240地源熱泵地埋管單位井深換熱量測(cè)試與分析

1、地源熱泵地埋管單位井深換熱量測(cè)試與分析華中科技大學(xué)於仲義胡平放徐玉黨孫啟明袁旭東摘要：文章著眼于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中地源熱泵垂直地埋管換熱器的單位井深換熱性能的研究，在不同地埋管進(jìn)水溫度、流量和埋管類型條件下對(duì)單位井深換熱量進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析了地埋管進(jìn)水溫度、流量和埋管類型對(duì)單位井深換熱量的影響規(guī)律。結(jié)果表明，即使同一種埋管類型在相異的地埋管進(jìn)水溫度和流量，地埋管單位井深換熱量有差別，一定進(jìn)水溫度的地埋管換熱量試驗(yàn)結(jié)果不具備普遍性，這對(duì)地埋管換熱器的設(shè)計(jì)提出了一定的改進(jìn)建議。關(guān)鍵詞：地源熱泵地埋管換熱器換熱量實(shí)驗(yàn)測(cè)試1引言地源熱泵系統(tǒng)中冷/熱源采用地埋管換熱器，這種地?zé)釗Q熱器與工程中

2、通常遇到的換熱器不同，它不是兩種流體之間的換熱，而是埋管中的流體與固體（土壤）之間的換熱，屬于非穩(wěn)態(tài)，涉及時(shí)間跨度很長(zhǎng)，空間區(qū)域很大，換熱特性對(duì)地源熱泵系統(tǒng)性能有決定性的作用，影響著地埋管換熱器設(shè)計(jì)是否合理，進(jìn)而決定了地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性。對(duì)于實(shí)際工程中常用的垂直U型管地源熱泵系統(tǒng)，影響系統(tǒng)性能因素主要在于地埋管換熱器管長(zhǎng)的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)計(jì)算主要采用文獻(xiàn)1中的公式：制冷工況Lc1000Q=c+R+R+Rpebttmax7?+F-(1Xpoc/IccPOC1/l供熱工況Lh1000Qt+R+R+R(ttgminT?+X.尸-GX-p,ocz/nhPOC2/l式中的參數(shù)說明詳見文獻(xiàn)1。

3、由此可見，在換熱負(fù)荷一定的條件下U型地埋管長(zhǎng)度主要取決于土壤層水文地質(zhì)和熱物性。由于地埋管處于地下土壤中，屬地下隱蔽工程，其熱物性的測(cè)量不能直接進(jìn)行，主要是結(jié)合導(dǎo)熱反問題和參數(shù)估計(jì)法來(lái)確定。鑒于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的困難和地埋管鉆井內(nèi)埋設(shè)的不確定性，這些參數(shù)的誤差均較大，從而最終影響地埋管長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性?，F(xiàn)對(duì)公式（1）、（2）進(jìn)行變換可得：制冷工況1000QL=cqLc(COP+1)cIcop丿cq=maxgLcR+R+R+RxF+Rx(1一F丿fpebscspc（3a）3b）sp供熱工況1000Q(COP-14a)qLh4b)ttqwminLR+R+R+RxF+RxHF丿fpebshsph式中口Lc、

4、qLh為單位管長(zhǎng)換熱量。如果能夠獲取單位管長(zhǎng)換熱量，則可以設(shè)計(jì)計(jì)算地源熱泵系統(tǒng)地埋管的容量，確定熱泵機(jī)組參數(shù)以及選擇循環(huán)泵流量與揚(yáng)程等。單位管長(zhǎng)換熱量如果選擇偏大，必然導(dǎo)致埋管量偏小、埋管內(nèi)水的進(jìn)出口溫度難以達(dá)到熱泵機(jī)組的參數(shù)要求，使得機(jī)組效率過低，熱泵的制冷、制熱量達(dá)不到建筑物需求，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)不滿足要求。反之，雖滿足要求但初投資過高，地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性降低。由于單位管長(zhǎng)換熱量不僅與地下土壤傳熱溫差有很大的關(guān)系，而且與地下水位的高低以及土壤中含水量的多少等諸多因素有關(guān)，因而需要對(duì)實(shí)際地源熱泵工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，方可獲得較精確的設(shè)計(jì)參數(shù)。2實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介2.1實(shí)驗(yàn)裝置組成實(shí)驗(yàn)裝置于2006年11月

