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地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

更新时间:2019-11-17 11:19人气:6349
摘要:試驗研究了兩種不同回填材料地埋管換熱器的熱響應性能、地源熱泵運行對地源溫度場的感化。熱響應測試發現回填材料黃沙+膨潤土的傳熱能力優於水泥漿+膨潤土,散熱能力前者高於後者11%。對某地源熱泵的運行測試發現,在地下10m地埋管井壁處土壤最高溫度出現在9月初、最低溫度出現在3月初,隨離井間隔的增加,井外測點溫度出現最值的時間延後2~3個月。數據顯示,一年後井外測點地下溫度場有1.9~2.2K不等的溫升,升高程度隨離井間隔的增加而增加。本文對優化地源熱泵設計、探討地源熱泵的可持續運行具有參考價值。關鍵詞:回填材料;地源熱泵;土壤溫度場中圖分類號:TK529 文獻標識碼: A1 前言地埋管地源熱泵技術由於其節能和環保的特點正受到愈來愈多的關注 。然而地埋管地源熱泵的推廣需要開展對地埋管換熱器存在的一些利用和理論題目的研究,其中包括選擇合適回填材料、熱泵係統對地埋管區域土壤感化時的溫度變化題目等。比較理想的回填材料,不僅具有良好的護壁感化,還能降低埋管井與周邊土壤的熱阻,進步換熱器管網對地下土壤的傳熱性能,減少地埋管的工程和造價,同時還能改善熱泵的運行參數,進步係統的節能潛力。在熱泵係統運行期間,地下土壤溫度場的穩定性是關係到係統運行的可靠性和可持續性的題目。對於夏熱冬冷的華東地區,地源熱泵通過地埋管與地下土壤進行取熱和散熱的雙向傳熱感化,相對於單一製熱的北方地區和單一製冷的南方地區,華東地區為地源熱泵提供了理想的利用環境。但是,對於所有地埋管型地源熱泵來說,地下土壤溫度場的穩定性題目仍然是值得關注的大題目。熱泵係統的冷熱負荷對地下的熱感化很難自然取得平衡,需要調查地下溫度場的變化特性,以便擬定優化的設計方案,確保係統長期穩定可靠的節能運行[1]。目前國內對回填材料和地下土壤熱平衡題目的研究局限於計算機模擬或短期試驗研究[2~4],缺少可靠的試驗丈量數據。本文以夏熱冬冷的華東地區為對象,采用現場測試的方法,對比研究了兩種不同回填材料對地埋管換熱器傳熱性能的影響;在地源熱泵地埋管區域的土壤中安裝溫度傳感器,根據對地源熱泵運行期間地下溫度場的數據采集,分析了係統運行中埋管換熱器四周不同位置處土壤溫度場的變化特性。2 不同回填材料地埋管換熱器的熱響應測試對地埋管換熱器的熱響應測試采用了專門設計製造的試驗台,如圖1所示 。該試驗台包括測試設備、控製設備、丈量設備、數據采集係統等部分。測試設備能夠模擬夏天製冷工況和冬天製熱工況,製成所需要的冷水和熱水,用於傳熱試驗。控製設備能夠根據需要調節所需要的供水溫度 、流量和壓力。丈量設備由傳感器和儀表構成,用於丈量係統的溫度、壓力、流量等參數。控製設備和丈量設備均采用美國NI的FP模塊,使用485通訊協議,實現模塊與上位機之間的聯係。數據采集係統基於Labview軟件平台,開發了主動化數據采集、數據存儲、安全控製的計算機程序,該程序還具備長途控製和長途數據采集的功能。為了進步測試精度,對傳感器進行了校驗。溫度傳感器的校驗在恒溫水浴中進行,采用0.1K刻度的試驗室水銀溫度計作為標準值,在0~50℃的溫度區間上,間隔3K,調節獲得穩定的水溫後,開始讀數,Labview校正程序每隔5s掃描一次傳感器的溫度值,采用相鄰6個掃描值的均勻值作為每個溫度傳感器的讀數,同時記錄水銀溫度計的讀數。在流量傳感器的校正中,利用水桶和秒表,采用了稱重法與體積丈量法相結合,與電子流量計的讀數相對照。根據校正的結果,對每個傳感器進行曲線擬合,保證試驗結果分析的精度 。選擇黃沙+膨潤土、水泥漿+膨潤土作為兩種對比測試的回填材料,采用DN25的HDPE管作為換熱器管道,井口直徑110mm,打井深度60m,製成了1#和2#地埋管換熱器,具體數據如表1所示。熱響應測試采用恒熱流法,分別模擬熱泵的夏季製冷工況和冬季製熱工況 。