地源熱泵技術(shù)講座_四_地埋管地源熱泵系統(tǒng)

1、1221地埋管換熱器的分析(1地埋管換熱器的傳熱地埋管地源熱泵系統(tǒng)利用地埋管換熱器與巖土體進(jìn)行熱交換。地埋管換熱器設(shè)計(jì)是否合理,決定著系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性。地埋管換熱器由埋于地下的密閉循環(huán)管組構(gòu)成。根據(jù)管路埋置方式不同,分為水平埋管和豎直埋管2種。水平埋管投資少、施工簡單;豎直埋管占地少、換熱性能穩(wěn)定。豎直埋管的研究與應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于水平埋管。與常規(guī)換熱器相同,地埋管換熱器的傳熱性能也受到傳熱溫差、傳熱面積和傳熱熱阻的影響。但是,地埋管換熱器的傳熱是埋管中流體與巖土層的換熱,其情況多變,傳熱條件復(fù)雜。在不同的地層設(shè)置地下埋管,涉及不同的地質(zhì)情況,巖土層成分、含水量和地下水的運(yùn)動等,都會影響換

2、熱器的傳熱性能。負(fù)荷的間歇性及全年負(fù)荷的不平衡等因素,也對其傳熱性能有重要影響。地埋管換熱器的傳熱過程又是非穩(wěn)態(tài)的,涉及的時(shí)間跨度很長,空間區(qū)域很大。因此,地埋管換熱器傳熱模型以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法的研究是地埋管地源熱泵系統(tǒng)的難點(diǎn),也是這項(xiàng)技術(shù)研究的核心和應(yīng)用的基礎(chǔ)。在理想情況下,地埋管換熱器傳熱模型應(yīng)能描述巖土熱物性、溫濕度、管材、管徑、管中流體物性、流速等諸多因素對傳熱的影響,但這將使數(shù)學(xué)求解十分困難,因此通常只使用簡化的傳熱模型。迄今為止,還沒有普遍公認(rèn)的模型和規(guī)范。地埋管換熱器的傳熱模型大多忽略了對流的影響,采用純導(dǎo)熱模型。這些傳熱模型大體上可分為3類。第1類傳熱模型是以熱阻為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)

3、性的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。這種方法概念簡單、清晰,容易為工程技術(shù)人員接受,因此在工程中得到應(yīng)用。但由于各項(xiàng)熱阻的計(jì)算做了大量簡化假定,使得模型過于簡單,難以考慮各種復(fù)雜的因素。第2類傳熱模型是以數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ),用有限元或有限差分法求解地下的溫度響應(yīng),可以考慮比較接近現(xiàn)實(shí)的情況進(jìn)行傳熱分析。但是這種分析方法將耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間,目前還只適于研究工作中的參數(shù)分析,而不適于工程設(shè)計(jì)和實(shí)際工程模擬。第3類傳熱模型是由瑞典學(xué)者首先提出的。這種利用疊加原理的模型也是基于熱阻的概念,利用解析法和數(shù)值法混合求解的手段,較精確地描述單孔恒定熱流的溫度響應(yīng),再利用疊加原理得到在變化負(fù)荷作用下多孔的實(shí)際溫度響應(yīng)。該方法簡化

4、假定最少,可以處理復(fù)雜的多孔幾何布置以及負(fù)荷隨時(shí)間變化的問題。我國學(xué)者發(fā)展了這種方法,找到一些傳熱過程的解析解,可以直接在計(jì)算程序中調(diào)用并進(jìn)行計(jì)算,提高了計(jì)算精度和計(jì)算速度,使該方法更加完善和實(shí)用。(2影響換熱的巖土因素?zé)o論管內(nèi)的流體從地層吸熱,還是向地層放熱,盡管熱流的方向不同,而傳熱模型是相同的。管內(nèi)流體與巖土之間存在一個(gè)通過多層介質(zhì)的導(dǎo)熱過程,其過程涉及5層熱阻:對流換熱熱阻,主要取決于流體的流速;管壁熱阻,主要取決于埋管的導(dǎo)熱系數(shù);回填材料熱阻,主要取決于回填材料的導(dǎo)熱系數(shù);地層熱阻,主要取決于巖土的導(dǎo)熱系數(shù),也與熱負(fù)荷作用的時(shí)間有關(guān);附加熱阻,主要取決于地埋管的布置形式、間距及負(fù)荷的

