地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析
摘要：试验研究了两种不同回填材料地埋管换热器的热响应性能、地源热泵运行对地源温度场的作用。热响应测试 发现回填材料黄沙+膨润土的传热能力优于水泥浆+膨润土,散热能力前者高于后者11%。对某地源热泵的运行测试 发现,在地下10m地埋管井壁处土壤最高温度出现在9月初、最低温度出现在3月初,随离井距离的增加,井外测点温度 出现最值的时间延后2~3个月。数据显示,一年后井外测点地下温度场有1.9~2.2K不等的温升,升高程度随离井距 离的增加而增加。本文对优化地源热泵设计、探讨地源热泵的可持续运行具有参考价值。
1·前言
地埋管地源热泵技术由于其节能和环保的特 点正受到越来越多的关注。然而地埋管地源热泵 的推广需要开展对地埋管换热器存在的一些应用 和理论问题的研究,其中包括选择合适回填材料、 热泵系统对地埋管区域土壤作用时的温度变化问 题等。比较理想的回填材料,不仅具有良好的护 壁作用,还能降低埋管井与周边土壤的热阻,提高 换热器管网对地下土壤的传热性能,减少地埋管 的工程和造价,同时还能改善热泵的运行参数,提高系统的节能潜力。在热泵系统运行期间,地下 土壤温度场的稳定性是关系到系统运行的可靠性 和可持续性的问题。对于夏热冬冷的华东地区, 地源热泵通过地埋管与地下土壤进行取热和散热 的双向传热作用,相对于单一制热的北方地区和 单一制冷的南方地区,华东地区为地源热泵提供 了理想的应用环境。但是,对于所有地埋管型地 源热泵来说,地下土壤温度场的稳定性问题仍然 是值得关注的大问题。热泵系统的冷热负荷对地 下的热作用很难自然取得平衡,需要调查地下温 度场的变化特性,以便制定优化的设计方案,确保系统长期稳定可靠的节能运行[1]。 目前国内对回填材料和地下土壤热平衡问题 的研究局限于计算机模拟或短期试验研究[2~4], 缺少可靠的试验测量数据。本文以夏热冬冷的华 东地区为对象,采用现场测试的方法,对比研究了 两种不同回填材料对地埋管换热器传热性能的影 响;在地源热泵地埋管区域的土壤中安装温度传 感器,根据对地源热泵运行期间地下温度场的数 据采集,分析了系统运行中埋管换热器周围不同 位置处土壤温度场的变化特性。
2·不同回填材料地埋管换热器的热响应测试
对地埋管换热器的热响应测试采用了专门设 计制造的试验台,如图1所示。该试验台包括测 试设备、控制设备、测量设备、数据采集系统等部 分。测试设备能够模拟夏天制冷工况和冬天制热 工况,制成所需要的冷水和热水,用于传热试验。 控制设备能够根据需要调节所需要的供水温度、 流量和压力。测量设备由传感器和仪表组成,用 于测量系统的温度、压力、流量等参数。控制设备 和测量设备均采用美国NI的FP模块,使用485 通信协议,实现模块与上位机之间的联系。数据 采集系统基于Labview软件平台,开发了自动化 数据采集、数据存储、安全控制的计算机程序,该 程序还具备远程控制和远程数据采集的功能。
为了提高测试精度,对传感器进行了校验。 温度传感器的校验在恒温水浴中进行,采用0.1K 刻度的试验室水银温度计作为标准值,在0~ 50℃的温度区间上,间隔3K,调节获得稳定的水 温后,开始读数,Labview校正程序每隔5s扫描一 次传感器的温度值,采用相邻6个扫描值的平均 值作为每个温度传感器的读数,同时记录水银温 度计的读数。在流量传感器的校正中,利用水桶和秒表,采用了称重法与体积测量法相结合,与电子流量计的读数相对照。根据校正的结果,对每 个传感器进行曲线拟合,保证试验结果分析的精度。
&n bsp; 选择黄沙+膨润土、水泥浆+膨润土作为两种对比测试的回填材料,采用DN25的HDPE管作为换热器管道,井口直径110mm,打井深度 60m,制成了1#和2#地埋管换热器,具体数据如表1所示。
热响应测试采用恒热流法,分别模拟热泵的 夏季制冷工况和冬季制热工况。夏季制冷工况 时,需要测量地埋管换热器向周边土壤的散热能 力,保持换热器HDPE的水流流量和热流流量稳 定,测试48h以上,保存所有传感器的测试数据; 采用类似方法,利用热泵制成需要的冷水,模拟冬 季供热工况,测试换热器从周边土壤的取热能力。 在测试中1#井和2#井首先同时进行散热能力的 热响应测试,经过48h的稳定测试后,获得的散热 试验的运行数据(表2);然后停止测试,让地下土 壤获得一个温度恢复的过程;待地下土壤温度场 基本恢复后,开展冬季取热的模拟测试,其48h稳 定运行后的数据如表2所示。
