地源热泵系统地下埋管换热器设计_1_

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1、地 源 热 泵 系 统 地 下 埋 管换 热 器 设 计 ( 1)重 庆 大 学 丁 勇 李 百 战 卢 军 孙 纯 武 刘 宪 英摘 要 分 析 讨 论 了 地 下 埋 管 换 热 器 设 计 中 岩 土 热 物 性 参 数 的 确 定 ,垂 直 竖 井 的 回 填 材 料 、岩 土 冻 结 对 埋 管 换 热 器 的 影 响 ,埋 管 形 式 及 埋 管 深 度 的 选 择 。关 键 词 地 源 热 泵 地 下 换 热 器 设 计 物 性 参 数 回 填 材 料De si g n of b uri e d h e a t e x c h a n g e rs f orgr o u n d2

2、s o ur c e h e a t p u m p s yst e m s (1)By Ding Yong , Li Baizhan , L u J un , Sun Chunwu and Liu XianyingAbst ra ct A nalyses and discusses t he determination of t hermal p roperties of rock and soil , t he influenceof backfill materials of vertical shaf ts and rock and soil f reezing on heat t r

3、ansf er , and t he selections of f ormand dep t h in t he design of buried heat exchangers.Keywords ground2source heat p ump , buried heat exchanger , design , p roperty , backfill material Chongqing University , Chongqing , China地 源 热 泵 系 统 又 称 大 地 耦 合 热 泵 系 统 ,按其 最 终 热 源 形 式 ,可 以 分 为 地 下 水 地 源 热 泵

4、 系统 、 地 表 水 地 源 热 泵 系 统 、 土 壤 源 地 源 热 泵 系统 1 。 其 中 地 下 水 地 源 热 泵 系 统 换 热 效 果 最好 ,但 受 地 下 水 资 源 使 用 条 件 的 限 制 ,以 及 近 年来 地 下 水 开 采 带 来 的 一 系 列 问 题 的 影 响 ,国 内外 学 术 界 对 此 种 方 式 均 持 保 留 态 度 ;地 表 水 地源 热 泵 系 统 换 热 效 果 较 好 ,但 受 地 域 限 制 很 大 ,应 用 不 广 泛 ;目 前 国 内 外 所 谈 及 的 一 般 均 指 土壤 源 地 源 热 泵 系 统 。国 内 自 上 世 纪

5、90 年 代 开 展 地 源 热 泵 技 术 研 究以 来 ,已 经 过 了 约 10 年 的 研 究 发 展 历 程 ,取 得 了 一定 的 研 究 成 果 ,加 之 应 用 该 技 术 的 系 统 具 有 能 耗少 、 CO P 值 高 、 环 保 等 优 点 ,因 此 ,在 最 近 的 几 年 时间 里 ,地 源 热 泵 系 统 在 工 程 中 的 应 用 渐 渐 多 了 起来 。 但 是 ,由 于 地 源 热 泵 技 术 的 应 用 具 有 很 强 的 地域 特 点 ,其 所 需 地 下 换 热 器 数 量 又 较 多 ,因 此 ,地 源热 泵 系 统 在 一 定 层 面 上 不 具

6、有 普 遍 性 ,也 就 是 说 ,不 同 的 地 源 热 泵 系 统 ,应 根 据 不 同 的 气 候 、 地 理 、 工程 条 件 进 行 设 计 。地 下 埋 管 换 热 器 是 地 源 热 泵 系 统 的 关 键 设 备 ,笔 者 结 合 多 年 来 的 实 验 研 究 成 果 及 相 关 资 料 ,分 析讨 论 了 设 计 地 下 埋 管 换 热 器 时 应 注 意 的 一 些 问 题 。由 于 篇 幅 限 制 ,分 为 两 篇 文 章 加 以 介 绍 ,本 文 为 第一 篇 。1 岩 土 的 热 物 性 参 数 确 定地 下 埋 管 处 岩 土 的 热 物 性 参 数 对 埋 管

7、换 热 性能 有 着 重 要 影 响 。 表 1 给 出 了 4 种 不 同 岩 层 的 物性 参 数 和 用 笔 者 编 制 的 程 序 计 算 的 埋 管 单 位 井 深换 热 量 。68 设 计 参 考 暖 通 空 调 HV &A C 2005 年 第 35 卷 第 3 期 丁 勇 ,男 ,1975 年 9 月 生 ,博 士 研 究 生 ,博 士 ,讲 师400045 重 庆 大 学 城 市 建 设 与 环 境 工 程 学 院(023) 66820522E2mail : zhengqq12 sina. com收 稿 日 期 :2004 02 16一 次 修 回 :2004 04 21二

8、次 修 回 :2005 01 29表 1 岩 土 热 物 性 参 数 及 单 位 井 深 换 热 量岩 土 类 别导 热 系 数 / (W/ (m ) )比 热 容 c/ (kJ/(kg ) )密 度 / (kg/ m3)埋 管 单 位 井 深 换热 量 / (W/ m)页 岩 0. 835 0. 84 2 046. 9 33. 79石 灰 岩 0. 984 0. 89 2 881. 9 39. 31砂 岩 1. 838 1. 01 2 616. 8 63. 78大 理 石 3. 489 0. 92 3 256. 4 96. 52注 :换 热 量 计 算 时 取 重 庆 市 气 候 参 数 ,

