土壤热响应实测案例对比及影响因素分析

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  摘 要:结合江苏地区地源热泵热响应测试实例,介绍了土壤热响应测试在地源热泵系统设计中的应用、测试原理及测试过程,对6个实例的数据进行对比分析。根据地源热泵土壤热响应测试结果,讨论地埋管进水温度、循环流量以及埋管类型对单位井深换热量的影响。分析得出,提高进水温度、循环流量以及采用合适的埋管类型可提高地埋管换热性能。
  关键词:地源热泵;热响应测试;地埋管;单位井深换热量
  1.引言
  地源热泵空调系统具有可持续、高效节能、环保、经济性等优点,已经受到人们的广泛关注。土壤热响应测试是地源热泵系统开发利用浅层地热能资源的首要技术程序,通过现场测试,可以掌握浅层土壤在外界热激励作用下的动态响应过程,获得土壤初始温度、热物性参数以及地下换热规律,为地源热泵系统优化设计与节能运行提供了必要的数据依据。基于江苏地区地源热泵土壤热响应测试实例,横向比较分析各项数据,总结出江苏地区岩土体热物性的整体情况和地埋管换热器的普遍参数,同时分析在不同进水温度、循环流量以及埋管类型条件下地埋管单位井深换热的变化规律,为地源热泵系统的优化设计提供技术指导。
  2.土壤热响应测试介绍
  2.1测试系统
  测试土壤的热物性参数和传热特性,主要由测试仪与地埋管换热器连接成闭式循环系统,通过向地埋管内输入恒定温度的水,经地埋管与测试井周围土壤进行热量交换,再由测得的流量和回水温度计算得到回路中的换热量。热响应测试系统原理如图1。
  2.2 测试原理
  2.2.1 土壤初始平均温度的测定
  测试井下管回填后放置2天以上,待钻孔对土壤初始平均温度影响消除后开始测试。连接好循环回路后,仅开启循环水泵,运行至埋管进出水温恒定时,认为此时埋管进出水温的平均值即为地埋管埋深范围内的土壤初始平均温度。
  图1-1中:1-U型埋管;2-温度传感器;3-循环水泵;4-阀门;5-压力传感器;6-流量计;7-电加热装置;8-补水箱;9-监控系统;10-泄水阀。
  2.2.2 地埋管换热器换热量的测定
  地埋管换热量主要是模拟空调系统夏季运行工况,在给定地埋管进出水温度的情况下,确定地埋管单位井深换热量。计算公式为:
  式中,ql为地埋管换热器单位井深换热量,kw/m;Q为地埋管总换热量,kw;l为地埋管换热器的埋管深度,m;Cp为循环液的比热,kJ/kg·℃; ρ为循环液的密度,kg/m3;L为循环液流量,m3/s;Δt为埋管进出水温差,℃。
  公式(1)中l 已知,而Cp 、 ρ值可以根据实际测得的温度值查水的热物性表获得,L、Δt由测试仪实际测得,从而根据公式(1)算出地埋管单位井深换热量ql值。
  2.2.3 土壤平均传热系数的测定
  土壤平均传热系数与土壤导热系数完全不同,土壤平均传热系数是针对地埋管换热器提出的,其定义为地埋管换热器的周围土壤之间单位温差所引起的单位井深换热量[1]。而土壤的导热系数是土壤的热物性参数之一,与土壤的组成及结构有关。土壤平均传热系数的表达式如下所示:
  式中:Q为总换热量,w;k为土壤平均传热系数,w/(m·℃);L为钻孔深度,m;Tf为地埋管换热器进出水平均温度,℃;Tg为地埋管周围土壤初始平均温度,℃。
  2.3 测试过程
  地埋管施工结束后,经过两天的恢复,地下温度场基本恢复到未受扰动时的初始状态,可以进行土壤热响应测试。
  (1)将热响应测试装置的配电柜与现场的配电设施相连接,为保证测试的严密性和结果的准确性,在整个测试过程中都必须连续提供稳定的380V电源;
  (2)将特制接头安装在热响应测试装置的进出水管两端;
  (3)将已埋好的HDPE管通过特制接头与测试设备连接起来;
  (4)将裸露的HDPE管用20mm厚的橡塑保温管包裹好,避免与外界的空气进行换热,影响测试数据;
