地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

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 1　前言

地埋管地源熱泵技術由于其節(jié)能和環(huán)保的特點正受到越來越多的關注.然而地埋管地源熱泵的推廣需要開展對地埋管換熱器存在的一些應用和理論問題的研究,其中包括選擇合適回填材料、 熱泵系統(tǒng)對地埋管區(qū)域土壤作用時的溫度變化問題等.比較理想的回填材料,不僅具有良好的護壁作用,還能降低埋管井與周邊土壤的熱阻,提高換熱器管網(wǎng)對地下土壤的傳熱性能,減少地埋管的工程和造價,同時還能改善熱泵的運行參數(shù),提高系統(tǒng)的節(jié)能潛力.在熱泵系統(tǒng)運行期間,地下土壤溫度場的穩(wěn)定性是關系到系統(tǒng)運行的可靠性和可持續(xù)性的問題.對于夏熱冬冷的華東地區(qū),地源熱泵通過地埋管與地下土壤進行取熱和散熱的雙向傳熱作用,相對于單一制熱的北方地區(qū)和單一制冷的南方地區(qū),華東地區(qū)為地源熱泵提供了理想的應用環(huán)境.但是,對于所有地埋管型地源熱泵來說,地下土壤溫度場的穩(wěn)定性問題仍然是值得關注的大問題.熱泵系統(tǒng)的冷熱負荷對地下的熱作用很難自然取得平衡,需要調查地下溫度場的變化特性,以便制定優(yōu)化的設計方案,確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠的節(jié)能運行[1].目前國內對回填材料和地下土壤熱平衡問題的研究局限于計算機模擬或短期試驗研究[2~4], 缺少可靠的試驗測量數(shù)據(jù).本文以夏熱冬冷的華東地區(qū)為對象,采用現(xiàn)場測試的方法,對比研究了 兩種不同回填材料對地埋管換熱器傳熱性能的影響;在地源熱泵地埋管區(qū)域的土壤中安裝溫度傳 感器,根據(jù)對地源熱泵運行期間地下溫度場的數(shù)據(jù)采集,分析了系統(tǒng)運行中埋管換熱器周圍不同 位置處土壤溫度場的變化特性.

2　不同回填材料地埋管換熱器的熱響應測試

對地埋管換熱器的熱響應測試采用了專門設 計制造的試驗臺,如圖1所示.該試驗臺包括測 試設備、控制設備、測量設備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部 分.測試設備能夠模擬夏天制冷工況和冬天制熱 工況,制成所需要的冷水和熱水,用于傳熱試驗. 控制設備能夠根據(jù)需要調節(jié)所需要的供水溫度、 流量和壓力.測量設備由傳感器和儀表組成,用 于測量系統(tǒng)的溫度、壓力、流量等參數(shù).控制設備 和測量設備均采用美國NI的FP模塊,使用485 通信協(xié)議,實現(xiàn)模塊與上位機之間的.數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)基于Labview軟件平臺,開發(fā)了自動化 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、安全控制的計算機程序,該 程序還具備遠程控制和遠程數(shù)據(jù)采集的功能.

為了提高測試精度,對傳感器進行了校驗. 溫度傳感器的校驗在恒溫水浴中進行,采用0.1K 刻度的試驗室水銀溫度計作為標準值,在0~ 50℃的溫度區(qū)間上,間隔3K,調節(jié)獲得穩(wěn)定的水 溫后,開始讀數(shù),Labview校正程序每隔5s掃描一次傳感器的溫度值,采用相鄰6個掃描值的平均 值作為每個溫度傳感器的讀數(shù),同時記錄水銀溫度計的讀數(shù).在流量傳感器的校正中,利用水桶和秒表,采用了稱重法與體積測量法相結合,與電子流量計的讀數(shù)相對照.根據(jù)校正的結果,對每個傳感器進行曲線擬合,保證試驗結果分析的精度.

選擇黃沙+膨潤土、水泥漿+膨潤土作為兩 種對比測試的回填材料,采用DN25的HDPE管作為換熱器管道,井口直徑110mm,打井深度 60m,制成了1#和2#地埋管換熱器,
熱響應測試采用恒熱流法,分別模擬熱泵的夏季制冷工況和冬季制熱工況.夏季制冷工況時,需要測量地埋管換熱器向周邊土壤的散熱能力,保持換熱器HDPE的水流流量和熱流流量穩(wěn)定,測試48h以上,保存所有傳感器的測試數(shù)據(jù);采用類似方法,利用熱泵制成需要的冷水,模擬冬季供熱工況,測試換熱器從周邊土壤的取熱能力.在測試中1#井和2#井首先同時進行散熱能力的熱響應測試,經(jīng)過48h的穩(wěn)定測試后,獲得的散熱試驗的運行數(shù)據(jù);然后停止測試,讓地下土壤獲得一個溫度恢復的過程;待地下土壤溫度場基本恢復后,開展冬季取熱的模擬測試.

