地源热泵地埋管热响应测试分析与应用
2011年09月12 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网
摘要：地源热泵地埋管热响应测试是研究土壤热物性参数及地埋管换热器性能最有效的方法之一。本文结合一个地源热泵测试工程实例研究了地源热泵热响应测试的测试步骤、测试方法和数据处理。通过对地埋管进出口水温、流量和加热功率的实时采集，分析研究了土壤的热物性以及地埋管热响应的放热和取热量。
1 引言 随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调己成为普遍的需求。在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25%～30%[1]，在我国，比例也在逐渐增大。地源热泵系统由于其高效、节能、环保的特性，近年来日益受到人们的重视和推广。地源热泵技术是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，同时在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。地下岩土的平均热物性参数是地源热泵地热换热器设计中的重要参数，如果物性参数不准确，则设计的系统可能不能满足负荷需要，也可能规模过大，从而大大增加初投资[2]。地埋管换热器的单位延伸的放热量和取热量是地源热泵系统最直接也是最重要的参数,以往的工程设计靠经验数据,由于地质条件的复杂性，常常会导致地源热泵运行过程中出现达负荷过低，不能满足要求。本文结合常熟某别墅地源热泵系统，介绍了热相应测试分析方法。 2 测试基本原理与装置介绍 整个测试装置分为制冷系统、电加热系统和数据采集系统三部分。制冷系统为一台LAW040H(S)/2热泵机组，制冷量为12.5kW，制热量为13.5kW。电加热器系统如图1所示，分为前置加热器和后置加热器，目的是在取热测试中，实现冷热补偿保持出口温度为一恒定的值，电热器的最大功率为6kW，并有可控硅调节，实现加热功率0-6kW的连续变化。在测试台的设计过程中，不针对某一具体的埋管形式，整个测试装置可以适应任意埋管深度（30-150m）和埋管形式（单、双U型，W型）的冷热负荷要求。并同时可以进行两口地热换热的对比测试。数据采集系统采用研华4015和4018＋模块采集温度和模拟信号，并通过组态软件读取数据，在实际的调用数据分析过程中可以调用大于1秒的任意间隔段的数据。测试系统还包括自主开发的VB数据分析软件，对测试的数据进行分析，通过曲线拟合和时间平均的方法得出土壤热物性和换热性能等重要参数。通过DDE（动态数据交换）连接，使VB软件和组态软件成为一个整体（图2），操作起来十分方便，同时节约了测试周期，在测试试验结束时即可得到地热换热器的相关参数。测试过程分三个阶段进行，分别为热物性测试，地热换热器放热性能测试和地热换热器取热性能测试。热物性测试过程中，使用电热器保持恒定的加热功率，加热流体通过旁通管，不需要热泵机组即可完成。地热换热器放热性能测试时，主要采用热泵机组来加热流体，辅助电加热器来保证埋管进出口温度为定值。取热测试过程比较复杂，为保证系统热量的平衡，需要同时启用前置、后置加热器来满足不同埋管冷负荷的要求。 3 测试地埋管工程应用 工程应用为常熟某别墅群地源热泵热响应测试。工程试验井为双U型地埋管换热器，换热器为南京菲时特HDPE100，公称外径为25 mm。井内埋管通过水平连接管道连接至试验台。连接管道用20 mm厚的橡树保温材料进行保温以减少连接管道和环境的热交换。计算埋管换热量时要将地表面上水平与垂直埋管的热交换扣除，相关测试数据如表1所示。 表1试验井埋管的施工和安装数据
| 试验选用的井埋管编号 | 2#井埋管 | |
| 垂直埋管段 | 埋管类型 | 双U管 |
| 管径 | DN25 | |
| 垂直深度 [m] | 58 | |
| 垂直管总长度[m] | 56 | |
| 回填材料 | 黄沙、泥浆、彭润土 | |
| 安装方法 | 自然下管 | |
| 井口直径 | 150mm | |
| PE 管 | 外径 [mm] | 25 |
| 内径 [mm] | 20.4 | |
| 连接管 | 连接管总长度[m] | 2.3 |
| 保温材料 | 橡树保温套, 厚度20mm |
4 土壤原始地温测试 土壤原始地温测试一般在钻孔、埋管、回填工程全部完工后3-5天进行，以消除施工对地温的影响。获得土壤原始地温的方法有二种，第一，测试装置在加热器突入运行前，使系统水泵启动循环20-30min，观察流体进出口温度的变化曲线，温度达到稳定时的出口温度即可认为是地下土壤的无干扰温度。第二种同时是在测试开始前，沿着冲满水的U型管顺入一根热电偶测定管内不同深度的水温，其平均值可以认为近似等于周围土壤的无干扰温度[3]。 本测试台采用第一种方法，在没有打开电加热器的条件下，启动水泵运行20min，每隔1min记录一次地埋管进出口水温。地埋管进口温度不断升高至与出口温度相等。如果水泵继续运行，会由于水泵的放热使进出口温度缓慢升高，则关闭水泵并将进出口温度相等时刻的温度近似等于地下无干扰地温。本工程测得土壤原始温度为19.2 oC。 5 土壤导热系数测定 土壤导热系数是地源热泵设计过程中最基本的也是最重要的参数，它直接和地源热泵系统的地埋管换热器的面积和参数有关。 