地源热泵系统双U型埋管换热器的测试实验

点击：1878 日期：[ 2014-04-26 21:58:04 ]

地源热泵系统双U型埋管换热器的测试实验姜黎蒋绿林王宏黄晓蕾 (江苏工业学院机械与能源工程学院常州213016) 摘要：建立双U型垂直埋管试验井测试实验装置，通过现场测试采集当地的岩土热物性参数，从而确定土壤的原始地温、单位井深的散热量等参数，对地源热泵设计有一定的参考价值。结果表明，土壤的原始地温为19.2℃；夏季工况下，地下换热器的进、出口水温度分别为35℃和31℃时，单位井深的散热量为62.55W/m。关键词：工程热物理；地源热泵；双U换热器；实验分析中图分类号：TQ051.5文献标识码：A 在全球大力提倡节能环保的背景下，地源热泵系统具有制冷制热供热水、无污染、节能等优点，能很大程度满足用户对冷热的需求，尤其是在我国地少人多、水资源又比较匮乏的国情下作为传统的单独供冷或供热的一机多用替代方式具有广阔的前景。然而，地源热泵在我国起步不久，同时由于不同地区、不同地方的土壤类型、原始地温、日照强度等条件不尽相同，基础资料缺乏，以至于影响了土壤源热泵技术的推广。所以，要推广这一 “绿色空调技术”，就需要进行大量的实地调研，不断积累基础参数资料，为设计提供可靠的参考依据。设计地源热泵系统的地热换热器需要知道地下岩土的热物性参数。如果热物性参数不准确，则设计的系统可能达不到负荷需要；也可能规模过大，从而加大初期投资。这里通过一工程实例进行热物性测试来对地下换热器进行分析。现场测试确定土壤的基本参数，如土壤的原始地温，确定双U型地埋管换热器单位井深的放热量，为地源热泵地埋管换热器的设计和施工提供依据。 1 地源热泵系统[1-2] 地热能具有其他能源无法比拟的优点，它分布范围广泛，不受时间和气候限制，可以随时随地取用。而热泵是一种能利用高品位能(电能)使热量从低位热源流向高位热源的节能装置。这样以可再生能源地热能作为低位热源(或热汇)的热泵空调系统，即以土壤作为冷热源的热泵系统称之为土壤源热泵系统，也称地下埋管换热器地源热泵系统。地源热泵的主要优点是：1)全年土壤温度波动小。冬季土壤温度比空气温度高，夏季比空气温度低，这种温度特性使地源热泵的制冷制热系数可达到3.5~5.5，其能量利用效率要比空气源热泵高出40%以上。2)冬季运行不需要除霜，没有结霜和除霜损失。3)地下土壤有较好的蓄能作用，在用地源热泵做空调时可以在夏季将室内热量排到地下，到冬季时再取出热量向室内供暖。但是，地源热泵也有缺点——初投资较高。地源热泵的初投资不仅包括传统热泵系统所需的地面上管路和设备的投资，还包括埋地盘管投资、埋地盘管敷设投资以及购买敷设盘管所需土地的使用权或所有权的投资。 2 实验装置实验测试系统主要分两部分，分别为土壤的原始温度的测试、夏季工况时地下垂直双U型地埋管换热器的散热实验测试。埋管处地质情况(原始地温)和岩土的热物性能对于地热换热器的设计与施工有很大的影响，它是设计地热换热器的重要数据参数。准确测定大地的热物性不容易，而准确确定地热换热器运行时的传热性能则更难，测试实验装置如图1所示。该工程实验井的地下换热器为垂直双U型埋管，深度为56m，换热器为南京菲使特HDPE100，公称外径为25mm。井内埋管通过水平连接管道连接至试验台。连接管道采用20mm厚的橡树保温材料进行保温以减少连接管道和环境的热交换。水泵提供动力实现水的循环，通过阀门调节流量的大小。计算埋管换热量时将地表面上水平与垂直埋管的热交换扣除。试验井埋管的施工和安装数据的具体情况如表1所示。实验采用计算机进行数据采集，使用研华亚当4018+采集模拟电流信号，研华4015和泓格 I-7015采集温度信号，温度传感器为Pt100热电阻。采用工控组态软件组态王来实现设备和电脑的通信，保证数据采集的准确性。采集频率为1000毫秒，每次采样的数值自动保存到所开发的软件中。 3 实验测试结果分析地埋结束以后立即将管内充满清水，并进行封口回填，一个星期左右孔内的回填材料已经充分凝固，以保证埋管与地下土壤能够进行充分的换热，因此，实验测试必须在埋管封口后一周左右时间进行。