地源熱泵地埋管單位井深換熱量測試與分析
一、地埋管測溫/地源熱泵測溫引言
地源熱泵系統(tǒng)中冷/熱源采用地埋管換熱器，這種地?zé)釗Q熱器與工程中通常碰到的換熱器不同，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(shí)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(shè)計(jì)是否公道，進(jìn)而決定了地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性。
對于實(shí)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(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)計(jì)算主要采用《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》中的公式：
由此可見，在換熱負(fù)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，其熱物性的丈量不能直接進(jìn)行，主要是結(jié)合導(dǎo)熱反題目和參數(shù)估計(jì)法來確定。鑒于現(xiàn)場丈量的困難和地埋管鉆井內(nèi)埋設(shè)的不確定性，這些參數(shù)的誤差均較大，從而*影響地埋管長度的設(shè)計(jì)正確性?，F(xiàn)對公式(1)、(2)進(jìn)行變換可得：
假如能夠獲取單位管長換熱量，則可以設(shè)計(jì)計(jì)算地源熱泵系統(tǒng)地埋管的容量，確定熱泵機(jī)組參數(shù)以及選擇循環(huán)泵流量與揚(yáng)程等。單位管長換熱量假如選擇偏大，必然導(dǎo)致埋管量偏小、埋管內(nèi)水的進(jìn)出口溫度難以達(dá)到熱泵機(jī)組的參數(shù)要求，使得機(jī)組效率過低，熱泵的制冷、制熱量達(dá)不到建筑物需求，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(guān)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(guān)，因而需要對實(shí)際地源熱泵工程進(jìn)行現(xiàn)場丈量，方可獲得較的設(shè)計(jì)參數(shù)。
二、地埋管測溫/地源熱泵測溫實(shí)驗(yàn)裝置簡介
1. 實(shí)驗(yàn)裝置組成
實(shí)驗(yàn)裝置于2006年11月在華中科技大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備綜合實(shí)驗(yàn)中心建成，同年12月1日投進(jìn)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(shí)驗(yàn)臺在測試運(yùn)行期間，工況穩(wěn)定，運(yùn)行正常。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有兩部分組成，其裝置配置如圖1所示。
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(jī)組相連。
地埋管鉆井共11口，編號為1～11。其中1～4號井為雙U型地埋管，5～8號井內(nèi)設(shè)單U型地埋管，9～11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)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)的水平埋管沿地溝展設(shè)，地溝深0.8m，地溝寬0.5m。
1.2 冷熱源部分
該部分主要包括空氣-水熱泵機(jī)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(jī)損壞，設(shè)置時(shí)間繼電器控制壓縮機(jī)的啟動。當(dāng)接通電源后，循環(huán)水泵首先啟動運(yùn)行，在時(shí)間繼電器的控制下，壓縮機(jī)延時(shí)啟動。壓縮機(jī)采用壓力控制機(jī)制，以便觀察壓縮性能夠在正常范圍內(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(dá)到要求。
2. 數(shù)據(jù)采集
為研究地埋管換熱器的傳熱性能及其運(yùn)行規(guī)律，設(shè)置了一套測試系統(tǒng)，根據(jù)文獻(xiàn)[2][3][4]選取短的測試時(shí)間為70小時(shí)。
2.1 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(jìn)出口水溫測試。
① 地埋管壁溫測試
地源熱泵地埋管系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，共4口鉆井(編號5～8號)分別設(shè)有單U型管，在5號、6號、8號每個單U型管沿進(jìn)水支管壁的5個測點(diǎn)分別在埋深5m、10m、20m、30m、40m，在7號每個單U型管沿進(jìn)水支管壁的7個測點(diǎn)分別在埋深5m、10m、20m、30m、40m、50m、60m。其余的地埋管設(shè)有活動丈量管。
② 地埋管進(jìn)出口水溫測試
全部地埋管進(jìn)出口處均設(shè)有溫度測點(diǎn)，丈量水溫。
溫度測點(diǎn)布置的測溫元件為Pt100，輸進(jìn)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機(jī)操縱軟件兩部分組成。
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(biāo)定的轉(zhuǎn)子流量計(jì)，1號鉆井的丈量范圍160～1600 L/h，精度1.0級，被測介質(zhì)溫度范圍0～120℃，壓力≤0.6MPa。其余的為100～1000 L/h，精度1.0級，被測介質(zhì)溫度范圍0～120℃，壓力≤0.6MPa。
三、地埋管測溫/地源熱泵測溫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(shí)際工程設(shè)計(jì)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(jìn)水溫度、流量和埋管類型對單位井深換熱量的影響，實(shí)驗(yàn)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。
3.1 流量對單位井深換熱量的影響
實(shí)驗(yàn)中8號井的進(jìn)口水溫保持10℃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，單位井深均勻換熱量從48.6w/m增加到57.8w/m.，這主要是由于隨著流速的增加，U形管中的湍流就會更強(qiáng)烈，管內(nèi)水和管壁的對流換熱系數(shù)也就會變大，*導(dǎo)致?lián)Q熱量的增加。但相應(yīng)的地埋管出口水溫卻相應(yīng)的降低了0.2℃，過度增大地埋管內(nèi)流量將會導(dǎo)致地埋管出口水溫達(dá)不到熱泵機(jī)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*增大了循環(huán)水泵的揚(yáng)程。因此地埋管換熱器設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇合適的流量。