5、平衡程度。前3項(xiàng)熱阻稱為鉆孔內(nèi)熱阻,通?？梢园捶€(wěn)態(tài)傳熱過程來考慮。后2項(xiàng)熱阻稱為鉆孔外熱阻,必須采用非穩(wěn)態(tài)的傳熱模型來分析。鉆孔內(nèi)熱阻比較容易調(diào)控,鉆孔外熱阻的影響因素主要有巖土熱物性、巖土體溫度特性和地下水滲流。目前,地埋管換熱器埋管深度多為60100m ,國外埋管深度最深已超過了180m 。不同的巖土層所對應(yīng)的熱物性不同。巖土層熱物性參數(shù)對巖土層換熱能力、蓄熱能力具有決定性作用。巖土層中也存在著固體(礦物質(zhì)和有機(jī)物、液體(水和氣體(空氣三相物質(zhì),它們對巖土層的熱物性參數(shù)產(chǎn)生不同程度的影響。這些物性參數(shù)主要有密度、含水率、空隙比、飽和度、容積比熱、導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散收稿日期:2008-04-1

6、5。作者簡介:胡連營(1963-,男,遼寧營口人,研究員,碩士,從事熱能利用技術(shù)的研究與開發(fā)。E-mail :hu-ly地埋管地源熱泵系統(tǒng)地源熱泵技術(shù)講座(四胡連營(遼寧省能源研究所,遼寧營口115000中圖分類號:TK523文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1671-5292(200804-0122-03可再生能源Renewable Energy Resources第26卷第4期2008年8月Vol.26No.4Aug.2008系數(shù)等。巖土層導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)是比較重要的參數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)表示巖土的熱傳導(dǎo)能力,主要取決于土壤和巖石的種類及其密度、含水率、孔隙度和飽和度。不同地區(qū),甚至同一地區(qū)不同區(qū)域巖

7、土層的導(dǎo)熱系數(shù)差別都很大,通常須現(xiàn)場測定和計(jì)算。熱擴(kuò)散系數(shù)是導(dǎo)熱系數(shù)與容積比熱的比值。它反映了地層傳遞和存儲熱量的能力。由于巖土的含水量和空隙度直接影響巖土的導(dǎo)熱系數(shù)和容積比熱的大小,所以熱擴(kuò)散系數(shù)也隨含水量和空隙度的不同而不同。巖土體溫度可通過測量或計(jì)算確定。對于水平埋管,巖土體溫度的確定相對比較復(fù)雜,除了要知道其平均值,還要知道每年土壤表面溫度的波動情況。對于豎直埋管,巖土體溫度可取巖土平均溫度,不受天氣變化影響。地表3km以內(nèi)地溫觀測資料表明,地殼中溫度的變化大體可分為變溫帶、常溫帶和增溫帶。由于受太陽輻射的影響,變溫帶的日變溫深度為12m,年變溫深度為1520m。常溫帶深度一般為203

8、0m,其溫度一般比當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁馗?2,溫度變化幾乎為零。增溫帶在常溫帶以下,溫度隨深度增加而升高,大部分地區(qū)的平均增溫率為0.03/m。地埋管換熱器運(yùn)行過程中,周圍巖土的溫度場將發(fā)生變化。隨著地溫變化程度的增加和區(qū)域的擴(kuò)大,相鄰地埋管之間的換熱將受到影響,可引起熱阻的增加與換熱量的減少。如果全年負(fù)荷不平衡,多余的熱量或冷量會在地下積累,引起地下年平均溫度的變化。地層中或多或少都存在地下水滲流,沿海地區(qū)或地下水豐富的地區(qū),甚至有地下水的流動。地下水的滲流或流動可形成對流換熱,有利于地埋管換熱器的傳熱,有利于減弱或消除負(fù)荷不平衡引起的熱量累積效應(yīng),因此能夠減少地埋管換熱器的設(shè)計(jì)容量。2地埋管換熱

9、器的設(shè)計(jì)(1地埋管換熱器的布置在實(shí)際工程中,采用水平埋管還是采用豎直埋管,主要取決于場地面積、巖土類型及挖掘成本。當(dāng)可利用地表面積較大,地表層不是堅(jiān)硬的巖石時(shí),宜采用水平埋管。當(dāng)場地面積有限時(shí),則應(yīng)采用豎直埋管。水平埋管是在地面開12m深的溝,每個(gè)溝中埋設(shè)1,2,4或6根換熱管,主要有單層埋管和兩層埋管2種。由于兩層埋管的下層管處于一個(gè)較穩(wěn)定的溫度場,換熱效率好于單層,而且占地面積較少,因此應(yīng)用較多。近年來,國外又新開發(fā)了2種水平埋管形式,一種是扁平曲線狀,另一種是螺旋狀。它們的應(yīng)用使地溝長度縮短,而可埋設(shè)的管子長度增加。水平埋管適于單季使用的場合。例如,歐洲有些地源熱泵只用于冬季供暖和供應(yīng)生