实验首先进行的是土壤初始平均温度的测试试验，然后模拟夏季空调的制冷实验，测量试验井垂直双U型埋管换热器的放热能力。主要测量的参数有：地下换热器的进出口温度，换热器内水流量，地下换热器的总换热量和单位井深换热量。单位井深换热量是地热换热器设计中最重要的数据，它是确定地热换热器容量、确定热泵参数、选择循环泵流量与扬程、计算地埋管数量与尺寸等的依据。单位井深换热量估算偏大，必然导致埋管量偏小、循环液进出口温度难以达到热泵的要求。结果导致热泵实际的制热、制冷量远低于其额定值，使系统达不到设计的要求。反之，单位井深换热量估算偏小，埋管量将大大增加，结果是工程的初投资增高，自然导致系统的经济效益下降。 3.1原始地温测试测试土壤的初始温度：在埋管封口一周以后进行，测试时打开循环水泵测试埋管的进、出口水温度，一直测试到当进、出口温度基本维持不变时为止，同时以此时的出口温度作为土壤的初始温度。对当地土壤温度的精确表述是非常重要的，因为大地和循环液之间的温差是进行热传递的动力。据工程经验可知，常温带的地温接近全年的地上空气年平均温度，但是这样只是一个近似取值，为了能够精确的测得地下土壤的温度，采用了上面的实验装置图1进行测试。考虑到该工程可利用的埋管面积及换热效能，设计中采用了竖直埋管换热器。每个钻孔中设置两组U型管，各U型管之间采用并联连接。通过建立上面图1所示的实验装置来测试土壤的热物性参数并对所采集的数据进行分析处理，得到了土壤源垂直双U型埋管换热器的进出口温度的变化曲线如下图2所示。由图2中可以看出，在夏季工况下，刚开始在未开启循环水泵的时候，由于水箱当中采用的是地表水，其温度在25℃左右，但是随着换热时间的变化，循环水通过地埋管与地下土壤进行充分换热之后，地埋管的进、出口温度基本趋于平稳，相差很小，其温差基本在0.5℃之内。这时以埋管的出口温度作为土壤的初始温度，从而得到土壤的初始温度为19.2℃。 3.2放热试验测试放热试验是模拟夏天的空调运行工况，空调系统通过制冷设备把各房间的热量抽取出来，通过地埋管换热器排向地下土壤，因此，地埋管换热器在夏天的功能犹如一般空调的外机。测量地埋管在夏天的放热功能，就是根据空调运行所对应的冷凝温度，制成一定温度的热水，通过循环水泵驱使热水在埋设的PE管中以一定的速度流动。热水的温度高于地下土壤的温度，在地埋PE管的流动过程中，把热量传导到地下土壤中去。地埋管的传热功率就是计算循环水的实际放热功率。夏季放热测试中，通过调整加热功率以及流量最终使地埋管换热器的进、出口水温度稳定在 35℃和31℃左右。在设定的夏季空调控制条件下，地埋管的进、出口温度随时间的变化曲线如图3所示，地埋管中循环水的流量随时间的变化情况如图4所示，单位井深的放热量(或换热能力)随时间的变化如图 5所示。由图3不难看出经过调整加热功率和流量之后的地埋管进、出口的水温基本稳定在35℃和31℃左右，温差基本在4℃左右。通过取样测量埋管中循环水流量随时间的变化曲线图4中，可看出循环水的流量基本在0.7m 3 /h 附近稳定波动。通过取样测得单位井深散热量随时间的分布曲线如图5所示，容易看出单位井深的散热量大致在62W/m左右。如表2所示数据参数是经过计算分析处置之后得到的垂直双U型地埋管换热器散热平衡的计算结果。所以，由测试的结果可以看出，常州该工程场地的地埋管换热器单位井深的散热功率为 62.55W/m，此数值对于地源热泵地下换热器的工程设计来说具有很好的参考价值。 4 总结通过综合以上测试，得到地源热泵系统垂直双U型地埋管换热器的相关热物性参数如下： 1)该工程场地的土壤的地下无干扰平均地温为19.2℃； 2)夏季最热工况时，在地下换热器的进、出口水温度分别为35℃和31℃的工况下，单位井深的放热量为：62.55W/m。参考文献 [1]蒋能照,刘道平.水源.地源.水环热泵空调技术及应用 [M].北京:机械工业出版社,2007,3:98-115. [2]马最良,吕悦.地源热泵系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2006,10:3-10.

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