3.2 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(jìn)口水溫10℃、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(shí)驗(yàn)的進(jìn)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(yīng)的單位井深換熱量39.6 W/m、39.9 W/m、40.2 W/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(jìn)口水溫8℃條件下運(yùn)行了70小時(shí)導(dǎo)致單位井深換熱量的影響。其中9號井井深(80m)固然大于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(guān)系，管井也并非越深換熱量就越大。因而實(shí)際工程設(shè)計(jì)當(dāng)中在既定的客觀條件下選擇合適的地埋管類型和深度，當(dāng)然也可能由此而進(jìn)步埋管投資。
圖3 不同地埋管類型的單位井深換熱量
3.3進(jìn)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(shí)驗(yàn)條件下只將地埋管進(jìn)口水溫從8℃進(jìn)步到10℃，單位井深的換熱量就有明顯的降低。還應(yīng)該看到的是，當(dāng)冬季水溫較低，固然可以使換熱得到加強(qiáng)，減小換熱器的設(shè)計(jì)容量，但同時(shí)相應(yīng)的的熱泵主機(jī)換熱條件卻變得惡劣，熱泵機(jī)組的COP值會變低，甚至不能正常工作。這就需要在實(shí)際工程設(shè)計(jì)當(dāng)中根據(jù)熱泵機(jī)組的出口水溫設(shè)計(jì)合適的地埋管系統(tǒng)。
四、地埋管測溫/地源熱泵測溫結(jié)語
根據(jù)本文對地源熱泵系統(tǒng)換熱能力的冬季實(shí)驗(yàn)研究和分析，可以得到如下結(jié)論：
1)地埋管進(jìn)口水溫對單位井深換熱量的影響較大，應(yīng)根據(jù)熱泵機(jī)組實(shí)際出水溫度確定地埋管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而不應(yīng)片面的以為某一進(jìn)水溫度下單位井深換熱量具有普遍適應(yīng)性。
2)地埋管類型和管長影響著單位井深換熱量。
3)地埋管內(nèi)水的流量對單位井深換熱量有影響，且會引起埋管的出口水溫的變化，從而導(dǎo)致熱泵機(jī)組的性能，同時(shí)考慮到管內(nèi)阻力，應(yīng)設(shè)計(jì)選取公道的流速。
一、引言
地源熱泵系統(tǒng)中冷/熱源采用地埋管換熱器，這種地?zé)釗Q熱器與工程中通常碰到的換熱器不同，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(shí)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(shè)計(jì)是否公道，進(jìn)而決定了地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性。
對于實(shí)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(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)計(jì)算主要采用《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》中的公式：
由此可見，在換熱負(fù)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，其熱物性的丈量不能直接進(jìn)行，主要是結(jié)合導(dǎo)熱反題目和參數(shù)估計(jì)法來確定。鑒于現(xiàn)場丈量的困難和地埋管鉆井內(nèi)埋設(shè)的不確定性，這些參數(shù)的誤差均較大，從而*影響地埋管長度的設(shè)計(jì)正確性。現(xiàn)對公式(1)、(2)進(jìn)行變換可得：
假如能夠獲取單位管長換熱量，則可以設(shè)計(jì)計(jì)算地源熱泵系統(tǒng)地埋管的容量，確定熱泵機(jī)組參數(shù)以及選擇循環(huán)泵流量與揚(yáng)程等。單位管長換熱量假如選擇偏大，必然導(dǎo)致埋管量偏小、埋管內(nèi)水的進(jìn)出口溫度難以達(dá)到熱泵機(jī)組的參數(shù)要求，使得機(jī)組效率過低，熱泵的制冷、制熱量達(dá)不到建筑物需求，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(guān)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(guān)，因而需要對實(shí)際地源熱泵工程進(jìn)行現(xiàn)場丈量，方可獲得較的設(shè)計(jì)參數(shù)。
二、實(shí)驗(yàn)裝置簡介
1. 實(shí)驗(yàn)裝置組成
實(shí)驗(yàn)裝置于2006年11月在華中科技大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備綜合實(shí)驗(yàn)中心建成，同年12月1日投進(jìn)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(shí)驗(yàn)臺在測試運(yùn)行期間，工況穩(wěn)定，運(yùn)行正常。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有兩部分組成，其裝置配置如圖1所示。
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(jī)組相連。
地埋管鉆井共11口，編號為1～11。其中1～4號井為雙U型地埋管，5～8號井內(nèi)設(shè)單U型地埋管，9～11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)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)的水平埋管沿地溝展設(shè)，地溝深0.8m，地溝寬0.5m。
1.2 冷熱源部分
該部分主要包括空氣-水熱泵機(jī)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(jī)損壞，設(shè)置時(shí)間繼電器控制壓縮機(jī)的啟動。當(dāng)接通電源后，循環(huán)水泵首先啟動運(yùn)行，在時(shí)間繼電器的控制下，壓縮機(jī)延時(shí)啟動。壓縮機(jī)采用壓力控制機(jī)制，以便觀察壓縮性能夠在正常范圍內(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(dá)到要求。
2. 數(shù)據(jù)采集
為研究地埋管換熱器的傳熱性能及其運(yùn)行規(guī)律，設(shè)置了一套測試系統(tǒng)，根據(jù)文獻(xiàn)[2][3][4]選取短的測試時(shí)間為70小時(shí)。
2.1 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(jìn)出口水溫測試。
① 地埋管壁溫測試
地源熱泵地埋管系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，共4口鉆井(編號5～8號)分別設(shè)有單U型管，在5號、6號、8號每個單U型管沿進(jìn)水支管壁的5個測點(diǎn)分別在埋深5m、10m、20m、30m、40m，在7號每個單U型管沿進(jìn)水支管壁的7個測點(diǎn)分別在埋深5m、10m、20m、30m、40m、50m、60m。其余的地埋管設(shè)有活動丈量管。
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