土壤源熱泵地埋管運行工況對單位井深換熱量的影響

土壤源熱泵地埋管運行工況對單位井深換熱量的影響

在設(shè)計土壤源熱泵系統(tǒng)時，地埋地?zé)岜玫膫鳠岱治鲋饕谴_保土壤源熱泵在整個生命周期中的循環(huán)介質(zhì)溫度在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)。設(shè)計師應(yīng)根據(jù)這一目標選擇埋地?zé)岜玫呐渲眯问?，并確定埋地的總長度。由于地下傳熱的復(fù)雜性,很難精確建立埋設(shè)于土壤中的地埋管傳熱模型,使地埋管的設(shè)計長度過大或過小,相應(yīng)地增加土壤源熱泵項目的初始投資或降低熱泵主機的運行性能,不利于土壤源熱泵技術(shù)的推廣應(yīng)用。目前,較普遍的工程設(shè)計方法是根據(jù)單位井深換熱量以及熱泵主機的運行參數(shù)要求設(shè)計地埋管換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸,而在一定的進口溫度條件下地埋管換熱器單位長度換熱量主要取決于周圍土壤的導(dǎo)熱系數(shù)。如果土壤導(dǎo)熱系數(shù)有10%的偏差,根據(jù)單位長度換熱量設(shè)計出的鉆井深度就會變化約5%。更重要的是,不同地域的土壤成分有很大差別,而且其含水量也一直在變化,即使在同一地理位置,整個井是由不同質(zhì)地的巖土層組成,依據(jù)土壤樣品類型查取或探針法測量一般很難獲得詳細的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和土壤熱物性資料。根據(jù)有關(guān)理論求取單位長度換熱量的準確性與所確定的土壤熱物性的精度相關(guān),而且也存在著計算模型自身簡化所產(chǎn)生的誤差,使得土壤源熱泵技術(shù)本有的優(yōu)點因地埋管換熱器的設(shè)計失誤而很難體現(xiàn)。這種測量上的困難和不確定性需要對土壤源熱泵地埋管換熱過程進行現(xiàn)場測試以獲得可靠設(shè)計所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文利用實驗室的土壤源熱泵系統(tǒng)實驗平臺現(xiàn)場測試地埋管換熱器的傳熱性能,分析在不同鉆井及埋管結(jié)構(gòu)和運行條件下地埋管單位井深換熱的變化規(guī)律,為土壤源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)指導(dǎo)。1單位井深換熱量根據(jù)實際工程中較普遍使用的垂直U型地埋管換熱器建立土壤源熱泵系統(tǒng)實驗臺架,用于土壤源熱泵運行時整個系統(tǒng)性能和獨立地埋管換熱性能試驗。整套實驗裝置和測試系統(tǒng)詳細情況參閱文獻。冷熱源中的較高溫度(夏季)或較低溫度(冬季)的循環(huán)水,在循環(huán)水泵驅(qū)動下流至U型地埋管中,沿程與周圍土壤進行熱量傳遞后又回到冷熱源裝置中,實現(xiàn)地埋管與土壤之間的傳熱,根據(jù)地埋管進出口水溫差以及水流量可分析地埋管的換熱能力。單位井深換熱量指的是每單位鉆井深度下地埋管換熱器中流體與周圍土壤交換的熱量,可用來衡量地埋管在熱量傳遞過程中換熱能力的高低,是地埋管換熱器設(shè)計中最重要的數(shù)據(jù),它是確定地?zé)釗Q熱器容量、熱泵參數(shù),選擇循環(huán)泵流量與揚程、計算地埋管數(shù)量與尺寸等的依據(jù)。單位井深換熱量估算偏大,必然導(dǎo)致埋管量偏小、循環(huán)液進出口溫度難以達到熱泵的要求,結(jié)果導(dǎo)致熱泵實際的制熱、制冷量遠低于其額定值,使系統(tǒng)達不到設(shè)計要求。