在测试过程中,采用现场测试的方法,使测试工况和运行工况一致,并采用线热源模型方法[4]（Magensen 1983，Eskilson 1987，Hellstrom 1991）对测试数据进行分析。 (1) 式中，为平均温度（），为功率（W）， 为导热系数（W/m,K），为有效孔深（m），t 为测试持续的时间（s），为热量扩散率（ /s），为导热热阻[K/(W/m)] 为欧拉系数（0.5772），为孔的外径（m），为土壤的初始温度（）。 以上公式可简化为公式（2） ＝ k·ln(t)+m (2) 这里的k和m是定值， (3) (4) 由公式(4)可以得出k是导热系数的一个参数，如公式(6) (5) 根据测试数据，利用自主开发的软件可以得出加热状态下环路平均温度对应时间t变化的曲线图（图3），根据这个曲线图在软件中可以再得出对应ln(t)变化的曲线图以及曲线的斜率，这个斜率即为公式(3)中的k值。公式(4)中Q、H已知，而k值也已得出，故根据公式(5)可以带入数据算出导热系数。 图 3 地热换热器流体平均温度和拟合曲线的对比 导热系数系数的求取采用最小二乘法曲线拟合[5],拟合曲线的斜率k为2.276。加热功率取积分平均值5389 W, 代入求得导热系数。 ＝ 1.95 W/(m·o 6 地埋管换热器换热性能 地热换热器换热性能分析包括夏季的放热特性和冬季的取热特性两部分。放热测试是模拟夏天的运行工况，空调运行中把各房间抽取的热量通过地埋管排向地下土壤，因此，夏天地埋管换热器的功能犹如冷却塔[5]。根据空调运行时所对应的冷凝温度制取热水，通过循环泵驱动热水在埋设的PE管中以一定的速度流动，热水在流动过程中把热量散发到土壤中去。测试地埋管的传热量就是计算循环水的实际放热量。在本测试台中，通过可控硅调节加热器的加热量并通过调节流量，可控制在埋管的进出口水温在35℃和30℃。当然也可以控制在任意要求的范围内。取热测试是模拟冬天的热泵供热运行。取热测试是热泵机组制取对应蒸发温度的冷水，通过循环泵驱动冷水在埋设的PE管中以一定的速度流动计算循环水的取热量。
图4放热测试埋管流体进出口温度随时间的响应 图5 放热测试埋管液体流量随时间的变化 图6单位埋管长度平均换热量随时间的变化 图 7取热测试埋管流体进出口温度随时间的响应 图8 取热热测试埋管液体流量随时间的变化 图9放热测试埋管流体进出口温度随时间的响应 表2 地源热泵地埋管放热平衡计算
| 2＃地埋管换热器 | |
| 进水温度 [℃] | 34.97 |
| 回水温度 [℃] | 31.21 |
| 温差 [℃] | 3.76 |
| 流量 [m3/h] | 0.80 |
| 总传热量 [W] | 3509.33 |
| 水平放热量[W] | 6.56 |
| 竖直放热量[W] | 3502.77 |
| 埋管长度 [m] | 56 |
| 单位放热[W/m] | 62.55 |
表3 地源热泵地埋管取热平衡计算
| 2＃地埋管换热器 | |
| 进水温度[℃] | 7.44 |
| 回水温度[℃] | 11.58 |
| 温差 [℃] | 4.55 |
| 流 量 [m3/h] | 0.47 |
| 总传热量 [W] | 2270.78 |
| 水平取热量[W] | 12.3 |
| 竖直取热量[W] | 2258.48 |
| 埋管长度 | 56 |
| 单位取热[W/m] | 40.33 |
根据测试分析，该工程场地的地埋管换热器单位埋管长度的放热量为62.55W/m,取热量为40.33 W/m。 7 结论 分析研究了土壤的热物性以及地埋管热响应的放热和取热量，对常熟某别墅群工程的热响应测试，分析得到该地区的地下土壤平均导热系数为1.95 W/(m·o地埋管换热器单位埋管长度的放热量为62.55W/m,取热量为40.33 W/m。 参考文献 [1] 现代空调 3-空调热泵设计方法专辑[C] 殷平主编 中国建筑工业出版社,2001 [2] STEPHEN P, KAVANAUGH. Field tests for ground thermal properties methods and impact on ground-source heat pump design [J]. ASHRAE Transactions, 1992, 98(2):607-615. [3] 王书中,由世俊,张光平.热响应测试在土壤热交换器设计中的应用，太阳能学报，28（4）: 405-410, 2007. [4] Mogensen P. Fluid to duct wall heat transfer in duct system heat storages[A],Proc Int Conf On Subserface Heat Storage in Theory and Practice Stockholm[C],Sweden,1983,6-8:652-657. [5] 孙志忠 袁慰平 闻震初 数值分析(第二版) 东南大学出版社 [6] 张银安，李斌等.竖直U形地埋管换热器换热性能测试与分析, 暖通空调,37(7), 2007 [7] 于明志,彭晓峰,方肇洪,李晓东.基于线热源模型的地下岩土热物性测试方法 太阳能学报 第27卷3期，279-283, 2006. [8] 赵军,段征强,宋著坤,李丽梅 基于圆柱热源模型的现场测量地下岩土热物性方法太阳能学报第27卷9期:924-936, 2000.
