高俊明,高桂芝,田繼民

(1.河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校 土木工程系,河北 滄州 061001;2.滄州東方工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司,河北 滄州 061001)

土壤源熱泵系統(tǒng)是以大地為熱泵機(jī)組的吸熱和放熱場(chǎng)所,將熱泵的換熱器埋入地下,與大地進(jìn)行冷熱交換,向建筑物供應(yīng)熱量和冷量。土壤源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用在美國(guó)、加拿大以及西歐一些國(guó)家普遍受到重視[1]。地源熱泵以大地為熱源和熱匯,冬季通過(guò)埋地?fù)Q熱器從大地中吸取熱量,向用戶供熱;夏季熱泵機(jī)組將室內(nèi)的熱量通過(guò)埋地?fù)Q熱器排入土壤中。從全年的角度,低品位熱能是部分地得到了循環(huán)回用,這對(duì)于減少一次能源消耗,最大限度地降低化石能源的使用份額,意義十分重大。近年來(lái),我國(guó)也開(kāi)始注意對(duì)土壤熱源熱泵系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)。

巖土體熱物性參數(shù)測(cè)定有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)室測(cè)定兩種方法。近年來(lái)國(guó)外研究者更注重現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究,并開(kāi)發(fā)了用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的便攜式測(cè)量裝置和相關(guān)計(jì)算程序,以評(píng)價(jià)、計(jì)算地埋管熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)的淺層地溫能資源可開(kāi)采量。采用現(xiàn)場(chǎng)換熱試驗(yàn)的方法是比較直觀和科學(xué)的。

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

土壤熱源熱泵系統(tǒng)主要由兩部分組成:一部分是地表以上的水源熱泵機(jī)組;另一部分是埋設(shè)于地表以下的換熱盤(pán)管,如圖 1所示。

通過(guò)測(cè)試,獲得埋地?fù)Q熱器與周圍土壤間的換熱規(guī)律、每延米井深的換熱量、地下巖土的熱物性參數(shù)以及周圍土壤溫度的變化情況等,為設(shè)計(jì)地源換熱系統(tǒng)以及整個(gè)熱泵系統(tǒng)提供依據(jù);啟用 3種鉆井機(jī)具(巖芯 1000 m鉆、黃河鉆、汽車工程鉆)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆井,通過(guò)對(duì)這 3種鉆機(jī)鉆井的實(shí)際情況進(jìn)行比較,確定出適合現(xiàn)場(chǎng)的最佳鉆機(jī),以確保將來(lái)的施工工期,確定最佳的換熱孔填料。

圖1 土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理

2 測(cè)試原理

該測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)單模擬地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)夏季制冷的運(yùn)行模式。將儀器的水路循環(huán)部分與所要測(cè)試的換熱孔內(nèi)的 HDPE管路相連接,形成閉式環(huán)路,通過(guò)儀器內(nèi)的微型循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán),同時(shí)儀器內(nèi)的加熱器不斷加熱環(huán)路中的液體。該閉式環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán),加熱器所產(chǎn)生的熱量就不斷通過(guò)換熱孔內(nèi)的換熱管釋放到地下。在閉式環(huán)路內(nèi)的液體循環(huán)的過(guò)程中,將進(jìn) /出儀器的溫度、流量進(jìn)行采集記錄,以此來(lái)分析計(jì)算巖土體的熱物性參數(shù)。

3 測(cè)試步驟

3.1 鉆孔

用巖芯 1000 m鉆機(jī)鉆深度 120 m的換熱孔 1個(gè)(I號(hào)測(cè)試孔),孔徑不小于180 mm。巖芯 1000 m鉆機(jī)采用油壓加壓鉆進(jìn),具有導(dǎo)正性好、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。鉆進(jìn)方法為正循環(huán)回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn),鉆速由低到高可調(diào)空間較大。用黃河鉆機(jī)鉆深度 95 m的換熱孔 1個(gè)(Ⅱ號(hào)測(cè)試孔),孔徑不小于180 mm。黃河鉆機(jī)采用油壓加壓鉆進(jìn),鉆具鉆進(jìn)過(guò)程中扭距較大,鉆進(jìn)速度快,鉆孔垂直度較高。用汽車工程鉆機(jī)鉆深度 120 m的換熱孔 1個(gè)。汽車工程鉆機(jī)適用于工程勘查,取芯取樣方便。布置該鉆孔的目的是為了詳細(xì)了解地層結(jié)構(gòu),獲取地層原樣,以便對(duì)地層樣品進(jìn)行熱物性測(cè)試。測(cè)試孔基本狀況見(jiàn)表 1。

