240地源熱泵地埋管單位井深換熱量測試與分析

1、地源熱泵地埋管單位井深換熱量測試與分析華中科技大學於仲義胡平放徐玉黨孫啟明袁旭東摘要：文章著眼于實際工程設計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，在不同地埋管進水溫度、流量和埋管類型條件下對單位井深換熱量進行了現(xiàn)場測試，并根據(jù)測試結(jié)果分析了地埋管進水溫度、流量和埋管類型對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水溫度和流量，地埋管單位井深換熱量有差別，一定進水溫度的地埋管換熱量試驗結(jié)果不具備普遍性，這對地埋管換熱器的設計提出了一定的改進建議。關鍵詞：地源熱泵地埋管換熱器換熱量實驗測試1引言地源熱泵系統(tǒng)中冷/熱源采用地埋管換熱器，這種地熱換熱器與工程中

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)，涉及時間跨度很長，空間區(qū)域很大，換熱特性對地源熱泵系統(tǒng)性能有決定性的作用，影響著地埋管換熱器設計是否合理，進而決定了地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性和運行的可靠性。對于實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的設計，其設計計算主要采用文獻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1。

3、由此可見，在換熱負荷一定的條件下U型地埋管長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，其熱物性的測量不能直接進行，主要是結(jié)合導熱反問題和參數(shù)估計法來確定。鑒于現(xiàn)場測量的困難和地埋管鉆井內(nèi)埋設的不確定性，這些參數(shù)的誤差均較大，從而最終影響地埋管長度的設計準確性。現(xiàn)對公式（1）、（2）進行變換可得：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為單位管長換熱量。如果能夠獲取單位管長換熱量，則可以設計計算地源熱泵系統(tǒng)地埋管的容量，確定熱泵機組參數(shù)以及選擇循環(huán)泵流量與揚程等。單位管長換熱量如果選擇偏大，必然導致埋管量偏小、埋管內(nèi)水的進出口溫度難以達到熱泵機組的參數(shù)要求，使得機組效率過低，熱泵的制冷、制熱量達不到建筑物需求，導致系統(tǒng)設計不滿足要求。反之，雖滿足要求但初投資過高，地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟性降低。由于單位管長換熱量不僅與地下土壤傳熱溫差有很大的關系，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，因而需要對實際地源熱泵工程進行現(xiàn)場測量，方可獲得較精確的設計參數(shù)。2實驗裝置簡介2.1實驗裝置組成實驗裝置于2006年11月

5、在華中科技大學建筑環(huán)境與設備綜合實驗中心建成，同年12月1日投入使用，已經(jīng)完成原始地溫測試、冬季供熱工況測試。該裝置實驗臺在測試運行期間，工況穩(wěn)定，運行正常。實驗系統(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)與冷熱源機組相連。地面T垂直地埋管TTTTM地埋管分水器土壤溫度測量點TT|令熱源圖1地源熱泵熱物性測試實驗裝置圖地埋管鉆井共11口，編號為111。其中14號井為雙U型地埋管，58號井內(nèi)設單U型地埋管，911號井為套管地埋管。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，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。為防止壓縮機損壞，設置時間繼電器控制壓縮機的啟動。當接通電源后，循環(huán)水泵首先啟動運行，在時間繼電器的控制下壓縮機延時啟動。壓縮機采用壓力控制機制，以便觀察壓縮機能夠在正常范圍內(nèi)工作。出水位置裝有溫度檢測裝置以便觀察水溫控制是否達到要求。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行規(guī)律，設置了一套測試系統(tǒng)，根據(jù)文獻234選取最短的測試時間為70小時。2.2.1

7、溫度測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試、地埋管進出口水溫測試。地埋管壁溫測試地源熱泵地埋管系統(tǒng)構(gòu)建時，共4口鉆井（編號58號）分別設有單U型管，在5號、6號、8號每個單U型管沿進水支管壁的5個測點分別在埋深5m、10m、20m、30m、40m，在7號每個單U型管沿進水支管壁的7個測點分別在埋深5m、10m、20m、30m、40m、50m、60m。其余的地埋管設有活動測量管。地埋管進出口水溫測試全部地埋管進出口處均設有溫度測點，測量水溫。溫度測點布置的測溫元件為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、機操作軟件兩部分組成。2.2.2流量測試流量測試包括地下埋管側(cè)管路系統(tǒng)和用戶側(cè)管路系統(tǒng)中循環(huán)流體的測試。測試儀表為經(jīng)標定的轉(zhuǎn)子流量計，1號鉆井的測量范圍1601600L/h,精度1.0級，被測介質(zhì)溫度范圍0120C,壓力三0.6MPa。其余的為1001000L/h,精度1.0級，被測介質(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。但在實際工程設計中，對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試結(jié)果主要討論地埋管進水溫度、流

9、量和埋管類型對單位井深換熱量的影響，實驗井選取為1號井、8號井、9號井、10號井，深度分別為60m、60m、80m、60m。31流量對單位井深換熱量的影響me量熱換深井位單時間（h）圖2不同流量下的單位井深換熱量實驗中8號井的進口水溫保持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.,這主要是因為隨著流速的增加，U形管中的湍流就會更強烈，管內(nèi)水和管壁的對流換熱系數(shù)也就會變大，最終導致?lián)Q熱量的增加。但相應的地埋管出口水溫卻相應的降低了0.2C,過度

10、增大地埋管內(nèi)流量將會導致地埋管出口水溫達不到熱泵機組的性能參數(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增加，這最終增大了循環(huán)水泵的揚程。因此地埋管換熱器設計中應選擇合適的流量。地埋管類型和管長對單位井深換熱量的影響圖3為不同類型地埋管在保持進口水溫10C、流量1000L/h不變的情況下對單位井深換熱量的影響?？梢钥闯觯S著實驗的進行，換熱量的變化趨勢大體相同，但套管（9號井、10號井）和雙U型管（1號井）相應的單位井深換熱量39.6W/m、39.9W/m、40.2W/m相對于單U型管（8號井）的33.6W/m要高出不少。這也受到此井在此之前已經(jīng)在保持進口水溫8C條件下運行了7

11、0小時導致單位井深換熱量的影響。其中9號井井深（80m）雖然大于10號井（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系，管井也并非越深換熱量就越大。因而實際工程設計當中在既定的客觀條件下選擇合適的地埋管類型和深度，當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時間（h）圖3不同地埋管類型的單位井深換熱量進水溫度對單位井深換熱量的影響從圖2、圖3中可以看出，8號井在相同的實驗條件下只將地埋管進口水溫從8C提高到10C，單位井深的換熱量就有明顯的降低。還應該看到的是，當冬季水溫較低，雖然可以使換熱得到加強，減小換熱器的設計容量，但同時相應的的熱泵主機換熱條件卻變得惡劣，熱泵機組的COP值會變低，甚至不能正常工作。這就需要在實際工程設計當中根據(jù)熱泵機組的出口水溫設計合適的地埋管系統(tǒng)。4結(jié)語根據(jù)本文對地源熱泵系統(tǒng)換熱能力的冬季實驗研究