  (5)通过补水箱向循环系统补水,保证系统运行所需的水压;
  (6)在将测试系统中的空气排空后启动循环泵,当流速稳定趋于恒定后,开启电加热器,正式开始热响应测试,进行数据采集。在数据采集过程中,必须保证电源的稳定,使数据能够连续不间断采集。采集数据包括:连续48小时的地埋管进出口水温、流量、功率等,用于后期计算地埋管换热器的换热量和土壤平均传热系数。
  3.测试实例
  根据江苏地区6个地源热泵土壤热响应测试实例得到8组测试数据,连云港测试实例采用恒热流法,其他均采用恒温法测试。该6个实例均采用排热工况,回填材料均采用黄沙+原浆回填。将这6个实例的测试数据按纬度递减的顺序依次排列,如表1。
  以上江苏地区6个热响应测试实例有4个采用单U或双U一口井进行测试,只有建筑面积较大的如宿迁宿城区和苏州太仓市两个实例采用单U和双U两口地热井进行测试。埋管深度主要集中在80~100m之间,埋管外径采用25mm和32mm两种规格,主要以25mm为主。钻孔孔径大部分为130mm,少部分为110和150mm。
  由表1可以看出:(1)恒温法测试均控制进水温度为35℃,出水温度总体稳定在29.9~31.8℃,其温差处于3.2~5.1℃之间,恒热流法由于只控制加热功率不控制进水温度,进出水温差只有2.6℃;(2)管内流量主要在1.20 m3/h和0.85 m3/h这个水平上下波动;(3)单U型埋管换热器的单位井深换热量在42.2~58.3 W/m之间,其他三个双U型埋管换热器的单位井深散热量处在61.6~66.0 W/m;(4)平均换热系数主要在2.18~4.19 W/(m ℃)之间,连云港市实例的2.18 W/(m ℃)处于最低水平。
  3.1 初始平均温度与经纬度的关系   初始平均温度对土壤热物性影响较大,必须保证岩土初始温度的测量精。通常在地埋管换热器内灌注循环流体后,需要经过充分时间的常态循环和稳定过程,以保证岩土初始温度测量的准确性。同时,土壤的初始平均温度与实例的地理位置也有着密切的关系。将6个实例的地理位置在江苏地图上标注,分布如图2。
  由图看出,连云港市(北纬34.59°,16.8℃)至太仓市(北纬31.45°,18.1℃)地理位置呈纬度递减的趋势,同时实例土壤初始平均温度总体呈递增的趋势,纬度减小3.14°,土壤初始平均温度上升1.3℃;从经度的角度分析,宿迁市(东经118.29°,16.4℃)至太仓市(东经121.1°,18.1℃)地理位置呈经度递增的趋势,同时实例土壤初始平均温度总体呈递增的趋势,经度增加1.94°,土壤初始平均温度上升1.7℃。且江苏地区土壤初始平均温度在16.4~18.3℃之间,总体在17.35℃上下波动,波动范围为±0.95℃。
  图2 热响应测试实例地理位置及初始平均温度分布图
  3.2 单位井深换热量与埋管深度的关系
  地源热泵系统地埋管深度主要是取决于工程现场的地质情况和当地的经济费用而定,根据两者取最佳的埋管深度[4]。表2为江苏地区6个热响应测试实例不同深度下单、双U型埋管单位井深换热量,埋管深度分为80m、100m和120m三个水平,不同的埋深还分为单、双U两种埋管形式。
  由上表可以看出,江苏地区地源热泵热响应测试埋管深度总体处于80~100m之间。①埋管类型为单U时,单位井深换热量总体在42.2~58.3W/m之间,80m埋深平均单位井深换热量为57.85W/m,100m埋深平均单位井深换热量为54W/m,120m埋深单位井深换热量为42.2 W/m。120m埋深小于100m、小于80m埋深时的单位井深换热量。②埋管类型为双U时,单位井深换热量总体在61.6~66W/m之间,80m埋深平均单位井深换热量为64.5W/m,100m埋深单位井深换热量为61.6W/m,小于80m埋深单位井深换热量。由此可以得出,无论是单U还是双U型埋管,随着埋管深度的增加,其单位井深换热量将减少[2]。