10、活熱水。豎直埋管是換熱管埋于豎直鉆孔內(nèi),埋管深度可分為淺埋(<30m、中埋(30100m和深埋(>100m3種。豎直埋管有U形管和套管等多種形式,U形管式目前應(yīng)用最多。在一個(gè)鉆孔中設(shè)置一組U形管或兩組U形管,形成所謂單U式或雙U式。單U式的鉆孔內(nèi)熱阻比雙U式大30%以上,但鉆孔外的巖土熱阻幾乎是一樣的,所以實(shí)際上雙U式比單U式僅提高15%20%的換熱能力。雙U式管材用量大,安裝較復(fù)雜,運(yùn)行中水泵的功耗也相應(yīng)增加。因此,一般地質(zhì)條件下多采用單U式。但對于較堅(jiān)硬的巖石層,采用雙U式比較合適。此外,采用雙U式,也是解決地下埋管空間不足的方法之一。豎直埋管比水平埋管節(jié)省很多土地面積,更適合

11、我國地少人多的國情。埋管的回路形式有串聯(lián)和并聯(lián)2種,其特點(diǎn)見表1。從國內(nèi)外工程實(shí)踐來看,淺埋管采用串聯(lián)方式較多,中、深埋管采用并聯(lián)方式較多。水平埋管和豎直埋管的串聯(lián)和并聯(lián)方式分別見圖1和圖2。如果系統(tǒng)較大,則可采用整體并聯(lián)加局部串聯(lián)的方式,既充分提高各支路的進(jìn)出口溫差,又可保證系統(tǒng)水力平衡。支管回路與環(huán)路集管的連接方式有同程式和異程式2種。在同程式中各支路的流動阻力、流體流量和換熱量比較均勻。異程式中各個(gè)支路的阻力不相同,導(dǎo)致分配給每個(gè)支路的流體流量也不均衡,不利于發(fā)揮各支路的換熱效果。由于多環(huán)路地下埋管難于設(shè)置調(diào)節(jié)閥或平衡閥,難于做到系統(tǒng)各環(huán)路的水力平衡,因此在實(shí)際工程中采用同程式者居多。管

12、道與巖土間的換熱性能與不同埋管的間距有關(guān),管道間距越大,換熱性能越好。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量保證管道間有足夠的距離,以節(jié)省地埋管換熱器的投資,避免地埋管換熱器性能惡化現(xiàn)象。地埋管一旦埋入地下,基本上不可能進(jìn)行維修或更換,所以應(yīng)采用化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)大、流動阻力小的塑料管材及管件。在工程上適宜采用聚乙烯管(PE80或PE100或聚丁烯管(PB。管材的公稱壓力應(yīng)不小于1M Pa。工作溫度應(yīng)在-2050內(nèi)。支管回路可選薄壁管道,環(huán)路集管可選厚壁管道。管徑選擇應(yīng)以安裝成本最低、流體流量最小,且能保持紊流狀態(tài)為原表1串聯(lián)方式和并聯(lián)方式的特點(diǎn)回路形式串聯(lián)方式并聯(lián)方式優(yōu)點(diǎn)管徑大,易排氣管徑小,成本低缺點(diǎn)成

13、本大,壓降大,總長受限支管長度盡量一致,流速高特點(diǎn)圖2豎直埋管串聯(lián)和并聯(lián)方式串聯(lián)方式并聯(lián)方式圖1水平埋管串聯(lián)和并聯(lián)方式串聯(lián)方式并聯(lián)方式胡連營地埋管地源熱泵系統(tǒng)123 124則。傳熱介質(zhì)首選水。對于溫度較低的地區(qū),為防止低溫結(jié)冰現(xiàn)象,需在水中適當(dāng)添加防凍液。在滿足防凍溫度要求的前提下,應(yīng)盡量采用較低濃度的防凍液。(2埋管長度的確定方法地埋管換熱器設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容:確定建筑物負(fù)荷和熱泵參數(shù);確定地埋管換熱器的布置形式;選擇塑料管。選擇傳熱介質(zhì);設(shè)計(jì)分、集水器;確定埋管長度;系統(tǒng)水力計(jì)算。確定埋管長度是系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵,也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。埋管長度直接影響到熱泵機(jī)組的性能和系統(tǒng)的初投資。埋管長度的確定方

14、法依賴于傳熱模型的研究水平,目前主要有估算法、半經(jīng)驗(yàn)公式法和計(jì)算機(jī)模擬法。估算法是利用單位管長或單位埋管深度的換熱量求出所需地埋管換熱器的長度。這種方法非常簡單,適合手工計(jì)算。但由于國內(nèi)的相關(guān)研究還很不完善,缺乏不同類型、不同溫度的地埋管換熱器的傳熱特性數(shù)據(jù),因此目前利用該方法確定的結(jié)果非常粗糙,且很不全面,往往過于保守,這也增加了地埋管換熱器的投資。半經(jīng)驗(yàn)公式法是利用以熱阻概念為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)公式確定埋管長度,比估算法規(guī)范。國際地源熱泵協(xié)會(I G SH PA 和美國供熱制冷空調(diào)工程師協(xié)會(A SH RA E共同推薦的半經(jīng)驗(yàn)公式法的影響最大,工程中采用較多。此方法只考慮了管壁熱阻和地層熱阻。我

