

而對于中深層地埋管取熱量,其調節方式主要包括:1) 調節熱源側水泵運行頻率從而調節循環流量,流量越大,中深層地埋管取熱量越大;2) 隨著熱泵機組供熱量的調節,其蒸發器取熱量相應改變,因而中深層地埋管進水溫度相應改變以滿足取熱需求;3) 調節閥門B開度,閥門B開度越大,熱源水進入板式換熱器的流量越小(更多被旁通),為了滿足蒸發器取熱需求,需降低蒸發側循環水溫,熱泵機組蒸發溫度降低,進而導致運行性能降低,此時在相同供熱量下,熱泵機組壓縮機電功率增加,蒸發器從中深層地埋管取熱需求減少。

1.3 評價指標

為充分分析系統運行性能,采用相關評價分析指標進行定量計算與研究。

1) 熱泵機組供熱量Qc與中深層地埋管取熱量Qg。

Qc=Gccp(tc,s-tc,r)

(1)

Qg=Ggcp(tg,o-tg,i)

(2)

式(1)、(2)中Gc和Gg分別為冷凝側與熱源側的循環流量,kg/s;cp為循環水比定壓熱容,kJ/(kg·℃);tc,s、tc,r分別為熱泵機組冷凝側供水、回水溫度,℃;tg,o、tg,i分別為中深層地埋管出水、進水溫度,℃。

2) 中深層地埋管單位長度取熱量。

(3)

式中qa為中深層地埋管單位長度取熱量,W/m;H為中深層地埋管埋深,m,取2 750 m。

3) 熱泵機組供熱性能系數。

(4)

式中ηh為熱泵機組供熱性能系數,該數值越大表征運行性能越好;Wh為熱泵機組輸入電功率,kW。

4) 可再生能源利用率。

(5)

式中Rr為可再生能源利用率。

5) 熱源側水系統輸送系數。

(6)

其中ηg為熱源側水系統輸送系數,該數值越大表征運行性能越好;Wg為熱源側水泵輸入電功率,kW。

6) 熱泵機組供熱運行遵循理論逆卡諾循環,其實際供熱性能系數ηh由理想性能系數ηh,th與廣義壓縮機效率ηh,c共同決定。其中ηh,c表征實際運行性能系數與理論值的差別,受運行工況對應壓縮比及負荷率影響。計算式見式(7)～(9)。

(7)

(8)

ηh,c=f(ΔT,Rh)

(9)

式中Tc、Te分別為冷凝溫度、蒸發溫度,K;ΔT為冷凝溫度和蒸發溫度之差,K;Rh為供熱負荷率。

7) 中深層地埋管循環壓降。

ΔpD=pi-po

(10)

式中 ΔpD為中深層地埋管循環壓降,kPa;pi、po分別為進、出口循環壓力,kPa。

8) 熱泵機組運行遵循熱量守恒原理,即蒸發器取熱量與壓縮機輸入電功率之和,應等于冷凝器排熱量。考慮到儀器測量誤差與制冷劑流動延遲等因素,實測數據應滿足式(11)所示的不平衡率校核,方可證明測試數據準確性,用于后續分析。

(11)

式中δ為熱泵機組不平衡率。

內部審計是企業治理結構中的重要組成部分，為進一步提高國內企業內部審計企業工作的執行力，內部審計需要得到企業治理結構的支持。當前，多數企業領導班子成員主管和分管內部審計部門，故難以實現審計工作的獨立開展，尤其是審計企業及管理層時，更難以保障審計的獨立性。有研究者提出，內部審計應該歸為監事會管理，但是國內的企業監事會成員由政府機構指派或者由董事會指派，進而影響了監事會自身職能的發揮，故內部審計監事會管理模式同企業內部需求之間存在矛盾。由于上述原因，我國企業正在積極地借鑒國外企業內部審計的成功經驗，并以此為基礎開展調查工作，進而滿足企業內部審計在權威性以及獨立性方面的要求。

由于本項目采用冷卻塔模擬建筑供熱需求,且熱源側采用板式換熱器以便于工況調節,蒸發側水泵、冷凝側水泵及冷卻塔運行情況與系統實際供熱情況不相同,因此僅分析熱泵機組、熱源側水泵及中深層地埋管的運行性能。得益于測試平臺充足的調節手段,項目團隊對中深層地埋管換熱變工況取熱特性、循環阻力特性,以及熱泵供熱系統變工況供熱特性進行了充分的測試研究。