  3.3 单位井深换热量与埋管类型的关系
  地源热泵设计中经常针对工程现场的实际情况选择不同的埋管类型。当下,占地面积小、效率高且性能稳定的垂直埋管成为地源热泵地下换热器的主流形式,主要有垂直单U埋管、垂直双U埋管和套管式埋管等[3]。在地源热泵的实际运行过程中,不同类型的埋管所表现出来的换热性能也是不同的。表3为宿迁市和太仓市实例中单、双U埋管单位井深换热量,这两个实例均同时采用单、双U两种埋管类型进行测试。
  由表3可以得出,宿迁市实例中双U埋管单位井深换热量比单U埋管高9.3 W/m,高出16.4%;太仓市实例中双U埋管单位井深换热量比单U埋管高10.3W/m,高出20.1%[4]。相比之下,两个实例的双U埋管单位井深换热量都要比单U埋管高,双U埋管的换热性能比单U埋管有显著增强。
  3.4 单位井深换热量与进水温度的关系
  土壤热响应测试系统根据要求模拟排热工况,分别设置不同地埋管进水温度,地埋管换热能力表现出各自的特性。图3为宿迁市和连云港市实例中地埋管单位井深换热量随测试时间变化的情况,夏季排热实验地埋管进水温度分别控制在35.0℃和33.1℃左右,管内流量为1.2 m3/h左右。测试实例均为双U型埋管,埋深80m,埋管外径25mm。
  从图3可以看出,地埋管单位井深换热量随着测试时间的增加而变化,起始阶段较高,接着逐步降低直至相对稳定,增大地埋管进水温度可以有效地增强地埋管的换热能力。对于同一埋深的地埋管换热器,夏季工况将地埋管进水温度从33.1℃提高到35.0℃时,换热能力相对稳定时单位井深换热量从63.0W/m增加到66.0W/m,增加了4.8%。
  3.5 单位井深换热量与循环流量的关系
  管内循环流量的改变,会影响管内流体与管壁之间的对流换热,进而影响地埋管与土壤的换热性能。不同循环流量,对于同一埋管类型、相同埋管深度的地埋管换热器,会促使其单位井深换热量的改变。将夏季排热实验的地埋管进水温度控制在35℃左右,管内流量分别控制在1.13m3/h和0.88m3/h。测试实例均为单U型埋管,埋深100m。
  由图4可知,地埋管单位井深换热量随着测试时间的增加逐步减小最后趋于稳定,且增大地埋管进口流量相对地提高了单位井深换热量,增强了地埋管的换热性能[5]。对于该夏季排热实验,将地埋管进口流量从0.88 m3/h提高到1.13m3/h时,地埋管单位井深换热量变化趋于稳定时,单位井深换热量从51.3W/m提高到56.7W/m,增加了10.5%。因此,在地埋管设计中,选择合适的循环流量将有效提高地埋管的换热性能。
  4.结论
  (1) 江苏地区土壤初始平均温度随着地理位置纬度的递减总体呈递增趋势,随经度递增总体呈递增趋势,且土壤初始平均温度在16.4~18.3℃之间,总体在17.35℃上下波动,波动范围为±0.95℃。
  (2) 江苏地区地源热泵热响应测试埋管深度总体处于80~100m之间,无论是单U还是双U型埋管,随着埋管深度的增加,其单位井深换热量将减少。
  (3) 通过比较宿迁市与太仓市实例,两个实例的双U埋管单位井深换热量都要比单U埋管高,双U埋管的换热性能大大强于单U埋管。
  (4) 宿迁市与连云港市双U型埋管实例对比中,地埋管进水温度从33.1℃提高到35.0℃,换热能力相对稳定时单位井深换热量从63.0W/m增加到66.0W/m,增加了4.8%,提高地埋管进水温度可提高其换热性能。
  (5) 宿迁市与太仓市单U型埋管实例对比中,地埋管进口流量从0.88 m3/h提高到1.13m3/h,单位井深换热量从51.3W/m提高到56.7W/m,增加了10.5%,可见增加地埋管循环流量可提高其换热效果。
  参考文献
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