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地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析--制冷空调采暖通风洁净净化自控商务服务网站
地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析
  • http://www.rhvacnet.com
  • 2009/7/30
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  • 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。

     

    关键词:回填材料;地源热泵;土壤温度场

     

    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。

     

        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

     

    [1] 陈卫翠,刘巧玲,贾立群,等.高性能地埋管换热器 钻孔回填材料的实验研究[J].暖通空调,2006,36 (9):1-6.
    [2] 赵军,张春雷,李新国,等.U型埋管地源热泵系统 实验研究[J].华北电力大学学报,2004,31(6),65- 67.
    [3] 赵军,宋德坤,李新国,等.埋地换热器放热工况的 现场运行试验研究[J].太阳能学报,2005,26(2): 162-165.
    [4] 刘猛,何雪冰,刘宪英.某住宅地源热泵系统夏季运 行测试研究[J].暖通空调,2005,36(1):118-121.
    [5] MurayaNK.Thermalinterferenceofadjacentlegsina verticalU-tubeheatexchangerforaground-coupled




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