2 最大供熱及取熱能力測試分析

2.1 地熱地質條件分析

在中深層地熱地埋管施工過程中,項目團隊對不同深度巖石成分與物性進行了采集與分析,并在2 750 m鉆孔成孔后,采用光纖溫度傳感器對巖石溫度分布進行了詳細測試。圖3顯示了鉆孔深度方向巖石初始溫度分布,當地500 m巖層溫度為40 ℃,2 750 m巖層溫度不足60 ℃,整體地溫情況在我國北方地區處于中等偏低水平。表4給出了不同深度主要巖石組成及其熱物性測試結果。從表4可以看到,本項目0～2 753 m巖層以白云巖為主,密度達到2.55 g/cm3,導熱系數達到3.55 W/(m·℃),比熱容達到749 J/(kg·℃)。通過巖層溫度與熱物性實測結果可以看到,雖然當地巖層溫度并不理想,但得益于良好的巖層導熱性能,通過中深層地埋管換熱的方式提取和利用中深層地熱能具備一定的可行性。

圖3 鉆孔巖層初始溫度分布

表4 鉆孔不同深度巖石組成及其熱物性

2.2 最大供熱及取熱能力測試分析

針對本項目,業主提出連續運行30 d,中深層地埋管取熱量不低于400 kW、熱泵系統供熱量不低于550 kW的系統驗收標準。因此測試平臺搭建完成后,項目于2021年12月27日至2022年2月11日開展為期47 d的高負荷運行,以滿足驗收要求。

由圖4可以看出:連續運行測試期間熱泵機組瞬時供熱量維持在550 kW以上,1月14日提升至接近650 kW,最終穩定在600 kW左右;而中深層地埋管連續運行取熱量維持在400 kW以上,1月14日提升至接近500 kW,最終穩定在450 kW左右。連續運行47 d的數據表明,熱泵機組連續運行平均供熱量達到568.0 kW,中深層地埋管連續運行平均取熱量達到429.5 kW,單位長度取熱量達到156.2 W/m,滿足驗收要求。

圖4 高負荷測試階段系統供熱量與取熱量監測數據

圖5顯示了高負荷測試階段熱源側、冷凝側水溫與循環流量監測數據。可以看到,連續運行期間,冷凝側循環流量維持在38～45 m3/h之間,平均供、回水溫度分別達到51.0、38.8 ℃,體現了良好、穩定的供熱能力。而中深層地埋管循環流量由26.7 m3/h逐漸增大至28.0 m3/h。運行初期,中深層地埋管出水溫度達到30 ℃以上,進水溫度達到20 ℃以上。隨著系統連續運行,中深層地埋管周圍巖層溫度逐漸降低,進出水溫度呈降低趨勢,最終穩定在進水溫度5.0 ℃、出水溫度18.9 ℃的運行工況。在高負荷測試的最后15 d,中深層地埋管進水溫度僅從5.2 ℃降低并維持在5.0 ℃,出水溫度僅從19.1 ℃降低并維持在18.9 ℃,而瞬時取熱量僅從458.4 kW降低并維持在451.9 kW,表明中深層地埋管周圍巖層溫度衰減緩慢,中深層地埋管取熱運行近似達到穩定水平。

由圖5可以看到,系統運行參數在1月14日附近出現了顯著變化,這與熱源側調節水閥B動作相關。在1月14日之前,閥門B自動調節開度使得熱泵機組蒸發器出水溫度維持在5.0 ℃左右。典型情況見圖6,閥門B開度為90%,此時大部分熱源循環水旁通,未進入板式換熱器與熱泵機組蒸發側循環水換熱。此時蒸發側進、出水溫度分別僅為13.7、4.6 ℃,遠低于熱源側循環水溫(進水溫度11.0 ℃,出水溫度23.2 ℃)。通過這一方法,使得熱泵機組供熱量,特別是中深層地埋管取熱量維持在相對穩定的水平,平均供熱量達到542.4 kW,平均取熱量達到397.3 kW。在這個過程中,中深層地埋管進水溫度仍然維持在11.0 ℃以上,證明其尚未達到最大取熱能力。因此,從1月14日開始,項目團隊關閉調節閥B,使得熱源水全部進入板式換熱器,與熱泵蒸發側循環水進行充分換熱。隨著中深層地埋管進水溫度逐漸降低至5.0 ℃,其取熱量與熱泵機組供熱量得到大幅度提升。自關閉閥門B開始到高負荷測試結束期間,中深層地埋管平均取熱量增大至460.1 kW,熱泵機組平均供熱量增大至596.4 kW。