表1 測(cè)試孔基本狀況

成孔后,在下入 HDPE管前,要首先進(jìn)行電阻率測(cè)井,以了解地層的賦水情況。

3.2 下管

孔內(nèi)下入直徑為32 mm的單 U型HDPE管,并在下管后回填級(jí)配砂石填料。下管前后都需要對(duì) HDPE管進(jìn)行打壓試驗(yàn),穩(wěn)壓壓力為1.2 MPa,穩(wěn)壓時(shí)間不小于1 h。另外,埋管時(shí),應(yīng)盡量使管子貼近孔壁,增大同一鉆孔中各管子之間的間距?；靥畈牧蠎?yīng)用導(dǎo)熱系數(shù)較高、膨脹性較好的材料,這樣可使鉆孔內(nèi)導(dǎo)熱熱阻小,從而增強(qiáng)埋管與周圍巖土的換熱能力[4]。

3.3 模擬測(cè)試

將儀器的水路循環(huán)部分與所要測(cè)試換熱孔內(nèi)的 HDPE管路相連接,形成閉式環(huán)路,通過(guò)儀器內(nèi)的微型循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán),同時(shí)儀器內(nèi)的加熱器不斷加熱環(huán)路中的液體。該閉式環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán),加熱器所產(chǎn)生的熱量就不斷通過(guò)換熱孔內(nèi)的換熱管釋放到地下。在閉式環(huán)路內(nèi)的液體循環(huán)的過(guò)程中,將進(jìn) /出儀器的溫度、流量進(jìn)行采集記錄,來(lái)分析計(jì)算土壤的熱物性參數(shù)。

4 測(cè)試實(shí)例與數(shù)據(jù)整理

本工程位于河北省滄州市開(kāi)發(fā)區(qū)某科技園,室內(nèi)末端系統(tǒng)分為低溫水地板輻射采暖和風(fēng)機(jī)盤(pán)管中央空調(diào)系統(tǒng),總熱負(fù)荷為3820kW,冷負(fù)荷為1680kW。

4.1 工作區(qū)淺層地?zé)岬刭|(zhì)條件

表2 勘探孔地質(zhì)狀況

工作區(qū)及附近基巖在工作區(qū)范圍內(nèi)有一定的均一性和規(guī)律性,主要為黏砂、細(xì)砂與卵礫石互層。地層含水量較大但含水層顆粒較細(xì)。表2為工作區(qū)內(nèi)勘探孔地質(zhì)狀況,反映了項(xiàng)目所在地 134 m內(nèi)的地層巖性。

4.2 傳熱量測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試孔有效測(cè)試時(shí)間為12 h,單 U型埋管,采用級(jí)配砂石料回填。地埋管系統(tǒng)連接測(cè)試前做排氣處理,并進(jìn)行打壓實(shí)驗(yàn)以確保 U型管下管過(guò)程中沒(méi)有破損。埋管換熱器的供回水溫度與流量數(shù)值見(jiàn)圖 2和圖 3,數(shù)據(jù)均為測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后測(cè)得。

圖2 Ⅰ號(hào)測(cè)試孔數(shù)據(jù)圖

圖3 Ⅱ號(hào)測(cè)試孔數(shù)據(jù)圖

計(jì)算結(jié)果如下:Ⅰ號(hào)測(cè)試孔地埋管進(jìn)出口平均溫差ΔT=3.17℃,地埋管側(cè)平均流量 Q=1.094 m3/h,測(cè)試孔深度 120 m,每延米換熱量為33.61 W;Ⅱ號(hào)測(cè)試孔地埋管進(jìn)出口平均溫差ΔT=2.78℃,地埋管側(cè)平均流量 Q=1.175 m3/h,測(cè)試孔深度 95 m,每延米換熱量為39.99 W。

