不同埋深换热器地源热泵冬季供暖实验研究
摘要：利用在上海松江区所建设的不同埋深竖管换热器(30 m,60 m,90 m)土壤源热泵实验装置,进行了冬季工况实验.测得热泵运行前后地下埋管周围土壤的温度分布,测试了热泵运行时室外换热器的换热情况,得到了单位井深换热量这一关键参数.90 m埋深换热器运行时,单位井深换热量平均为57.2 W/m;60 m埋深单U型埋管换热器运行时,单位井深换热量平均为55.7 W/m,60 m埋深双U型埋管换热器运行时,单位井深换热量平均为65.7 W/m.
与目前我国南方地区广泛采用的空气源热泵相比,土壤源热泵是一种节能、环保、高效利用可再生能源的空调新技术[1].垂直U型埋管换热器由于其占地面积少、恒温效果好、换热效率高、维护费用低等优势,目前已成为应用最广泛的一种埋管方式.本文主要对60 m和90 m埋深垂直U型埋管换热器的冬季运行工况供暖性能和热泵运行前后地下埋管周围土壤的温度分布进行测试和分析,为土壤源热泵的应用推广提供参考.
1土壤源热泵实验系统
实验系统主要由垂直U型地埋管换热器、水-水热泵机组、变频水泵、各种类型采暖空调末端设备、数据采集系统、参数测量系统等组成.末端设备包括风机盘管、地板采暖以及毛细管辐射板、新风机组等.各末端装置都以地源热泵机组提供的冷水或热水为冷热源,进行制冷和供暖的性能实验.土壤源热泵实验系统示意图如图1,系统热泵机组采用Mammoth的型号为MSR-J052WHD水-水式水源热泵机组,制冷量12.6 kW,制热量16.5 kW;源侧循环水泵和负荷侧循环水泵均采用变频水泵.
为得到不同埋深处土壤温度等数据,确定U型垂直埋管地热换热器的影响因素(包括埋深与换热的关系、流速与换热的关系等),本实验系统采用了30 m,60 m和90 m三种埋深垂直U型地埋管换热器.其中两组30 m地埋管通过阀门变换实现并联和串联两种方式,每隔5 m布置K型热电偶.60 m采用四组单U和一组双U两种形式的地埋管;每隔15 m布置K型热电偶.三组90 m地埋管采用并联形式,每隔15 m布置K型热电偶.钻井位于紧邻建筑物的草坪下,钻孔直径为110 mm,井之间的距离为4 500 mm,井位平面布置图见图2.U型地埋管换热器管材为高强度聚乙烯PE管.
2土壤源热泵冬季工况的实验研究
土壤源热泵系统冬季工况实验开始于2009年1月,具体时间和内容见表1.
2·1土壤源热泵运行前土壤温度分布
2009年1月9日对垂直U埋管换热器进行了土壤初始温度的测定,当天室外最高气温3℃,最低气温-3℃.由于冬季存在一定的土壤蓄冷,地下浅层某一未知深度的土壤温度达到最低点,超过该深度后,地温变化处于递增过程[2].90米埋深3号井不同深度土壤温度测试结果如图3所示.
从图3可以看出,由于冬季存在一定的土壤蓄冷,地下15 m处的土壤温度较低;超过这一浅层深度,地温随深度的增加处于递增过程.至地下60 m处土壤温度达到最高,平均为19.1℃.随后,地下75 m、90 m处的土壤平均温度有所下降,至地下90m处土壤温度达到最低,平均为13.8℃,判断地下60 m附近
开始出现渗流.
2·2土壤源热泵运行不同埋深土壤逐时温度测试冬季工况运行90 m井不同深度下土壤温度分布测试于2009年2月16号至2月20号,热泵机组连续运行120 h,期间室外最高气温9℃,最低气温5℃.90 m埋深3号井热泵运行时土壤逐时温度分布见图4.
