浅析地源热泵空调系统之土壤换热器

点击：1674 日期：[ 2014-04-26 22:00:31 ]

浅析地源热泵空调系统之土壤换热器陈燕民1,张文秀1,王吉标1,赵军2 (1.北京市华清地热开发有限责任公司,北京102218;2.天津大学,天津300072) 【摘要】对地源热泵空调系统之土壤换热器作了简单的介绍, 对土壤换热器进行前期测试的必要性、影响土壤换热器换热量的主要因素和土壤换热器系统的施工工艺进行了阐述,以及对目前行内较为关心的地温场热平衡问题进行了分析。【关键词】土壤换热器;换热量;施工工艺;地温场热平衡【中图分类号】TU833.3【文献标志码】B 1.土壤换热器系统简介土壤换热器系统是由埋设在地下的HDPE管（高密度聚乙烯管）和循环泵及相关附属部件组成。循环泵驱动HDPE管路中的循环液体（一般为水或加入防冻剂的水溶液），使其不断循环，冬季把土壤中的热“量取”出来，供给室内采暖，此时土壤“为热源”；夏季把室内热量取出来，释放到地土壤中，此时土壤“为冷源”。地源热泵系统的土壤换热器埋置方式多种多样。目前普遍采用的有水平埋管和垂直埋管两种基本的配置形式(见图1)。水平埋管是在浅层土壤中挖沟渠，将土壤换热器（HDPE管）水平的埋置于沟渠中，并填埋的施工工艺；垂直埋管是在地层中垂直钻孔，然后将地下土壤换热器（HDPE管）以一定的方式置于孔中，并在孔中注入填充材料的施工工艺。地下热交换器型式和结构的选取应根据实际工程以及给定的建筑场地条件来确定。 2.土壤换热器的测试地源热泵系统成败的关键是土壤换热器系统，土壤换热器系统中最关键之处为土壤换热器的换热量和土壤换热器的施工工艺，要想获得土壤换热器的准确换热量，首先要进行前期测试。 1)测试目的:获取土壤换热器每延米的换热量；确定最佳的钻孔机具；确定土壤换热器换热孔的最佳深度和合理间距；确定最佳填料；结合钻进难度，合理安排施工工期。 2）测试原理：该测试简单模拟地源热泵空调系统夏季制冷的运行模式，具体测试原理如下：将仪器的水路循环部分与所要测试换热孔内的HDPE管路相连接，形成闭式环路，通过仪器内的微型循环水泵驱动环路内的液体不断循环，同时仪器内的加热器不断加热环路中的液体。该闭式环路内的液体不断循环，加热器所产生的热量就不断通过换热孔内的换热管释放到地下。在闭式环路内的液体循环过程中，将进/出仪器的温度、流量和加热器的加热功率进行采集记录，来进行分析计算土壤的热物性参数。其原理如图2。 3.影响土壤换热器换热量的主要因素影响土壤换热器换热量的主要因素有：地下土壤的原始温度及土壤换热器的工作温度、地层的赋水情况及地下水是否流动、换热孔的填料、换热孔的深度和换热孔的间距等。在相同的土壤换热器工作温度下，我国北方地区地下土壤的原始温度低，土壤换热器夏季的换热量大于冬季的换热量；南方地区地下土壤的原始温度高，土壤换热器夏季的换热量小于冬季的换热量，中部地区地下土壤的原始温度介于以上两者之间，土壤换热器冬、夏季的换热量相当。一般根据地层结构的不同和对填料传热性的不同要求而选用不同的填料，目前常用的填料有：按照不同比列配置的膨润土浆液、按照不同比列配置的水泥砂浆和不同比例的级配砂石填料等。前两种填料的透水性差或不透水，用于泥岩、含水少的地层时土壤换热器的换热量优于级配砂石填料，如天津，合肥等地区；级配砂石填料的透水性好，用于第四系较发育、含水多且流动的地层时土壤换热器的换热量优于前两种填料，如北京等地区。一般根据不同的地层结构及地层的热导性确定换热孔的合理间距，经过多次的测试结果，换热效果好的地层换热孔的合理间距为5m左右，换热效果差的此层换热孔的合理间距为6m左右。 4.土壤换热器系统的施工工艺由于土壤换热器一般都直埋在地下，所以一经施工完毕后，往往很难再进行检修。为了确保土壤换热器系统的安全可靠，在施工过程中要严把质量关。为了防止换热器在施工过程中留有管壁划伤或管件连接处泄漏的安全隐患，除了在施工过程要严格按照正确的工艺施工外，要在整个施工过程中进行严格打压试验，从HDPE管出厂到系统施工结束一般要对 HDPE管及整个系统进行7次～8次的打压试验。土壤换热器一般数量较大，为确保系统安全可靠一般将每10个～20个垂直换热孔设置为一个换热循环单元，供、回水分别集中到总管上，由总管接入或接出设备机房，在与总管的汇集点处设置检查井，目的是调节水利平衡和在必要时便于检修。整个土壤换热器系统应该按照同程方式连接，确保各换热孔内循环液的流量、流速一致，为系统的安全运行提供可靠的保障（见图3）。 5.地温场的热平衡问题所谓地温场的热平衡问题就是土壤换热器夏季向地下土壤排热和冬季从地下土壤中取热的平衡问题，如果冬夏季的取热量和排热量不相等，可能会造成地下土壤的取热和排热不平衡，甚至会导致地源热泵系统无法正常运行。