《240地源热泵地埋管单位井深换热量测试与分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《240地源热泵地埋管单位井深换热量测试与分析（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、地源热泵地埋管单位井深换热量测试与分析地源热泵地埋管单位井深换热量测试与分析华中科技大学 於仲义 胡平放 徐玉党 孙启明 袁旭东摘要摘要：文章着眼于实际工程设计中地源热泵垂直地埋管换热器的单位井深换热性能的研究，在不同地 埋管进水温度、流量和埋管类型条件下对单位井深换热量进行了现场测试，并根据测试结果分析了地埋 管进水温度、流量和埋管类型对单位井深换热量的影响规律。结果表明，即使同一种埋管类型在相异的 地埋管进水温度和流量，地埋管单位井深换热量有差别，一定进水温度的地埋管换热量试验结果不具备 普遍性，这对地埋管换热器的设计提出了一定的改进建议。 关键词关键词：地源热泵 地埋管换热器 换热量 实
2、验测试1 引言引言地源热泵系统中冷/热源采用地埋管换热器，这种地热换热器与工程中通常遇到的换热器不同，它 不是两种流体之间的换热，而是埋管中的流体与固体（土壤）之间的换热，属于非稳态，涉及时间跨 度很长，空间区域很大，换热特性对地源热泵系统性能有决定性的作用，影响着地埋管换热器设计是 否合理，进而决定了地源热泵系统的经济性和运行的可靠性。 对于实际工程中常用的垂直 U 型管地源热泵系统，影响系统性能因素主要在于地埋管换热器管长 的设计，其设计计算主要采用文献1中的公式：制冷工况 （1） cccspcsbpefc cCOPCOP ttFRFRRRRQL111000max供热工况 （2） hhhs
3、phsbpefh hCOPCOP ttFRFRRRRQL111000min式中的参数说明详见文献1。 由此可见，在换热负荷一定的条件下 U 型地埋管长度主要取决于土壤层水文地质和热物性。由于 地埋管处于地下土壤中，属地下隐蔽工程，其热物性的测量不能直接进行，主要是结合导热反问题和 参数估计法来确定。鉴于现场测量的困难和地埋管钻井内埋设的不确定性，这些参数的误差均较大， 从而最终影响地埋管长度的设计准确性。现对公式（1） 、 （2）进行变换可得：制冷工况 ccLcc cCOPCOP qQL11000（3a）cspcsbpefLcFRFRRRRttq 1max（3b）供热工况 hhLhh hCOP
4、COP qQL11000（4a）（4b）hsphsbpefLhFRFRRRRttq 1min式中、为单位管长换热量。LcqLhq如果能够获取单位管长换热量，则可以设计计算地源热泵系统地埋管的容量，确定热泵机组参数 以及选择循环泵流量与扬程等。单位管长换热量如果选择偏大，必然导致埋管量偏小、埋管内水的进 出口温度难以达到热泵机组的参数要求，使得机组效率过低，热泵的制冷、制热量达不到建筑物需求， 导致系统设计不满足要求。反之，虽满足要求但初投资过高，地源热泵系统经济性降低。由于单位管 长换热量不仅与地下土壤传热温差有很大的关系，而且与地下水位的高低以及土壤中含水量的多少等 诸多因素有关，因而需要对
5、实际地源热泵工程进行现场测量，方可获得较精确的设计参数。2 实验装置简介实验装置简介2.1 实验装置组成实验装置组成 实验装置于 2006 年 11 月在华中科技大学建筑环境与设备综合实验中心建成，同年 12 月 1 日投入 使用，已经完成原始地温测试、冬季供热工况测试。该装置实验台在测试运行期间，工况稳定，运行 正常。实验系统主要有两部分组成，其装置配置如图 1 所示。 2.1.1 地埋管部分 该部分主要包括地埋管换热器、埋管侧循环水泵、埋管侧膨胀水箱、集水器和分水器，其管路系 统与冷热源机组相连。 地埋管钻井共 11 口，编 号为 111。其中 14 号井 为双 U 型地埋管，58 号井
6、内设单 U 型地埋管，911 号井为套管地埋管。钻井深 度有 40m、60m 和 80m，钻 井直径 200mm，管内循环流 体介质为水。各钻井内埋管 换热器采用并联方式与地埋 管集水器和分水器相连，埋 管换热器顶部至室内的水平 埋管沿地沟铺设，地沟深 0.8m，地沟宽 0.5m。 2.1.2 冷热源部分 该部分主要包括空气水热泵机组，产生的冷、热水作为模拟冬季和夏季工况。为防止压缩机损 坏，设置时间继电器控制压缩机的启动。当接通电源后，循环水泵首先启动运行，在时间继电器的控 制下，压缩机延时启动。压缩机采用压力控制机制，以便观察压缩机能够在正常范围内工作。出水位 置装有温度检测装置以便观察水
7、温控制是否达到要求。 2.2 数据采集数据采集 为研究地埋管换热器的传热性能及其运行规律，设置了一套测试系统，根据文献234选取最短 的测试时间为 70 小时。图 1 地源热泵热物性测试实验装置图回填物垂直地埋管地面TTMM T土壤温度测量点水泵地埋管分水器冷热源地埋管集水器TTTTTTT2.2.1 温度测试 温度是直接反映埋管换热器传热性能的重要参数，主要分为三部分，分别为地埋管壁温测试、地 埋管进出口水温测试。 地埋管壁温测试 地源热泵地埋管系统构建时，共 4 口钻井(编号 58 号)分别设有单 U 型管，在 5 号、6 号、8 号 每个单 U 型管沿进水支管壁的 5 个测点分别在埋深 5