單位井深換熱量指標可按下式計算:式中,qH為單位井深換熱量,W/m;G為水流量,kg/s;cp為流體比熱,J/(kg·℃);tin為流進地埋管的水溫,℃;tout為流出地埋管的水溫,℃;H為鉆井深度,m。2導(dǎo)熱能力變化對地埋管傳熱性能的影響影響地埋管單位井深換熱量的因素較多,但對于處在一定地域范圍內(nèi)的土壤源熱泵工程,土壤地質(zhì)條件已確定,導(dǎo)熱能力變化相對較小,對地埋管換熱能力的影響可忽略。本文在不同的鉆井和埋管結(jié)構(gòu)中利用實驗裝置及測試系統(tǒng)運行不同地埋管進水溫度、進水流速等數(shù)種工況,根據(jù)土壤源熱泵地埋管實際運行的測試結(jié)果討論地埋管進水溫度、流量、埋管類型及深度對單位井深換熱量的影響,為進一步研究土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計獲得相關(guān)的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。2.1對地埋管運行狀態(tài)影響武漢地區(qū)位于長江中下游平原,屬于夏熱冬冷建筑氣候。土壤源熱泵系統(tǒng)根據(jù)需求可在供熱、制冷兩種模式下運行,分別對應(yīng)不同地埋管進水溫度,地埋管換熱能力表現(xiàn)出各自的特性。圖1和圖2為不同進水溫度條件下地埋管單位井深換熱量隨時間變化的情況。夏季實驗過程中地埋管進水溫度分別控制在(35±0.5)℃和(30±0.5)℃范圍內(nèi),管內(nèi)流速為0.628m/s(管內(nèi)流量為1200L/h);冬季實驗過程總地埋管進水溫度控制在(10±1)℃和(8±1)℃范圍內(nèi),管內(nèi)流速為0.418m/s(管內(nèi)流量為800L/h)。實驗中土壤初始溫度均接近于17℃,鉆井深度為40m,埋設(shè)單U型管。從圖1和圖2可以看出,地埋管單位井深換熱量隨著運行時間的增加而變化,起始階段迅速降低,后逐步減少直至相對穩(wěn)定,但無論冬季降低或夏季增大地埋管進水溫度均可有效地增強地埋管的換熱能力。對于同一個鉆井深度的地埋管換熱器,夏季工況中將地埋管進水溫度從30℃提高到35℃時,地埋管換熱能力變化趨于平緩時單位井深換熱量從44.6W/m上升到52.3W/m,增加了17.3%;冬季工況中將地埋管進水溫度從10℃降低到8℃時,地埋管換熱能力變化趨于平緩時單位井深換熱量從34.8W/m上升到40.5W/m,增加了16.4%。但是,當?shù)芈窆苓M水溫度供熱工況時較低或制冷工況時較高,雖然可以使換熱加強,減小換熱器的設(shè)計容量,但同時相應(yīng)的熱泵主機換熱條件變得惡劣,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(shè)計中根據(jù)熱泵機組的出口水溫設(shè)計合適的地埋管系統(tǒng)。2.2下二維地埋管出口流量和管道無排放量,單地埋管換熱器管內(nèi)流速(對應(yīng)一定的流量)較普遍的設(shè)計做法是根據(jù)熱泵主機需要的埋管系統(tǒng)的總流量分攤到每個的地埋管上,一般保證管內(nèi)流體流動時處于湍流狀態(tài)。由于空調(diào)區(qū)域的負荷受室外氣候影響是動態(tài)變化的,采用變頻技術(shù)的熱泵主機在運行過程中根據(jù)負荷的需要有規(guī)律地調(diào)整地埋管內(nèi)的流體流量,流量的不同也會促使地埋管換熱器有不同的換熱特性。圖3和圖4為不同進口流量地埋管單位井深換熱量隨時間變化的情況。夏季地埋管進水溫度控制在(38±0.5)℃范圍內(nèi),管內(nèi)流量分別為1200L/h和1600L/h。冬季地埋管進水溫度控制在(8±1)℃范圍內(nèi),管內(nèi)流量為800L/h和1000L/h。