4.3 淺層地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)分析

根據(jù)儲(chǔ)量法對(duì)地質(zhì)體儲(chǔ)存的熱能進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算面積 A按規(guī)劃面積 34388m2計(jì)算,地質(zhì)體厚度 d按130 m計(jì)算,地質(zhì)體溫度、計(jì)算基礎(chǔ)溫度分別用 tr,t0表示,地質(zhì)體巖石和流體的平均比熱容用C表示,則地質(zhì)體中儲(chǔ)存的熱量 QA為:

可將地質(zhì)體厚度分成包氣帶和飽和水帶兩層,其中包氣帶厚度按 18 m計(jì)算,則包氣帶地質(zhì)體巖石和流體的平均比熱容可按 1.05×106J/(m3·℃)計(jì)算,飽和水帶地質(zhì)體巖石和流體的平均比熱容可按 2.7×106J/(m3·℃)計(jì)算,具體計(jì)算方法參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。由以上計(jì)算可得,地質(zhì)體中 130 m以內(nèi)溫度變化 1℃可以釋放或吸收的熱能為1.08× 1013J。

地源熱泵機(jī)組制冷能效比(EER)取 4.7,則地源熱泵系統(tǒng)夏季向巖土體排放的總熱量為2037kW,地源熱泵機(jī)組制熱能效比(COP)取 3.7,則地源熱泵系統(tǒng)冬季從巖土體吸收的總熱量為2787kW。全年采暖期按 135 d計(jì)算,熱泵機(jī)組全天運(yùn)行,全負(fù)荷使用系數(shù)取 0.63,熱泵機(jī)組從巖土體吸收的總熱量為2.05×1013J,則地質(zhì)體計(jì)算溫度降低約 1.7℃,夏季綜合服務(wù)區(qū)制冷天數(shù)取 90 d,熱泵機(jī)組每天運(yùn)行 10 h,全天負(fù)荷使用系數(shù)取 0.8,則夏季制冷熱泵機(jī)組向巖土體排放的總熱量為5.3×1012J,則制冷季巖土體計(jì)算溫度升高約 0.48℃,因此,地源熱泵運(yùn)行一年巖土體計(jì)算溫度降低約為1.22℃。

考慮到地下水流動(dòng)對(duì)地層散熱的影響,130 m以下巖土的地?zé)醾鲗?dǎo),以及熱泵系統(tǒng)的間隙期,均有利于地層溫度的恢復(fù),總體上地埋管系統(tǒng)對(duì)項(xiàng)目區(qū)整體地溫場(chǎng)影響不大。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)本次測(cè)試,對(duì)該項(xiàng)目所在地地層情況有了進(jìn)一步的掌握,巖性主要為砂質(zhì)粘土、細(xì)砂,含有數(shù)層砂礫層。130 m深換熱孔施工較容易,成本較低,適合采用地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行冬季供暖和夏季制冷,項(xiàng)目區(qū)對(duì)于建設(shè)地源熱泵系統(tǒng)的地質(zhì)條件可行性評(píng)價(jià)為適宜。

(2)根據(jù)測(cè)量的溫度、流量、功率等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),采用圓柱熱源理論模型結(jié)合參數(shù)估計(jì)法計(jì)算的地下土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)約為1.7 W/(m·K),符合地源熱泵設(shè)計(jì)要求,可滿足冬夏季負(fù)荷要求。

(3)根據(jù)熱負(fù)荷和冷負(fù)荷計(jì)算出全年從巖土體吸收的總熱量為1.52×1013J,溫度降低 1.22℃?？紤]地層散熱及熱泵系統(tǒng)的間隙期,均有利于地層溫度的恢復(fù),因此地埋管系統(tǒng)對(duì)項(xiàng)目區(qū)整體地溫場(chǎng)影響不大。

(4)通過(guò)對(duì)上述實(shí)際工程項(xiàng)目的分析表明,地源熱泵系統(tǒng)換熱現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為實(shí)際工程提供了可靠的數(shù)據(jù),可很好地指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)與施工。

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