9、U 型 管 埋 深 50 m ,运 行 工 况 为 单 管夏 季 间 歇 运 行 。从 表 1 可 以 看 出 ,钻 孔 地 点 的 岩 土 物 性 参 数 对埋 管 单 位 井 深 换 热 量 的 影 响 非 常 大 。 因 此 ,设 计 地源 热 泵 前 ,了 解 岩 土 热 物 性 参 数 是 非 常 重 要 的 。目 前 ,确 定 岩 土 热 物 性 参 数 的 方 法 有 以 下 几种 。a) 取 样 实 验 室 (或 就 地 ) 测 试 法 。 即 采 用 钻 机从 不 同 深 度 取 岩 土 的 试 样 ,然 后 采 用 标 准 平 板 导 热仪 或 探 针 进 行 测 量 ,得

10、 到 岩 土 的 , , c 等 。 这 种 方法 可 以 在 钻 井 时 使 用 ,取 样 成 本 很 少 ,主 要 问 题 是要 按 仪 器 测 试 要 求 把 试 样 做 成 标 准 试 件 并 保 证 其含 水 率 、 密 度 等 不 变 ,否 则 测 试 结 果 不 准 确 。b) 根 据 地 质 勘 察 公 司 勘 察 报 告 提 供 的 不 同 深度 岩 土 的 种 类 、 密 度 、 含 水 率 等 指 标 ,从 有 关 资 料 中查 出 岩 土 的 热 物 性 参 数 , , c 等 ,然 后 求 出 加 权 平均 值 作 为 该 地 岩 土 的 热 物 性 参 数 。 表

11、2 为 用 此 方法 得 到 的 威 海 某 地 地 下 岩 土 的 物 性 参 数 。表 2 威 海 某 地 地 质 构 造 及 有 关 物 性 参 数深 度 / m岩 土 描 述质 量 含 水率 w/ %密 度 /(kg/ m3)导 热 系 数 / (W/ (m ) )热 扩 散 率 a/(10 - 6m2/ s)比 热 容 c/ (kJ/ (kg ) )0 2粉 沙 、 黄 褐色 、 稠 密181 9002. 561. 030. 382 9. 7 粉 沙 、 中 密 15 1 950 2. 56 1. 03 0. 389. 7 11. 3黏 土 、 细 沙 、可 塑 状19. 52 00

12、62. 561. 030. 3811. 3 60 麻 岩 0. 7 1. 0 2 700 3. 49 1. 35 0. 256加 权 平 均 2 603 3. 31 1. 29 0. 279c) 准 稳 态 运 行 参 数 的 测 试文 献 2 采 用 积 分 分 析 方 法 进 行 传 热 分 析 得 到 和 的 计 算 公 式 ,即 = b Kln bK - 2 b (1)a = y22 ln A yAo2 (2)式 中 导 热 系 数 , W/ ( m ) ,实 际 是 不 同深 度 岩 土 的 平 均 值 ; 热 扩 散 率 , m2 / s ,实 际 是 不 同 深 度 岩土 的 平

13、 均 值 ;b 钻 孔 的 半 径 ,m ; 流 体 与 管 壁 的 表 面 传 热 系 数 , W/(m2 ) ;K 平 均 传 热 系 数 , W/ ( m ) , K =qtp - to ,其 中 q 为 单 位 井 深 换 热 量 ,W/ m ,tp 为 进 出 埋 管 换 热 器 液 体 的 平均 温 度 , , to 为 岩 土 初 始 温 度 , ,求 取 方 法 见 文 献 3 ; 年 周 期 波 动 频 率 , 1/ s , =28 760 3 600 s ,计 算 时 一 般 从 1 月16 日 00 :00 开 始 计 算 ;y 井 深 ,m ;A y 深 度 y 处 岩

14、 土 的 温 度 年 波 幅 , ,求取 方 法 见 文 献 3 ;A0 地 表 面 温 度 年 波 幅 , ,求 取 方 法 见文 献 3 。2 垂 直 竖 井 的 回 填 料 问 题文 献 1 ,4 7 对 垂 直 竖 井 的 回 填 料 作 了 比 较详 细 的 论 述 。 表 3 给 出 了 常 用 的 回 填 材 料 及 其 导热 系 数 6 。 从 表 3 可 以 看 出 ,填 料 中 水 分 越 多 ,导热 系 数 越 高 ,埋 管 传 热 性 能 越 好 ,因 此 国 外 有 些 地源 热 泵 工 程 ,为 了 增 加 填 料 中 的 水 分 ,在 钻 井 端 部加 一 塑 料

15、 滴 水 管 ,间 断 地 向 填 料 中 加 一 些 水 ,以 增强 其 传 热 性 能 。表 3 常 用 的 回 填 材 料 及 其 导 热 系 数未 掺 入 添 加 剂 的回 填 材 料 导 热 系 数 /(W/ (m ) )改 进 了 的 回 填 材 料导 热 系 数 /(W/ (m ) )沙 子 (1 922 kg/ m3 ,含 水 5 %)2. 614 %水 泥 ,15 %水 ,61 %沙 子 ,10 %灿 岩 渣2. 4沙 子 (1 281 kg/ m3 ,含 水 5 %)1. 424 %水 泥 ,15 %水 ,61 %沙 子2. 5沙 子 (1 922 kg/ m3 ,含 水 15 %)3. 315 %水 泥 ,15 %水 ,60 %沙 子 ,10 %细 灰2. 4沙 子 (1 281 kg/ m3 ,含 水 15 %)1. 63 岩 土 冻 结 对 埋 管 换 热 器 传 热 的 影 响在 北 方 地 区 ,冬 季 进 入 地 下 埋 管 换 热 器 的 液 体温 度 可 能 低 于 0 ,换 热 器 周 围 含 水 的 岩 土 有 可 能冻 结 。 水 分 冻 结 时 ,有 大 量 的 潜 热 被 释 放 出 来 ,岩土 降 温 幅 度 减 小 。 水