地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場(chǎng)的測(cè)試分析

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 1　前言

地埋管地源熱泵技術(shù)由于其節(jié)能和環(huán)保的特點(diǎn)正受到越來越多的關(guān)注.然而地埋管地源熱泵的推廣需要開展對(duì)地埋管換熱器存在的一些應(yīng)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(duì)地埋管區(qū)域土壤作用時(shí)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(hù)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(duì)地下土壤的傳熱性能,減少地埋管的工程和造價(jià),同時(shí)還能改善熱泵的運(yùn)行參數(shù),提高系統(tǒng)的節(jié)能潛力.在熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期間,地下土壤溫度場(chǎng)的穩(wěn)定性是關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和可持續(xù)性的問題.對(duì)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(jìn)行取熱和散熱的雙向傳熱作用,相對(duì)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(yīng)用環(huán)境.但是,對(duì)于所有地埋管型地源熱泵來說,地下土壤溫度場(chǎng)的穩(wěn)定性問題仍然是值得關(guān)注的大問題.熱泵系統(tǒng)的冷熱負(fù)荷對(duì)地下的熱作用很難自然取得平衡,需要調(diào)查地下溫度場(chǎng)的變化特性,以便制定優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案,確保系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的節(jié)能運(yùn)行[1].目前國(guó)內(nèi)對(duì)回填材料和地下土壤熱平衡問題的研究局限于計(jì)算機(jī)模擬或短期試驗(yàn)研究[2~4], 缺少可靠的試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù).本文以夏熱冬冷的華東地區(qū)為對(duì)象,采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法,對(duì)比研究了 兩種不同回填材料對(duì)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(duì)地源熱泵運(yùn)行期間地下溫度場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集,分析了系統(tǒng)運(yùn)行中埋管換熱器周圍不同 位置處土壤溫度場(chǎng)的變化特性.

2　不同回填材料地埋管換熱器的熱響應(yīng)測(cè)試

對(duì)地埋管換熱器的熱響應(yīng)測(cè)試采用了專門設(shè) 計(jì)制造的試驗(yàn)臺(tái),如圖1所示.該試驗(yàn)臺(tái)包括測(cè) 試設(shè)備、控制設(shè)備、測(cè)量設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部 分.測(cè)試設(shè)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(yàn). 控制設(shè)備能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)所需要的供水溫度、 流量和壓力.測(cè)量設(shè)備由傳感器和儀表組成,用 于測(cè)量系統(tǒng)的溫度、壓力、流量等參數(shù).控制設(shè)備 和測(cè)量設(shè)備均采用美國(guó)NI的FP模塊,使用485 通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)模塊與上位機(jī)之間的.數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)基于Labview軟件平臺(tái),開發(fā)了自動(dòng)化 數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、安全控制的計(jì)算機(jī)程序,該 程序還具備遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的功能.

為了提高測(cè)試精度,對(duì)傳感器進(jìn)行了校驗(yàn). 溫度傳感器的校驗(yàn)在恒溫水浴中進(jìn)行,采用0.1K 刻度的試驗(yàn)室水銀溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)值,在0~ 50℃的溫度區(qū)間上,間隔3K,調(diào)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(gè)掃描值的平均 值作為每個(gè)溫度傳感器的讀數(shù),同時(shí)記錄水銀溫度計(jì)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(cè)量法相結(jié)合,與電子流量計(jì)的讀數(shù)相對(duì)照.根據(jù)校正的結(jié)果,對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行曲線擬合,保證試驗(yàn)結(jié)果分析的精度.

選擇黃沙+膨潤(rùn)土、水泥漿+膨潤(rùn)土作為兩 種對(duì)比測(cè)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(yīng)測(cè)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(shí),需要測(cè)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(cè)試48h以上,保存所有傳感器的測(cè)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(cè)試換熱器從周邊土壤的取熱能力.在測(cè)試中1#井和2#井首先同時(shí)進(jìn)行散熱能力的熱響應(yīng)測(cè)試,經(jīng)過48h的穩(wěn)定測(cè)試后,獲得的散熱試驗(yàn)的運(yùn)行數(shù)據(jù);然后停止測(cè)試,讓地下土壤獲得一個(gè)溫度恢復(fù)的過程;待地下土壤溫度場(chǎng)基本恢復(fù)后,開展冬季取熱的模擬測(cè)試.

無論對(duì)于夏季散熱還是冬季取熱,1#井與2#井在進(jìn)水溫度與流量均接近的情況下,1#井的進(jìn)出口溫差比2#井大,因此1#井對(duì)周邊土壤的傳熱量大于2#井.比較同一個(gè)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(jìn)出口溫差大于冬季,這是因?yàn)橄募韭窆苤醒h(huán)水與周圍土壤的溫差高于冬季.

根據(jù)實(shí)際測(cè)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(yīng)分析的方法,依據(jù)線熱源模型,可以回歸出土壤的有效導(dǎo)熱系數(shù),從而分別計(jì)算出各個(gè)換熱器在出水溫度為35℃時(shí)的單位井深散熱能力,同樣的方法獲取各個(gè)換熱器在5℃時(shí)的等效取熱能力.

進(jìn)水溫度35℃時(shí),1#井埋管單位井深的傳熱量比2#井埋管高11%.進(jìn)水溫度為5℃時(shí),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(rùn)土的傳熱性能比水泥漿+膨潤(rùn)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(yàn)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(duì)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(rùn)土作為回填材料的傳熱性能比采用對(duì)比回填材料的傳熱性能提高幅度會(huì)更大.

3　地埋管換熱器周圍土壤溫度場(chǎng)的測(cè)試與分析

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

為了綜合研究地下溫度場(chǎng)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(gè)彼此不相鄰地埋管換熱器3#、4#和5#,井深30m,分別在井的內(nèi)壁和井外埋設(shè)溫度傳感器,傳感器埋深為10m,測(cè)點(diǎn)4 ~6在井內(nèi)壁,測(cè)點(diǎn)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(jié)論

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

(2)換熱井內(nèi)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(shí)間將向后延遲2~3個(gè)月.運(yùn)行一年后,井埋管周圍土壤溫度升高,距離井埋管越遠(yuǎn),溫升幅度越大;

(3)地埋管換熱器周圍土壤溫度場(chǎng)的偏移現(xiàn)象說明,該熱泵對(duì)地埋管區(qū)域土壤的排熱量大于取熱量.對(duì)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(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的功耗,地源熱泵對(duì)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(shù)措施,實(shí)現(xiàn)地下土壤的熱平衡,對(duì)確保地源熱泵持續(xù)可靠運(yùn)行來說非常重要.

參考文獻(xiàn)

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