楊如輝,李海濤,賈德成

(駐馬店市建筑勘察設(shè)計(jì)院有限公司,河南駐馬店463000)

引言

在能源不足和環(huán)境污染嚴(yán)重的今天,對(duì)新能源的開發(fā)利用已成為必然趨勢(shì)。淺層地?zé)崮苁且环N可再生的新型環(huán)保能源,是地?zé)豳Y源的一部分,是很好的替代能源和清潔能源,地源熱泵技術(shù)就是利用淺層地?zé)崮艿囊环N形式[1]。地源熱泵是以淺層地?zé)崮茏鳛闊嵩吹臒岜?將地埋管換熱器埋設(shè)于地下,通過循環(huán)液與土壤進(jìn)行熱交換。地源熱泵的地埋管換熱器的埋設(shè)方式主要有水平埋設(shè)、豎直埋設(shè)和螺旋埋設(shè),豎直地埋管換熱器熱泵系統(tǒng)占地面積小,土壤溫度和熱特性變化小,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,已成為目前廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)形式。

巖土的熱物性參數(shù)是地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù),我國(guó)新修訂的GB 50366-2005(2009年版)地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[2]規(guī)定:當(dāng)?shù)芈窆艿卦礋岜孟到y(tǒng)的應(yīng)用建筑面積在3000～5000m2時(shí),宜進(jìn)行巖土熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn);當(dāng)?shù)芈窆艿卦礋岜孟到y(tǒng)的應(yīng)用建筑面積不小于5000m2時(shí),應(yīng)進(jìn)行巖土熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。熱響應(yīng)測(cè)試的主要目的就是準(zhǔn)確獲得巖土的熱物性參數(shù),了解地埋管換熱器的換熱能力。如果熱物性參數(shù)不準(zhǔn)確,則設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可能達(dá)不到負(fù)荷需要;也可能規(guī)模過大,從而加大初期投資[3]。本文通過一工程實(shí)例,對(duì)豎直地埋管換熱器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試,得到巖土的導(dǎo)熱系數(shù)、單位井深換熱量,并運(yùn)用TRNSYS軟件對(duì)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,為地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

地埋管地源熱泵系統(tǒng)的傳熱是一個(gè)復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)過程,目前計(jì)算地埋管換熱器與土壤傳熱較為成熟的模型有線熱源模型和圓柱熱源模型,實(shí)際工程中大多采用線熱源模型[4-5]。假定鉆井處于不受熱擾動(dòng)影響的溫度場(chǎng)內(nèi),且經(jīng)過一定的時(shí)間,可得到鉆井散出的熱量的熱擴(kuò)散率,則可用簡(jiǎn)化了的線熱源公式計(jì)算土壤導(dǎo)熱系數(shù),通過測(cè)量溫度、流量進(jìn)行反向推算土壤傳熱性能。其基本原理如下[6-7]:

式中:Tf為埋管內(nèi)流體平均溫度 (取入口與出口的平均值),℃;Φheat為加熱功率,W;λ為土壤的熱導(dǎo)率,W/(m·K);H為孔深,m;a為熱擴(kuò)散率,m2/s;t為測(cè)試時(shí)間,s;r為半徑,m;γ為歐拉常數(shù),取0.5772;Rb為鉆孔熱阻,m·K/W;T0為巖土遠(yuǎn)處未受擾動(dòng)的溫度,℃。

通過計(jì)算溫度與自然對(duì)數(shù)時(shí)間曲線的斜率k可以得到溫度的響應(yīng)規(guī)律:

繪出Tf隨In t的變化曲線,由式 (3)及該曲線斜率,可計(jì)算得到熱導(dǎo)率λ。再根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)資料估計(jì)土壤的體積比熱容c,本次取2.8×106J/(m3·K),計(jì)算得到熱擴(kuò)散率a,由式 (1)可計(jì)算得到鉆孔熱阻[8]。其中a的計(jì)算式為:

式中:Φ為換熱量,kW;qm為質(zhì)量流量,kg/s;cp為水的比定壓熱容,為4.1868 kJ/(kg·℃);Tout為流出地下埋管的水溫,℃;Tin為流入地下埋管的水溫,℃。

單位孔深換熱量的計(jì)算式為:

式中:q為單位孔深換熱量,kW/m;H為孔深,m。

2 測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要分為兩部分:巖土原始溫度的測(cè)試和放熱工況下豎直雙U型地埋管換熱器的散熱實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)原理如圖1所示,主要由地埋管換熱器、循環(huán)水泵、電加熱器和數(shù)據(jù)采集儀組成。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理圖