注:te,o為蒸發器出水溫度;te,i為蒸發器進水溫度。圖6 高負荷測試階段系統運行狀態

上述變化趨勢和運行模式與建筑供熱需求變化趨勢相當。考慮到供熱季中建筑供熱需求也是呈現先增加后降低的變化趨勢,而尖峰供熱需求出現時間不超過1個月。因此上述連續運行47 d的實測結果證明,該地區中深層地埋管在24 h連續運行模式下的設計取熱量可達到450 kW,熱泵系統設計供熱量可達到600 kW,為項目設計提供了指導依據。

圖7 高負荷測試階段熱泵系統運行性能監測數據

3 變工況運行性能測試分析

3.1 熱泵機組運行性能變工況測試

熱泵機組實際供熱性能受其運行工況直接影響,包括熱泵機組蒸發器、冷凝器運行水溫,供熱負荷率等關鍵參數。本項目實測得到熱泵機組在高負荷測試階段供熱ηh僅為3.68,但考慮到整個供暖季中尖峰供熱需求出現時間較短,熱泵機組大部分時間都運行在部分負荷工況。因此項目團隊設置了3種部分負荷運行工況,以探究熱泵機組在部分負荷下的實際運行性能,明確適用于中深層地埋管多工況高效運行的熱泵機組所需要具備的特性,從而指導相關設備的選擇與運行調控策略的制定。表5給出了不同工況調節方法,可以看到,相比于高負荷測試階段,工況1、2、3分別將熱泵機組供水溫度設定值由55 ℃降低至47、45 ℃,從而模擬部分負荷工況下降低熱泵機組供水溫度的設定。與此同時,通過降低冷凝側水泵頻率、降低冷卻塔風機頻率、增大調節閥A開度,使得熱泵機組供熱量逐漸降低,以模擬部分負荷工況運行。在調節過程中,熱源側水泵頻率維持在48 Hz運行,調節閥B維持關閉狀態。表6給出了不同工況下系統平均運行參數。

表5 不同工況調節方法

表6 不同工況下系統平均運行參數

對比表5、6可以看到,通過調節熱泵機組供水溫度設定值,其平均供水溫度在工況1～3中分別降低至46.6、44.8、44.7 ℃。隨后通過調節冷卻塔排熱量,熱泵機組平均供熱量在工況1～3中分別減小至489.9、406.0、351.8 kW,對應運行負荷率為70%、58%、50%。隨著供熱量的降低,熱源側取熱量同步減小至379.3、317.7、286.8 kW。在熱源側循環流量不變的情況下,隨著取熱量的降低,熱源側循環水溫逐漸上升,在工況1～3中,進/出水溫度平均值分別達到8.0 ℃/20.1 ℃、11.4 ℃/21.5 ℃、14.5 ℃/23.2 ℃。可以看到,隨著冷凝側供水溫度的降低、蒸發側循環水溫的升高,熱泵機組運行ηh由最初的平均3.68逐漸增大至平均4.84,實現了較為顯著的提升。

雖然熱泵機組供熱性能相比于淺層地源熱泵機組、空氣源熱泵機組均大幅度提升,但仍未達到自身最佳運行狀態。如表7所示,得益于冷凝側供水溫度降低、蒸發側循環水溫度升高,熱泵機組冷凝溫度逐漸降低、蒸發溫度逐漸升高,運行工況對應的ηh,th分別達到7.68、8.74、10.06,充分展示了中深層地埋管熱泵系統高溫熱源溫度的優勢。但隨著熱泵機組供熱負荷率與冷凝蒸發溫差的降低,熱泵機組ηh,c逐漸降低,分別達到0.573、0.534、0.481,相較當前工藝水平能達到的壓縮機效率(0.7～0.8[9])仍然偏低。

表7 變工況熱泵機組理想性能系數與ηh,c分析

本項目出于高負荷驗收測試考慮,采用的是定頻壓縮機,其壓縮機效率在額定工況下達到最優,而隨著負荷率與壓縮比的降低,壓縮機效率不斷降低。因此針對中深層地埋管熱泵系統,得益于高溫熱源優勢,其運行壓縮比相較淺層地源熱泵和空氣源熱泵更低,同時由于建筑供熱需求的變化,其運行負荷率與壓縮比也需要大范圍變化。針對上述需求,傳統定頻壓縮機就難以滿足多工況高效運行的要求。因而,無級變頻壓縮機通過壓縮機轉速的調節,在負荷率與壓縮比大范圍變化下仍能維持較高的壓縮機效率,更適應中深層地埋管熱泵系統的運行需求。