實驗中土壤初始溫度均接近17℃,鉆井深度為40m,埋設(shè)單U型管。從圖3和圖4可以看出,地埋管單位井深換熱量隨著運行時間的增加逐步減小最后趨于穩(wěn)定,但無論冬季或夏季增大地埋管進口流量均只能相對地增強地埋管的換熱能力。對于同一個鉆井深度的地埋管換熱器,夏季工況中將地埋管進口流量從1200L/h提高到1600L/h時,地埋管換熱能力變化趨于平緩時單位井深換熱量從54.9W/m上升到57.7W/m,只增加了5.1%;冬季工況中將地埋管進水流量從800L/h提高到1000L/h時,地埋管換熱能力變化趨于平緩時單位井深換熱量從35.1W/m上升到37.6W/m,只增加了7.1%,可見提高夏季或冬季進水流量只能有限提高地埋管的排熱或取熱能力。這主要是因為隨著流量的增加,U形管中的湍流更強烈,管內(nèi)水和管壁的對流換熱系數(shù)變大,增加了地埋管換熱量,但換熱穩(wěn)定后相應(yīng)的地埋管出口水溫卻降低了(夏季工況為0.5℃,冬季工況為0.2℃),過度增大地埋管內(nèi)流量會導(dǎo)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形管的壓力損失增加,最終增大了循環(huán)水泵的揚程。因此地埋管換熱器設(shè)計中應(yīng)選擇合適的流量。2.3運行情況土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管埋深度主要是取決于工程現(xiàn)場的地質(zhì)狀況和當?shù)氐慕?jīng)濟費用而定,根據(jù)兩者取用最佳的鉆井長度。圖5和圖6表示不同鉆井深度條件地埋管單位井深隨時間變化的情況。夏季地埋管進水溫度控制在(35±0.5)℃范圍內(nèi),管內(nèi)流速為0.628m/s(流量為1200L/h)。冬季地埋管進水溫度控制在(8±1)℃范圍內(nèi),管內(nèi)流速為0.418m/s(流量為800L/h)。實驗中土壤初始溫度均接近于17℃,埋設(shè)單U型管。從圖5和圖6可以看出,地埋管單位井深換熱量隨著運行時間的增加整體趨勢是逐漸減小,只是開始階段變化較快,之后逐步趨于穩(wěn)定,但無論冬季或夏季增大鉆井深度均只能相對地增強地埋管的換熱能力。對于同樣的運行條件下,鉆井深度從40m加大到60m,夏季工況地埋管換熱能力變化趨于平緩時單位井深換熱量從52.3W/m上升到56.5W/m,只增加了8.1%;冬季工況中從35.2W/m上升到38.8W/m,增加了10.2%,可見加大鉆井深度只能有限提高地埋管的排熱或取熱能力。這主要是因為地埋管的單位深度換熱量是由單U型管總換熱量與鉆井深度共同決定的。隨著鉆井深度的增加,地埋管內(nèi)流體的出口溫度降低,從而增加地埋管總的換熱量,但對單位井深而言,增加幅度不大。由于地埋管內(nèi)流體與土壤之間的溫差是熱量傳遞過程的動力,而U型埋管中流體溫度是沿程降低的,當鉆井深度加大時,地埋管換熱能力將增加緩慢。如果地埋管總的換熱量增加幅度不如鉆井深度時,單位井深換熱量反而降低,使得鉆井費用急劇上升,因而實際工程中應(yīng)在保障熱泵主機高效運行的前提下選擇既經(jīng)濟又有效的鉆井深度。2.4不同類型埋管換熱器運行規(guī)律土壤源熱泵設(shè)計中常針對工程的現(xiàn)場情況選擇不同類型的地埋管。垂直地埋管因具有節(jié)地、效率高及性能穩(wěn)定等優(yōu)點而成為當前土壤源熱泵地下?lián)Q熱器的主流形式,主要有單U型地埋管、雙U型地埋管、套管等類型。在土壤源熱泵實際運行中,不同類型的地埋管表現(xiàn)出不同的換熱能力。圖7和圖8為不同埋管類型地埋管單位井深隨時間變化的情況。夏季地埋管進水溫度控制在(35±0.5)℃范圍內(nèi),管內(nèi)流速為0.628m/s(流量為1200L/h)。