通過補(bǔ)水箱將水注入測(cè)試系統(tǒng)中,打開排氣閥 排除系統(tǒng)中的空氣,由循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)循環(huán)水在地埋管換熱器和水箱之間流動(dòng),循環(huán)水在保溫水箱中被電加熱器加熱,溫度升高,由溫度傳感器測(cè)出其溫度,流量計(jì)測(cè)出其流量,循環(huán)水再通過地埋管,循環(huán)水與巖土進(jìn)行熱交換,溫度降低,由溫度傳感器測(cè)出其出水溫度,可以通過變頻器調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的工作頻率,無(wú)級(jí)調(diào)整循環(huán)水流量的大小,但應(yīng)保證循環(huán)水處于紊流狀態(tài)。模擬夏季放熱試驗(yàn)時(shí),采用恒熱流法熱響應(yīng)測(cè)試,通過控制加熱量及水流量,保持加熱功率恒定,使系統(tǒng)達(dá)到基本穩(wěn)定后,穩(wěn)定控制在35～37℃左右,控制流速在0.5～0.7 m/s,連續(xù)測(cè)試時(shí)間不少于48 h[9]。

為防止測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的電壓不穩(wěn)定,測(cè)試電源先通過一臺(tái)單相穩(wěn)壓電源,再供給測(cè)試設(shè)備,以保證放熱功率恒定,從而盡量使輸出溫度恒定。電加熱器為可調(diào)節(jié)式,調(diào)節(jié)范圍為0～10 kW。溫度傳感器采用A級(jí)PT100型鉑電阻傳感器,測(cè)試數(shù)據(jù)線都是使用銅網(wǎng)屏蔽電纜,為了保證測(cè)試精度,在試驗(yàn)之前和試驗(yàn)之后,對(duì)所有溫度傳感器進(jìn)行了校正與標(biāo)定,其方法是在恒溫水域中,用精密的水銀溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)溫度讀數(shù),在測(cè)試的整個(gè)溫度區(qū)間 (-15～40℃)上,對(duì)PT100溫度傳感器進(jìn)行校正,獲得每個(gè)傳感器校正誤差數(shù)組,擬合成校正曲線。通過校正,把溫度測(cè)量的誤差控制在±0.15℃以下。流量傳感器采用等級(jí)為0.5%的高精度渦輪流量傳感器。在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中,硬件系統(tǒng)是采用16通道的無(wú)紙記錄儀來(lái)進(jìn)行溫度和流量數(shù)據(jù)的采集工作,由無(wú)紙記錄儀上的U盤自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄和保存,每隔5s掃描一次所有傳感器并保存數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集過程中,通過擬合流量計(jì)輸出曲線的方法,保證在試驗(yàn)中的實(shí)際測(cè)量誤差低于0.5%。在測(cè)試期間,采取了多項(xiàng)技術(shù)措施,以屏蔽現(xiàn)場(chǎng)電磁信號(hào)對(duì)電器部件、流量傳感器的干擾,其中包括在試驗(yàn)臺(tái)附近構(gòu)造現(xiàn)場(chǎng)地線的方法,有效的控制了干擾信號(hào)。為了保證測(cè)試精度,機(jī)組到地埋管之間的管道都包扎了20 mm厚的保溫材料。

對(duì)株洲市某辦公大樓豎直地埋管換熱器進(jìn)行熱響應(yīng)測(cè)試,其鉆井深度為101 m,鉆孔直徑為150 mm。豎直地埋管換熱器形式為雙U型管,埋管深度為100 m,回填材料采用黃沙原漿混合回填。地埋管采用高密度聚乙烯塑料管 (HDPE管),管外徑為25 mm,管內(nèi)徑為20.4 mm,導(dǎo)熱系數(shù)為0.44 W/(m·K)。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試首先進(jìn)行的是巖土初始平均溫度的測(cè)試,然后模擬夏季空調(diào)的制冷實(shí)驗(yàn),測(cè)量試驗(yàn)井豎直雙U型埋管換熱器的放熱能力。主要記錄的數(shù)據(jù)為豎直地埋管換熱器中流體的進(jìn)出口溫度和流量。

3.1 巖土初始平均溫度測(cè)試

巖土初始平均溫度測(cè)試在埋管封口一周后進(jìn)行,采用無(wú)功循環(huán)法,在不開啟電加熱器的情況下,運(yùn)行循環(huán)水泵,測(cè)量循環(huán)流體的進(jìn)出口溫度,連續(xù)測(cè)量12 h,當(dāng)進(jìn)出口溫度基本維持不變時(shí),以出口溫度作為巖土的初始平均溫度,測(cè)得巖土初始平均溫度為19.8℃。