存在取热和排热不平衡的地层对于整个地源热泵来说有利也有弊。利处：这样的地层具备蓄能的特性，可以实“现冬储夏用”，也就是在夏初无需开启热泵机组，可以实现由土壤换热器直接供冷，从而降低系统的运行费用。弊端：这样的地层散热慢，土壤换热器的换热量偏低，如果不采取恰当的解决措施会造成整个地源热泵系统无法正常运行。是否存在地温场的热平衡问题，关键在于地层的结构特性和热泵系统的使用情况。下面以一个在运行系统的实测数据和一个土壤换热器测试数据的模拟结果来分析这个问题。 5.1在运行系统实测数据分析（见图4）系统地点：北京；土壤原始温度：15℃左右；运行时间：3a。地层机构：第四系赋水性好且流动。热器循环液的温度，热泵机组从2005.11.18- 2006.04.26为制热工况，此时蒸发器的进出口温度为地下土壤换热器循环液的温度。如果此地层存在冬夏季地温场的热平衡问题，热泵机组在制冷工况时向地下土壤排热，随着时间的推移排热量会积存在土壤中，且越来越多，这样会导致地下土壤换热器中循环液的温度会越来越高，在热泵机组制冷工况结束时的温度为最高。但是，我们从实测的数据中看到的情况并非这样，土壤换热器循环液的温度并没有随着时间的推移越来越高，而是随室外气温的变化而变化，最高温度（37.2℃）出现在室外气温最高的7月份，室外气温高，则建筑物的冷负荷需求大，此时热泵机组向地下土壤的排热量也大，而土壤换热器周围的土壤排热性能是一定的，致使此时循环液的温度升高，随着室外气温的降低，热泵机组向地下土壤的排热量降低，土壤换热器循环液的温度也在降低，在夏季空调季结束时循环液的温度为28.5℃。如果存在冬夏季地温场的热平衡问题，经过夏末后的一个过渡季进入冬季采暖季时土壤的温度应该保持在夏末热泵系统停止运行时的温度，即应该保持在28.5℃。但是，我们从实测的数据中同样没有看到这种情况，而进入冬季热泵机组开始制热工况时土壤换热器循环液的温度为15.4℃，即经过一个过渡季后土壤的温度又恢复到其原始温度（15℃）。同样，如果此地层存在冬夏季地温场的热平衡问题，热泵机组在冬季制热工况时土壤换热器循环液的温度会随着时间的推移逐渐降低，但是，从实测的数据中也没有看到此种情况，土壤换热器循环液的温度同样随着室外气温的变化而变化。 5.2土壤换热器测试数据分析测试时间：2005年；地点：合肥。地层结构：泥岩（不透水），赋水性差。测试内容：本次测试前后共钻了3个孔，孔深 100m，孔径150mm，1号孔到2号孔孔距为5m，2号孔到3号孔孔距为6m，3号孔到1号孔孔距为 7.5m。3个孔的相对位置见图5。以三个换热器同时运行，且冬、夏季的排取热量相同进行模拟，模拟结果见图6所示。由图6的比较可以看出，三个换热器同时运行时，初始阶段每个换热孔的排取热量还算正常，随着运行时间的增加，换热器的热作用范围开始重叠。造成这一现象的原因就是地层散热慢，由热泵系统排入地下的冷、热量不能尽快地扩散。如果热泵系统冬夏季的排取热量不相同时势必会造成土壤温度随着运行时间的增加而升高或降低，严重时会造成整个热泵系统由于土壤换热器不能正常散热而无法运行。从以上的分析情况可以看出：前者没有地温场的热平衡问题，后者存在地温场的热平衡问题。究其原因，前者的地层结构为第四系赋水性好且水在流动，这样的地层土壤换热性能好，由热泵系统排入地下土壤的冷、热量会随着换热器周围流动的地下水很快地散失掉；而后者的地层结构为泥岩（不透水）且赋水性差，这样的地层结构散热性能差，土壤温度恢复慢，如果热泵系统冬夏季的排取热量不相同时势必会造成土壤温度随着运行时间的增加而升高或降低，即存在地温场的热平衡问题。 6.结束语目前的土壤换热器设计工作一般都是在理论上做出的，这些理论均是建立在热传导作用基础上，忽略了地下热湿耦合以及存在地下水流动等问题的影响，土壤换热器对其周围岩土层温度场的影响作用是在三维上的，但目前的研究还停留在二维分析上，这势必会给前期设计带来或多或少的误差。实践证明，土壤换热器设计的关键参数每延米换热量与换热器的形式（水平埋管还是垂直埋管、单U还是双U）、换热器间距、填料类型、地层的原始温度、垂直埋管的孔深、地层的岩性、岩层的含水性、地下水流速等诸多因素有关，因此在正式设计前，土壤换热量测试工作必不可少。在条件允许的情况下，建议对大规模集中布孔的区域进行地温场长期监测，以了解区域地温场的动态变化趋势，结合系统设计合理使用浅层地热能资源。作者简介：陈燕民（1965~），男，河北固安人，高级工程师，从事热泵工程设计与研究工作.

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