15、國2005年制定的地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范參考了此方法,并且還考慮了對流換熱熱阻、回填材料熱阻和附加熱阻。用半經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算地層熱阻和附加熱阻時(shí),由于反復(fù)用到指數(shù)積分函數(shù),對于實(shí)際工程的多孔地埋管換熱器,計(jì)算量非常大,需要借助于有關(guān)軟件來計(jì)算。計(jì)算機(jī)模擬法是利用專用軟件進(jìn)行地埋管換熱器的模擬和設(shè)計(jì)計(jì)算。目前,在國際上比較認(rèn)可的地埋管換熱器的計(jì)算核心為瑞典隆德大學(xué)開發(fā)的g -f unc t i ons 算法。根據(jù)程序界面的不同,主要有瑞典隆德大學(xué)開發(fā)的EED 程序、美國威斯康星大學(xué)開發(fā)的TRN SY S 程序和美國俄克拉何馬州立大學(xué)開發(fā)的G LH EPRO 程序。在國內(nèi),許多高校也曾對地埋管換熱

16、器的計(jì)算編制了計(jì)算軟件。3地埋管換熱器的安裝(1水平埋管安裝水平埋管安裝步驟如圖3所示。管溝開挖前需要進(jìn)行現(xiàn)場定位和場地清理,再開挖至要求深度,并進(jìn)行平整和清理。回填時(shí)先用沙鋪底300m m 厚,鋪完水平管再鋪沙200300m m 厚,并注水密實(shí)?；靥钌硲?yīng)采用網(wǎng)孔不大于15m m ×15m m 的篩子過篩,保證回填料中不含石塊等。為保證回填均勻,且回填料與管道緊密接觸,回填應(yīng)在管道兩側(cè)同步進(jìn)行,同一溝槽中有雙排或多排管道時(shí),管道之間的回填壓實(shí)應(yīng)與管道和槽壁之間的回填壓實(shí)對稱進(jìn)行。各壓實(shí)面的高差不宜超過30c m 。管腋部采用人工回填,確保塞嚴(yán)、搗實(shí)。分層管道回填時(shí),應(yīng)重點(diǎn)做好每一管道

17、層上方15c m 的回填。管道兩側(cè)和管頂以上50c m 應(yīng)采用輕夯實(shí),不能讓壓實(shí)機(jī)具直接作用在管道上,使管道受損。為保證地埋管換熱器的安裝質(zhì)量,還應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)沖洗和水壓試驗(yàn)等工作。在下管前、環(huán)路集管裝配后及地埋管換熱器全部安裝后,應(yīng)分別進(jìn)行3次系統(tǒng)沖洗。在下管前、環(huán)路集管裝配后、環(huán)路集管與機(jī)房分集水器連接后及地埋管換熱器全部安裝后,應(yīng)進(jìn)行4次水壓試驗(yàn)。(2豎直埋管安裝豎直埋管安裝步驟如圖4所示。相對于水平埋管安裝,豎直埋管安裝的鉆孔下管和灌漿回填工序比較復(fù)雜,施工難度較大。鉆孔是豎直埋管施工中最重要的工序。如果施工區(qū)的地層土質(zhì)較好,可以采用裸孔鉆進(jìn);如果施工區(qū)的地層是砂層,孔壁容易坍塌,則必須下

18、套管。在鉆孔過程中,應(yīng)根據(jù)地層情況,適當(dāng)調(diào)整鉆孔的深度、個(gè)數(shù)和位置,在降低鉆孔下管和灌漿回填難度的同時(shí),要保證總鉆孔深度滿足設(shè)計(jì)要求。在鉆孔完畢且孔壁固化后,立即進(jìn)行下管施工。通常鉆孔洞內(nèi)有大量積水,對下管造成一定的困難,可將第1次水壓試驗(yàn)后的管組在有壓狀態(tài)下插入鉆孔。鉆孔較淺或積水較少時(shí),可采用人工下管,反之,采用機(jī)械下管。應(yīng)注意保持U 形管支管的間距,可采用專用彈簧或管卡把U 形管的支管撐開,以減小支管間的熱量回流。下管后要保證U 形管露出地面,以便于后續(xù)施工。下管后應(yīng)盡快進(jìn)行灌漿回填,以封閉鉆孔,主要是為了強(qiáng)化埋管與鉆孔壁之間的傳熱,避免地下含水層受到地表水等的污染,防止不同含水層水質(zhì)的混合串通?；靥畈牧系膶?dǎo)熱系數(shù)應(yīng)不低于巖土