3.2 地埋管熱響應(yīng)測(cè)試

對(duì)豎直地埋管換熱器進(jìn)行放熱性能測(cè)試,測(cè)試時(shí)保持加熱功率恒定,通過循環(huán)水泵不斷向地埋管輸入一定溫度的熱水,并分別對(duì)進(jìn)、出水地埋管中的水溫進(jìn)行連續(xù)測(cè)讀,持續(xù)時(shí)間為48 h。進(jìn)、出水管口溫度變化如圖2所示。

圖2 地埋管進(jìn)出口水溫度隨時(shí)間變化曲線

從圖中可以看出,地埋管在經(jīng)過一段時(shí)間水循環(huán)后,進(jìn)出水口溫度均基本恒定,表明此時(shí)地下熱交換已基本達(dá)到平衡狀態(tài),據(jù)此可以得出本次地埋管單位管長(zhǎng)的平均放熱率。穩(wěn)定后的水流量為1.2 m3/h,進(jìn)水溫度為35℃,進(jìn)出水溫差為5℃,根據(jù)式 (6)可以得到100 m深度的雙U型豎直地埋管每米孔深的平均放熱能力為69.4 W/m。

3.3 巖土導(dǎo)熱系數(shù)

地埋管放熱工況下實(shí)測(cè)的進(jìn)出水平均溫度變化和根據(jù)其繪制出的對(duì)數(shù)時(shí)間曲線如圖3所示,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)曲線擬合良好。

圖3 地埋管中流體平均溫度變化曲線

從圖中可以看出,擬合曲線的斜率值k=2.138,b=24.603。由測(cè)試原理中的公式,根據(jù)實(shí)測(cè)的100 m深的豎直地埋管放熱過程中的進(jìn)出水溫度數(shù)據(jù),得到該地?zé)峋車耐寥缹?dǎo)熱系數(shù) λ=2.6 W/(m·K),鉆孔熱阻Rb=0.31 m·K/W。

4 瞬時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬

為了驗(yàn)證測(cè)試的準(zhǔn)確性,運(yùn)用TRNSYS軟件對(duì)豎直雙U型地埋管換熱器的換熱過程進(jìn)行瞬時(shí)動(dòng)態(tài)模擬。在TRNSYS環(huán)境中利用TRNSYS軟件中已有的基本模塊,建立地埋管換熱模型,需要的主要模塊有熱負(fù)荷模塊、地埋管模塊、控制模塊和輸出模塊,需要輸入的參數(shù)包括:鉆孔尺寸、測(cè)試得到的地埋管逐時(shí)進(jìn)水溫度、地埋管水流量、原始地溫、土壤體積比熱容以及待估參數(shù)土壤導(dǎo)熱系數(shù)和鉆孔熱阻。瞬時(shí)換熱動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬流程如圖4所示。

圖4 換熱動(dòng)態(tài)模擬流程

根據(jù)給定的輸入?yún)?shù),TRNSYS軟件計(jì)算出了地埋管的逐時(shí)出水溫度,將計(jì)算值和測(cè)試值進(jìn)行比較,如圖5所示。

圖5 計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從圖中可以看出豎直地埋管的測(cè)試出水溫度和計(jì)算出水溫度重合度較高,計(jì)算得到的擬合優(yōu)度為0.9976,說明測(cè)試值和計(jì)算值相當(dāng)符合,驗(yàn)證了測(cè)試的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)株洲市某一工程實(shí)例,對(duì)豎直雙U型地埋管換熱器進(jìn)行放熱工況下的熱響應(yīng)測(cè)試,并根據(jù)線熱源模型理論進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到地埋管換熱器的相關(guān)熱物性參數(shù):巖土的初始平均溫度為19.8℃;進(jìn)水溫度為35℃時(shí),每米孔深的平均放熱能力為69.4 W/m;巖土導(dǎo)熱系數(shù)為2.6 W/(m·K),鉆孔熱阻為0.31 m·K/W。

(2)運(yùn)用TRNSYS軟件對(duì)豎直雙U型地埋管換熱器的換熱過程進(jìn)行瞬時(shí)動(dòng)態(tài)模擬,計(jì)算出了地埋管的出水溫度,計(jì)算值和測(cè)試值擬合度較高,驗(yàn)證了測(cè)試的準(zhǔn)確性。

(3)根據(jù)線熱源模型進(jìn)行地埋管熱響應(yīng)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。由于測(cè)試未考慮地下水滲流、回填材料與巖土的差異等因素對(duì)測(cè)試的影響,所以測(cè)試有一定的局限性,需要進(jìn)一步的研究。

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