从表2可看出,无论对于夏季散热还是冬季取热,1#井与2#井在进水温度与流量均接近的情 况下,1#井的进出口温差比2#井大,因此1#井对周 边土壤的传热量大于2#井。比较同一个井夏季 工况与冬季工况的传热情况可以看出,在流量接 近的情况下,夏季的进出口温差大于冬季,这是因为夏季埋管中循环水与周围土壤的温差高于冬季。
根据实际测量的土壤原始温度、采集的地埋 管的48h温度曲线、热流量数据,采用热响应分析 的方法,依据线热源模型,可以回归出土壤的有效 导热系数,从而分别计算出各个换热器在出水温 度为35℃时的单位井深散热能力,同样的方法获 取各个换热器在5℃时的等效取热能力(如表3所示)。
从表3可以看到,进水温度35℃时,1#井埋管 单位井深的传热量比2#井埋管高11%。进水温 度为5℃时,1#井单位井深传热量比2#高井5%, 两种工况均表明1#井的传热效果优于2#井,表明 回填材料黄沙+膨润土的传热性能比水泥浆+膨 润土的好。
2#井埋管采用的PE管分隔夹具有减小热短 路、提高传热性能的功能。但是在本试验中2#井 埋管的传热能力反而低于没有支承的1#井埋管, 这主要是由回填材料造成的,这说明回填材料对 传热的影响比支承更显著。如果排除塑料夹的影 响,以黄沙+硼润土作为回填材料的传热性能比 采用对比回填材料的传热性能提高幅度会更大。
3·地埋管换热器周围土壤温度场的测试与分析
地源热泵的运行测试选在夏热冬冷的华东地区,建筑物同时具有供冷和供热两种需求,地源热泵常年运行,制冷运行150天左右、制热运行120天左右。
为了综合研究地下温度场的变化情况,在地埋管换热器安装的不同区域安装了一定数量的温度传感器(如图2),选取3个彼此不相邻地埋管换热器3#、4#和5#,井深30m,分别在井的内壁和井外埋设温度传感器,传感器埋深为10m,测点4 ~6在井内壁,测点1、2、3、7、8、9、10在井外,沿 井径向方向的距离依次相隔0.5m。
图3和图4为热泵运行期间相应测点的温度 采集,起点为4月底,终点为次年4月底,显示了 热泵运行一年期间各测点的温度变化曲线。 图3显示运行一年中测点2、3温度最大值出 现在10月初,测点1最大值出现在11月初。测点1~3的年温升分别为2.1℃、2.0℃、1.9℃,表 明3#井埋管的热影响已传递到井外1.5m以外的&n bsp;地方。
从图4可以看出,测点7、8温度最大值出现 在11月初,测点9、10温度最大值出现在12月 初。运行一年后,测点7~10的年温升分别为2. 1℃、2.1℃、2.2℃、2.2℃。表明5#井埋管的热影 响已传递到井外2.0m以外的地方,且距井外壁 越远,温升反而越大,温度出现最大值的时间向后 延迟。
在图2中所示的三个井内壁的温度测点4、 5、6处的土壤温度的变化曲线如图5所示,从图5 中曲线的变化趋势可以看出,3#井、4#井、5#井在供冷季与供热季土壤温度随时间的变化曲线的斜 率依次变大。表明管内流体温度对井内壁土壤温 度的影响依次更直接更迅速。可以看到,井内壁 处温度曲线峰值出现9月初,谷值出现在3月初, 表明此处土壤温度出现最值的时间与地表气温几 乎是同步的。与图3、图4曲线相比,提早了2~3 个月左右,说明同在换热器周围,距埋管换热器越 近,该处温度受管内流体热(冷)作用的影响越直 接。
4·结论
(1)回填材料黄沙+膨润土的传热性能优于水泥浆+膨润土。散热能力在进水温度35℃时前者比后者高11%左右,取热能力在进水温度5℃时高5%左右。采用黄沙+膨润土的井埋管还比采用水泥浆+膨润土的井埋管提供更大的进出口温差;
(2)换热井内壁处土壤温度曲线波峰出现在9月初,波谷在3月初,在井外,随着离井距离的 增加,温度曲线出现峰谷值的时间将向后延迟2~3个月。运行一年后,井埋管周围土壤温度升高,距离井埋管越远,温升幅度越大;
(3)地埋管换热器周围土壤温度场的偏移现象说明,该热泵对地埋管区域土壤的排热量大于取热量。对于夏热冬冷的华东地区来说,建筑物需要的制冷能量大于制热能量,加上压缩机、水泵、风机等设备的功耗,地源热泵对地下土壤的制 冷排热量要比制热取热量大一倍左右,如何采取 技术措施,实现地下土壤的热平衡,对确保地源热泵持续可靠运行来说非常重要。
参考文献
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