60 m井不同埋深土壤温度分布测试于2009年2月21号至2009年2月26号,其中单双U全开测试于2009年2月21号13∶55至23∶05,期间室外最高气温12℃,最低气温3℃.60米埋深2,3号井热泵运行时土壤逐时温度分布见图5和图6.2号井为单U埋管换热器,3号井为双U埋管换热器.从图4和图5可以看出,随着土壤源热泵系统的连续运行,单U埋管井内土壤温度逐步下降,导致地下埋管与土壤的换热量减小.为提高地下埋管换热量和热泵机组的性能系数,在实际工程中应采用间歇运行模式或将地下埋管分组采取交替运行的措施来让土壤温度获得一定的回升.从图5还可以看出,热泵机组运行300 min后,地下埋管周围土壤温度下降趋势明显减小,地下埋管与周围土壤之间的不稳定换热开始进入“准稳态阶段”[3].
从图6可以看出,随着土壤源热泵系统的连续运行,双U埋管井内土壤温度下降程度相比单U埋管要小,从而使双U埋管与土壤的换热量减小程度也小.本次实验所得双U埋管单位孔深平均换热量大于单U埋管单位孔深平均换热量验证了这一现象.
2·3不同埋深和埋管方式下单位孔深换热量的测试
图7为90 m井运行时单位孔深换热量的测试结果,90 m井运行时单位孔深换热量为57.2 W/m.图8为60 m(双U)井运行时单位孔深换热量的测试结果,60 m(双U)井运行时单位孔深换热量为为65.72 W/m.图9为60 m(单U)井运行时单位孔深换热量的测试结果,60 m(单U)井运行时单位孔深换热量为55.7W/m.显然,双U埋管比单U高了10.02 W/m.证实了埋设双U型埋管换热器有效地减少了钻孔内热阻,使单位长度U型埋管的热交换能力明显提高.
2·4土壤源热泵停止运行后土壤温度分布
土壤温度还原特性测试于2009年2月27号14∶18至3月3号14∶18,分别对60 m和90 m井做了土壤还原特性测试.图10~13分别是热泵停机一天、两天、三天和四天不同深度土壤温度恢复特性图.分析图10可得出:在0~60 min之间土壤温度以平均0.041℃/min的斜率直线上升;分析图11可得出:在0~60min之间,温度以平均0.024℃/min的斜率上升,之后温度上升减慢且趋于平缓,而且各个深度的土壤温度回升趋势相同.
热
泵停止运行两天后,土壤的温度上升已经开始趋缓.第三天土壤温度以平均0.012℃/min(60m)的斜率直线上升;第四天土壤温度以平均0.009℃/min(60 m)的斜率直线上升;而且各个深度的土壤温度回升趋势也几乎相同,按照之前测得的土壤初始温度可以推论,土壤温度恢复到初始值要15天左右.
3结论
1)土壤初始温度测试结果表明,由于冬季存在一定的土壤蓄冷,地下15 m处的土壤温度较低.超过这一浅层深度,地温随深度的增加处于递增过程.至地下60 m处土壤温度达到最高,平均为19.1℃.随后,地下75 m,90 m处的土壤平均温度有所下降,至地下90 m处土壤温度达到最低,平均为13.8℃,判断地下60 m附近开始出现渗流.
2)热泵停止运行三天后,土壤的温度上升已经非常缓慢,而且各个深度的土壤温度回升趋势也几乎相同,按照之前测得的土壤初始温度值判断,土壤温度要恢复到初始值大概要15天以上的时间.
3)通过不同埋深和埋管方式下单位孔深换热量的测试,可以得到:换热器埋深越深,钻井单位孔深换热量越大;双U埋管方式比单U埋管方式钻井单位孔深换热量大,本次测试平均大10.02 W/m,证实了埋设双U型管,有效地减少了钻孔内热阻,使埋管的热交换能力明显提高.
参考文献：略