8、m、10m、20m、30m、40m，在 7 号每个单 U 型 管沿进水支管壁的 7 个测点分别在埋深 5m、10m、20m、30m、40m、50m、60m。其余的地埋管设有 活动测量管。 地埋管进出口水温测试 全部地埋管进出口处均设有温度测点，测量水温。 温度测点布置的测温元件为 Pt100，输入转换采用多功能热工数据采集系统，本数据采集系统是 由硬件传感器接口箱和微机操作软件两部分组成。 2.2.2 流量测试 流量测试包括地下埋管侧管路系统和用户侧管路系统中循环流体的测试。测试仪表为经标定的转 子流量计，1 号钻井的测量范围 1601600 L/h，精度 1.0 级，被测介质温度范围 012
9、0，压力 0.6MPa。其余的为 1001000 L/h，精度 1.0 级，被测介质温度范围 0120，压力0.6MPa。3 地埋管单位井深换热量测试结果与分析地埋管单位井深换热量测试结果与分析影响地埋管单位井深换热量的因素较多。但在实际工程设计中，对于给定的建筑可以人为操控的 因素主要表现在地埋管系统的几何尺寸、管内流体热物性和流速、埋管类型等。限于篇幅，本文根据 冬季的地源热泵单位井深换热量的测试结果主要讨论地埋管进水温度、流量和埋管类型对单位井深换 热量的影响，实验井选取为 1 号井、8 号井、9 号井、10 号井，深度分别为 60m、60m、80m、60m。 3.1 流量对单位井深换热
10、量的影响流量对单位井深换热量的影响40.045.050.055.060.065.070.075.080.0010203040506070时间（h）单位井深换热量（w/m）流量1000L/h 流量800L/h图 2 不同流量下的单位井深换热量 实验中 8 号井的进口水温保持 10不变，在不同流量的工况下，单位井深换热量的变化趋势大体 相同，随流速的增大而增加，如图 2 所示。在流量从 800L/h 变化到 1000L/h，单位井深平均换热量从 48.6w/m 增加到 57.8w/m.，这主要是因为随着流速的增加，U 形管中的湍流就会更强烈，管内水和管 壁的对流换热系数也就会变大，最终导致换热量的
11、增加。但相应的地埋管出口水温却相应的降低了0.2，过度增大地埋管内流量将会导致地埋管出口水温达不到热泵机组的性能参数要求。而且随着流 速的不断增大，水流经 U 型管的压力损失必然会增加，这最终增大了循环水泵的扬程。因此地埋管换 热器设计中应选择合适的流量。 3.2 地埋管类型和管长对单位井深换热量的影响地埋管类型和管长对单位井深换热量的影响 图 3 为不同类型地埋管在保持进口水温 10、流量 1000L/h 不变的情况下对单位井深换热量的影 响。可以看出，随着实验的进行，换热量的变化趋势大体相同，但套管（9 号井、10 号井）和双 U 型 管（1 号井）相应的单位井深换热量 39.6 W/m、
12、39.9 W/m、40.2 W/m 相对于单 U 型管（8 号井）的 33.6W/m 要高出不少。这也受到此井在此之前已经在保持进口水温 8条件下运行了 70 小时导致单位 井深换热量的影响。其中 9 号井井深（80m）虽然大于 10 号井（60m） ，总井深换热量也高于后者， 但单位井深换热量反而低于后者，这说明总井深换热量并非是井深的线性关系，管井也并非越深换热 量就越大。因而实际工程设计当中在既定的客观条件下选择合适的地埋管类型和深度，当然也可能由 此而提高埋管投资。30.032.535.037.540.042.545.00102030405060708090100时间（h）单位井深换热
13、量（w/m）8号井9号井 10号井1号井图 3 不同地埋管类型的单位井深换热量 3.3 进水温度对单位井深换热量的影响进水温度对单位井深换热量的影响 从图 2、图 3 中可以看出，8 号井在相同的实验条件下只将地埋管进口水温从 8提高到 10，单 位井深的换热量就有明显的降低。还应该看到的是，当冬季水温较低，虽然可以使换热得到加强，减 小换热器的设计容量，但同时相应的的热泵主机换热条件却变得恶劣，热泵机组的 COP 值会变低，甚 至不能正常工作。这就需要在实际工程设计当中根据热泵机组的出口水温设计合适的地埋管系统。4 结语结语根据本文对地源热泵系统换热能力的冬季实验研究和分析，可以得到如下结论
14、： 1）地埋管进口水温对单位井深换热量的影响较大，应根据热泵机组实际出水温度确定地埋管系统 的设计，而不应片面的认为某一进水温度下单位井深换热量具有普遍适应性。 2）地埋管类型和管长影响着单位井深换热量。 3）地埋管内水的流量对单位井深换热量有影响，且会引起埋管的出口水温的变化，从而导致热泵 机组的性能，同时考虑到管内阻力，应设计选取合理的流速。参考文献参考文献1 GB 503662005 地源热泵系统工程技术规范.2 Zhang Q, Murphy W E. Measurement of thermal conductivity for three borehole fill materia
15、ls used for GSHP. ASHRAE Transactions, 2000, 106(1): 434-441.3 Austin W A, Yavuzturk C, Spitler J D. Development of an in-situ system and analysis procedure for measuring ground thermal properties. ASHRAE Transactions, 2000, 106(1): 365-379.4 Beier R A, Smith M. Minimum duration of in-situ tests on vertical boreholes. ASHRAE Transactions, 2003, 109(2): 475-486.