冬季地埋管進水溫度控制在(10±1)℃的范圍內(nèi),管內(nèi)流速為0.418m/s(流量為800L/h)。實驗中土壤初始溫度均接近17℃,鉆井深度為60m。從圖7和圖8可知,單位井深換熱量在持續(xù)運行條件下逐步降低直至相對穩(wěn)定。對于相同的地埋管流量、進口溫度以及同一鉆井深度條件下,以制冷模式運行時,單U型、雙U型、套管三者類型的地埋管換熱能力變化趨于平緩時單位井深換熱量分別為56.5W/m,68.2W/m,67.1W/m,后兩者的換熱能力相差不大,但分別高于單U型管20.7%和15.8%;以供熱模式運行時,單U型、雙U型、套管三者類型的地埋管換熱能力變化趨于平緩時單位井深換熱量分別為33.6W/m,43.2W/m,42.7W/m,后兩者的換熱能力也相差不大,但分別高于單U型管28.6%和27.1%,可見,采用不同類型的埋管換熱器可以一定程度的提高地埋管的換熱能力。當然,實際工程中地埋管類型的選取應(yīng)根據(jù)工程情況,比如可利用土地面積、鉆井技術(shù)等選擇經(jīng)濟高效的地埋管換熱器形式。2.5配套運行模式下的地埋管傳熱模型在實際狀態(tài)中,由于室外氣象參數(shù)和室內(nèi)條件的變化,室內(nèi)空調(diào)負荷發(fā)生變化,導(dǎo)致熱泵主機的啟停以及運行狀態(tài)不同,即土壤源熱泵的運行是變工況狀態(tài)下運行的,在這種條件下,土壤源熱泵地埋管換熱器換熱負荷也是動態(tài)的,表現(xiàn)出不同的運行方式。在間歇運行方式下,地埋管換熱器周圍土壤有一定時間的恢復(fù)期,其傳熱特性較長期連續(xù)運行有其自身的特點,地埋管換熱性能也不同。圖9為不同運行方式地埋管單位井深換熱量隨時間變化的情況。實驗過程中以間隙運行工況先運行72h,地埋管進水溫度控制在(35±0.5)℃范圍內(nèi),接著停止運行72h,再繼續(xù)運行72h,此時地埋管進水溫度控制在(30±0.5)℃范圍內(nèi)。連續(xù)運行工況流體流動前72h,地埋管進水溫度控制在(35±0.5℃)范圍內(nèi),后72h運行中地埋管進水溫度控制在(30±0.5)℃范圍內(nèi)。運行時管內(nèi)流速均為0.628m/s(流量為1200L/h),土壤初始溫度均為17℃,鉆井深度為40m,埋設(shè)單U型管。從圖9可以看出,在不同運行方式下地埋管換熱器單位井深換熱量隨時間變化逐漸變小。在初始階段,兩種運行方式下的地埋管進水溫度、流量相同,單位井深換熱量變化一致。運行72h后,分成兩種方式進行,一種是連續(xù)運行,但進水溫度從35℃改變?yōu)?0℃,地埋管內(nèi)流體繼續(xù)與周圍土壤換熱;另一種是間隙運行,地埋管內(nèi)流體停止運行72h,埋管內(nèi)流體溫度依靠與周圍土壤導(dǎo)熱來排熱,而周圍則在此段時間內(nèi)與其鄰近的土壤進行熱交換,以減小管內(nèi)流體流動時地埋管排出的大量堆積熱量,降低埋管周圍土壤自身溫度,以利于下一個72h的換熱。對于相同的地埋管流量、同一鉆井深度,兩種運行方式下地埋管換熱能力趨于平緩時單位井深換熱量分別為54.8W/m和40.9W/m,間歇運行高于連續(xù)運行33.9%,可見,采用間歇運行模式可以有效地提高地埋管的換熱能力。在土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計中,可采用土壤源混合式熱泵系統(tǒng)并輔以一定的機制來控制運行,此種工況下地埋管換熱過程有不同的間歇特性與周期特性,換熱器就可以在不同方式下運行,最大程度利用土壤蓄能特性,使得地埋管換熱器始終能夠高效換熱。當然,對于不同使用功能的建筑以及不同氣候條件下,地埋管換熱負荷同樣具有周期性和間歇性特點,換熱器同樣表現(xiàn)出間歇的運行方式,這樣均有利于地埋管的換熱。3井深換熱量