3.2 中深層地埋管取熱性能變工況測試

對于中深層地埋管取熱性能,項目團隊也開展了變工況測試,調節參數見表8。調節對象主要包括:1) 通過調節熱源側水泵頻率以調節中深層地埋管循環流量;2) 通過調節熱泵機組蒸發器取熱量,進而調節中深層地埋管進水溫度。通過上述變工況測試探究中深層地埋管取熱量受循環流量與進水溫度的影響情況,每個工況測試時間達到4 h,以保障系統近似穩定運行。

表8 中深層地埋管取熱性能變工況測試調節參數

變工況測試結果見圖8,其中散點為測試期間瞬時取熱量的監測數據,顏色越深代表取熱量越大。

圖8 中深層地埋管變工況取熱性能分析

實測結果表明,通過調節熱源側水泵運行頻率使得中深層地埋管循環流量由21.4 m3/h增大至27.1 m3/h,通過增大熱泵機組供熱量使得中深層地埋管進水溫度由16.1 ℃降低至4.8 ℃,中深層地埋管瞬時取熱量由200 kW大幅度增大至450 kW。由此可見,中深層地埋管瞬時取熱量受其循環流量與進水溫度的共同影響。在循環流量不變的情況下,隨著中深層地埋管進水溫度的降低,熱源水與周圍巖層的換熱溫差增大,進而增大了中深層地埋管瞬時取熱量。而在中深層地埋管進水溫度不變的情況下,隨著循環流量的增加,熱源水與地埋管換熱熱阻降低,熱源水在吸收相同熱量的情況下整體溫升更小,使得熱源水與周圍巖層的換熱溫差增大,進而增大了中深層地埋管瞬時取熱量。因而循環流量的增大、進水溫度的降低均有助于增加中深層地埋管瞬時取熱量。上述結果對中深層地埋管熱泵系統運行調節提供了很好的指導。中深層地埋管循環流量的大小直接影響熱源側水泵的運行能耗,而中深層地埋管進水溫度的高低則直接影響熱泵機組供熱運行性能。多個調節手段使得中深層地埋管熱泵供熱系統在實際運行過程中,可以根據建筑實時供熱需求,以實現系統整體運行性能最優為目標進行運行調節。

與此同時,項目團隊對變工況下中深層地埋管循環阻力進行了測試分析,結果如圖9所示。可以看到,隨著中深層地埋管循環流量由21.4 m3/h增加至27.1 m3/h,其循環阻力由380 kPa大幅度增大至接近725 kPa。由此可見,中深層地埋管阻力特性為小流量、大揚程,且隨著流量變化,阻力大幅度變化。因此熱源側水泵的選型需要滿足該阻力特性,并且采用變頻水泵確保變工況下系統高效運行。

圖9 中深層地埋管變工況循環阻力分析

4 結論

1) 針對該地區地熱地質條件,中深層地埋管連續運行尖峰取熱能力可達到450 kW,熱泵機組供熱能力可達600 kW,對應熱泵機組平均制熱ηh達到3.68,熱源側水泵平均輸送系數達到48.4,可再生能源供熱占比達到72.8%,體現了該技術在尖峰供熱階段的供熱保障能力與系統節能運行水平。

2) 中深層地埋管瞬時取熱能力受進水溫度與循環流量的影響,隨著進水溫度的降低與循環流量的增大,其瞬時取熱能力大幅度增大。因此中深層地埋管具有較大范圍取熱量的調節能力,能夠較好適應建筑供熱需求的大范圍變化,為系統高效運行調控提供條件。

3) 針對中深層地埋管高熱源溫度的特征,以及建筑負荷不斷變化的實際情況,變頻熱泵機組更適合中深層地埋管熱泵系統的運行需求。與此同時,中深層地埋管阻力特性為小流量、大揚程,且隨著流量變化,阻力大幅度變化。熱源側水泵的選型需要滿足該阻力特性,并且采用變頻水泵確保變工況下高效運行。

上述研究成果對新建項目中深層地埋管熱泵系統的設計與配置提供了方法支撐,從而助力該技術更高效、更經濟地推廣應用。