5、在華中科技大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備綜合實(shí)驗(yàn)中心建成，同年12月1日投入使用，已經(jīng)完成原始地溫測(cè)試、冬季供熱工況測(cè)試。該裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)在測(cè)試運(yùn)行期間，工況穩(wěn)定，運(yùn)行正常。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有兩部分組成，其裝置配置如圖1所示。2.1.1地埋管部分該部分主要包括地埋管換熱器、埋管側(cè)循環(huán)水泵、埋管側(cè)膨脹水箱、集水器和分水器，其管路系統(tǒng)與冷熱源機(jī)組相連。地面T垂直地埋管TTTTM地埋管分水器土壤溫度測(cè)量點(diǎn)TT|令熱源圖1地源熱泵熱物性測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置圖地埋管鉆井共11口，編號(hào)為111。其中14號(hào)井為雙U型地埋管，58號(hào)井內(nèi)設(shè)單U型地埋管，911號(hào)井為套管地埋管。鉆井深度有40m、60m和80m,鉆井直徑200mm,管內(nèi)循環(huán)

6、流體介質(zhì)為水。各鉆井內(nèi)埋管換熱器采用并聯(lián)方式與地埋管集水器和分水器相連，埋管換熱器頂部至室內(nèi)的水平埋管沿地溝鋪設(shè)，地溝深0.8m,地溝寬0.5m。2.1.2冷熱源部分該部分主要包括空氣水熱泵機(jī)組，產(chǎn)生的冷、熱水作為模擬冬季和夏季工況。為防止壓縮機(jī)損壞，設(shè)置時(shí)間繼電器控制壓縮機(jī)的啟動(dòng)。當(dāng)接通電源后，循環(huán)水泵首先啟動(dòng)運(yùn)行，在時(shí)間繼電器的控制下壓縮機(jī)延時(shí)啟動(dòng)。壓縮機(jī)采用壓力控制機(jī)制，以便觀察壓縮機(jī)能夠在正常范圍內(nèi)工作。出水位置裝有溫度檢測(cè)裝置以便觀察水溫控制是否達(dá)到要求。2.2數(shù)據(jù)采集為研究地埋管換熱器的傳熱性能及其運(yùn)行規(guī)律，設(shè)置了一套測(cè)試系統(tǒng)，根據(jù)文獻(xiàn)234選取最短的測(cè)試時(shí)間為70小時(shí)。2.2.1

7、溫度測(cè)試溫度是直接反映埋管換熱器傳熱性能的重要參數(shù)，主要分為三部分，分別為地埋管壁溫測(cè)試、地埋管進(jìn)出口水溫測(cè)試。地埋管壁溫測(cè)試地源熱泵地埋管系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，共4口鉆井（編號(hào)58號(hào)）分別設(shè)有單U型管，在5號(hào)、6號(hào)、8號(hào)每個(gè)單U型管沿進(jìn)水支管壁的5個(gè)測(cè)點(diǎn)分別在埋深5m、10m、20m、30m、40m，在7號(hào)每個(gè)單U型管沿進(jìn)水支管壁的7個(gè)測(cè)點(diǎn)分別在埋深5m、10m、20m、30m、40m、50m、60m。其余的地埋管設(shè)有活動(dòng)測(cè)量管。地埋管進(jìn)出口水溫測(cè)試全部地埋管進(jìn)出口處均設(shè)有溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)量水溫。溫度測(cè)點(diǎn)布置的測(cè)溫元件為Pt100,輸入轉(zhuǎn)換采用多功能熱工數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由硬件傳感器接口箱和微

8、機(jī)操作軟件兩部分組成。2.2.2流量測(cè)試流量測(cè)試包括地下埋管側(cè)管路系統(tǒng)和用戶側(cè)管路系統(tǒng)中循環(huán)流體的測(cè)試。測(cè)試儀表為經(jīng)標(biāo)定的轉(zhuǎn)子流量計(jì)，1號(hào)鉆井的測(cè)量范圍1601600L/h,精度1.0級(jí)，被測(cè)介質(zhì)溫度范圍0120C,壓力三0.6MPa。其余的為1001000L/h,精度1.0級(jí)，被測(cè)介質(zhì)溫度范圍0120C，壓力三0.6MPa。3地埋管單位井深換熱量測(cè)試結(jié)果與分析影響地埋管單位井深換熱量的因素較多。但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于給定的建筑可以人為操控的因素主要表現(xiàn)在地埋管系統(tǒng)的幾何尺寸、管內(nèi)流體熱物性和流速、埋管類型等。限于篇幅，本文根據(jù)冬季的地源熱泵單位井深換熱量的測(cè)試結(jié)果主要討論地埋管進(jìn)水溫度、流