無論對于夏季散熱還是冬季取熱,1#井與2#井在進水溫度與流量均接近的情況下,1#井的進出口溫差比2#井大,因此1#井對周邊土壤的傳熱量大于2#井.比較同一個井夏季 工況與冬季工況的傳熱情況可以看出,在流量接近的情況下,夏季的進出口溫差大于冬季,這是因為夏季埋管中循環(huán)水與周圍土壤的溫差高于冬季.

根據(jù)實際測量的土壤原始溫度、采集的地埋管的48h溫度曲線、熱流量數(shù)據(jù),采用熱響應分析的方法,依據(jù)線熱源模型,可以回歸出土壤的有效導熱系數(shù),從而分別計算出各個換熱器在出水溫度為35℃時的單位井深散熱能力,同樣的方法獲取各個換熱器在5℃時的等效取熱能力.

進水溫度35℃時,1#井埋管單位井深的傳熱量比2#井埋管高11%.進水溫度為5℃時,1#井單位井深傳熱量比2#高井5%,兩種工況均表明1#井的傳熱效果優(yōu)于2#井,表明回填材料黃沙+膨潤土的傳熱性能比水泥漿+膨潤土的好.

2#井埋管采用的PE管分隔夾具有減小熱短路、提高傳熱性能的功能.但是在本試驗中2#井 埋管的傳熱能力反而低于沒有支承的1#井埋管,這主要是由回填材料造成的,這說明回填材料對傳熱的影響比支承更顯著.如果排除塑料夾的影響,以黃沙+硼潤土作為回填材料的傳熱性能比采用對比回填材料的傳熱性能提高幅度會更大.

3　地埋管換熱器周圍土壤溫度場的測試與分析

地源熱泵的運行測試選在夏熱冬冷的華東地區(qū),建筑物同時具有供冷和供熱兩種需求,地源熱泵常年運行,制冷運行150天左右、制熱運行120天左右.

為了綜合研究地下溫度場的變化情況,在地埋管換熱器安裝的不同區(qū)域安裝了一定數(shù)量的溫度傳感器(如圖2),選取3個彼此不相鄰地埋管換熱器3#、4#和5#,井深30m,分別在井的內壁和井外埋設溫度傳感器,傳感器埋深為10m,測點4 ~6在井內壁,測點1、2、3、7、8、9、10在井外,沿井徑向方向的距離依次相隔0.5m.

4　結論

(1)回填材料黃沙+膨潤土的傳熱性能優(yōu)于水泥漿+膨潤土.散熱能力在進水溫度35℃時前者比后者高11%左右,取熱能力在進水溫度5℃時高5%左右.采用黃沙+膨潤土的井埋管還比采用水泥漿+膨潤土的井埋管提供更大的進出口溫差;

(2)換熱井內壁處土壤溫度曲線波峰出現(xiàn)在9月初,波谷在3月初,在井外,隨著離井距離的增加,溫度曲線出現(xiàn)峰谷值的時間將向后延遲2~3個月.運行一年后,井埋管周圍土壤溫度升高,距離井埋管越遠,溫升幅度越大;

(3)地埋管換熱器周圍土壤溫度場的偏移現(xiàn)象說明,該熱泵對地埋管區(qū)域土壤的排熱量大于取熱量.對于夏熱冬冷的華東地區(qū)來說,建筑物需要的制冷能量大于制熱能量,加上壓縮機、水泵、風機等設備的功耗,地源熱泵對地下土壤的制冷排熱量要比制熱取熱量大一倍左右,如何采取技術措施,實現(xiàn)地下土壤的熱平衡,對確保地源熱泵持續(xù)可靠運行來說非常重要.

參考文獻

[1]　陳衛(wèi)翠,劉巧玲,賈立群,等.高性能地埋管換熱器 鉆孔回填材料的實驗研究[J].暖通空調,2006,36 (9):1-6.

[2]　趙軍,張春雷,李新國,等.U型埋管地源熱泵系統(tǒng) 實驗研究[J].華北電力大學學報,2004,31(6),65- 67.

[3]　趙軍,宋德坤,李新國,等.埋地換熱器放熱工況的 現(xiàn)場運行試驗研究[J].太陽能學報,2005,26(2): 162-165.

[4]　劉猛,何雪冰,劉憲英.某住宅地源熱泵系統(tǒng)夏季運 行測試研究[J].暖通空調,2005,36(1):118-121.

[5]　MurayaNK.Thermalinterferenceofadjacentlegsina verticalU-tubeheatexchangerforaground-coupled

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