9、量和埋管類型對(duì)單位井深換熱量的影響，實(shí)驗(yàn)井選取為1號(hào)井、8號(hào)井、9號(hào)井、10號(hào)井，深度分別為60m、60m、80m、60m。31流量對(duì)單位井深換熱量的影響me量熱換深井位單時(shí)間（h）圖2不同流量下的單位井深換熱量實(shí)驗(yàn)中8號(hào)井的進(jìn)口水溫保持10C不變，在不同流量的工況下，單位井深換熱量的變化趨勢(shì)大體相同，隨流速的增大而增加，如圖2所示。在流量從800L/h變化到1000L/h，單位井深平均換熱量從48.6w/m增加到57.8w/m.,這主要是因?yàn)殡S著流速的增加，U形管中的湍流就會(huì)更強(qiáng)烈，管內(nèi)水和管壁的對(duì)流換熱系數(shù)也就會(huì)變大，最終導(dǎo)致?lián)Q熱量的增加。但相應(yīng)的地埋管出口水溫卻相應(yīng)的降低了0.2C,過度

10、增大地埋管內(nèi)流量將會(huì)導(dǎo)致地埋管出口水溫達(dá)不到熱泵機(jī)組的性能參數(shù)要求。而且隨著流速的不斷增大，水流經(jīng)U型管的壓力損失必然會(huì)增加，這最終增大了循環(huán)水泵的揚(yáng)程。因此地埋管換熱器設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇合適的流量。地埋管類型和管長(zhǎng)對(duì)單位井深換熱量的影響圖3為不同類型地埋管在保持進(jìn)口水溫10C、流量1000L/h不變的情況下對(duì)單位井深換熱量的影響?？梢钥闯?，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，換熱量的變化趨勢(shì)大體相同，但套管（9號(hào)井、10號(hào)井）和雙U型管（1號(hào)井）相應(yīng)的單位井深換熱量39.6W/m、39.9W/m、40.2W/m相對(duì)于單U型管（8號(hào)井）的33.6W/m要高出不少。這也受到此井在此之前已經(jīng)在保持進(jìn)口水溫8C條件下運(yùn)行了7

11、0小時(shí)導(dǎo)致單位井深換熱量的影響。其中9號(hào)井井深（80m）雖然大于10號(hào)井（60m），總井深換熱量也高于后者，但單位井深換熱量反而低于后者，這說明總井深換熱量并非是井深的線性關(guān)系，管井也并非越深換熱量就越大。因而實(shí)際工程設(shè)計(jì)當(dāng)中在既定的客觀條件下選擇合適的地埋管類型和深度，當(dāng)然也可能由此而提高埋管投資。45.0my量熱換深井位單42.540.037.535.032.530.00102030405060708090100時(shí)間（h）圖3不同地埋管類型的單位井深換熱量進(jìn)水溫度對(duì)單位井深換熱量的影響從圖2、圖3中可以看出，8號(hào)井在相同的實(shí)驗(yàn)條件下只將地埋管進(jìn)口水溫從8C提高到10C，單位井深的換熱量就有明顯的降低。還應(yīng)該看到的是，當(dāng)冬季水溫較低，雖然可以使換熱得到加強(qiáng)，減小換熱器的設(shè)計(jì)容量，但同時(shí)相應(yīng)的的熱泵主機(jī)換熱條件卻變得惡劣，熱泵機(jī)組的COP值會(huì)變低，甚至不能正常工作。這就需要在實(shí)際工程設(shè)計(jì)當(dāng)中根據(jù)熱泵機(jī)組的出口水溫設(shè)計(jì)合適的地埋管系統(tǒng)。4結(jié)語(yǔ)根據(jù)本文對(duì)地源熱泵系統(tǒng)換熱能力的冬季實(shí)驗(yàn)研究