夏季製冷工況時,需要丈量地埋管換熱器向周邊土壤的散熱能力,保持換熱器HDPE的水流流量和熱流流量穩定,測試48h以上,保存所有傳感器的測試數據;采用類似方法,利用熱泵製成需要的冷水,模擬冬季供熱工況,測試換熱器從周邊土壤的取熱能力。在測試中1#井和2#井首先同時進行散熱能力的熱響應測試,經過48h的穩定測試後,獲得的散熱試驗的運行數據(表2);然後停止測試,讓地下土壤獲得一個溫度恢複的過程;待地下土壤溫度場基本恢複後,開展冬季取熱的模擬測試,其48h穩定運行後的數據如表2所示。從表2可看出,無論對於夏季散熱還是冬季取熱,1#井與2#井在進水溫度與流量均接近的情況下,1#井的進出口溫差比2#井大,是以1#井對周邊土壤的傳熱量大於2#井。比較同一個井夏季工況與冬季工況的傳熱情況可以看出,在流量接近的情況下,夏季的進出口溫差大於冬季,這是由於夏季埋管中循環水與四周土壤的溫差高於冬季。根據實際丈量的土壤原始溫度 、采集的地埋管的48h溫度曲線、熱流量數據,采用熱響應分析的方法,根據線熱源模型,可以回回出土壤的有效導熱係數,從而分別計算出各個換熱器在出水溫度為35℃時的單位井深散熱能力,同樣的方法獲取各個換熱器在5℃時的等效取熱能力(如表3所示)。從表3可以看到,進水溫度35℃時,1#井埋管單位井深的傳熱量比2#井埋管高11%。進水溫度為5℃時,1#井單位井深傳熱量比2#高井5%,兩種工況均表明1#井的傳熱效果優於2#井,表明回填材料黃沙+膨潤土的傳熱性能比水泥漿+膨潤土的好。2#井埋管采用的PE管分隔夾具有減小熱短路、進步傳熱性能的功能。但是在本試驗中2#井埋管的傳熱能力反而低於沒有支承的1#井埋管,這首要是由回填材料釀成的,這說明回填材料對傳熱的影響比支承更明顯。假如排除塑料夾的影響,以黃沙+硼潤土作為回填材料的傳熱性能比采用對比回填材料的傳熱性能進步幅度會更大。3 地埋管換熱器四周土壤溫度場的測試與分析地源熱泵的運行測試選在夏熱冬冷的華東地區,建築物同時具有供冷和供熱兩種需求,地源熱泵常年運行,製冷運行150天擺布、製熱運行120天擺布。為了綜合研究地下溫度場的變化情況,在地埋管換熱器安裝的不同區域安裝了一定數目的溫度傳感器(如圖2),選取3個彼此不相鄰地埋管換熱器3#、4#和5#,井深30m,分別在井的內壁和井外埋設溫度傳感器,傳感器埋深為10m,測點4~6在井內壁,測點1、2、3、7、8、9 、10在井外,沿井徑向方向的間隔順次相隔0.5m 。圖3和圖4為熱泵運行期間相應測點的溫度采集,出發點為4月底,終點為次年4月底,顯示了熱泵運行一年期間各測點的溫度變化曲線。圖3顯示運行一年中測點2、3溫度最大值出現在10月初,測點1最大值出現在11月初。測點1~3的年溫升分別為2.1℃、2.0℃、1.9℃,表明3#井埋管的熱影響已傳遞到井外1.5m以外的地方。從圖4可以看出,測點7、8溫度最大值出現在11月初,測點9 、10溫度最大值出現在12月初。運行一年後,測點7~10的年溫升分別為2.1℃、2.1℃、2.2℃、2.2℃ 。表明5#井埋管的熱影響已傳遞到井外2.0m以外的地方,且距井外壁越遠,溫升反而越大,溫度出現最大值的時間向後延遲。在圖2中所示的三個井內壁的溫度測點4、5、6處的土壤溫度的變化曲線如圖5所示,從圖5中曲線的變化趨勢可以看出,3#井、4#井 、5#井在供冷季與供熱季土壤溫度隨時間的變化曲線的斜率順次變大。表明管內流體溫度對井內壁土壤溫度的影響順次更直接更迅速。可以看到,井內壁處溫度曲線峰值出現9月初,穀值出現在3月初,表明此處土壤溫度出現最值的時間與地表氣溫幾乎是同步的 。與圖3、圖4曲線相比,提早了2~3個月擺布,說明同在換熱器四周,距埋管換熱器越近,該處溫度受管內流體熱(冷)感化的影響越直接。4 結論(1)回填材料黃沙+膨潤土的傳熱性能優於水泥漿+膨潤土。散熱能力在進水溫度35℃時前者比後者高11%擺布,取熱能力在進水溫度5℃時高5%擺布。采用黃沙+膨潤土的井埋管還比采用水泥漿+膨潤土的井埋管提供更大的進出口溫差;(2)換熱井內壁處土壤溫度曲線波峰出現在9月初,波穀在3月初,在井外,隨著離井間隔的增加,溫度曲線出現峰穀值的時間將向後延遲2~3個月。運行一年後,井埋管四周土壤溫度升高,間隔井埋管越遠,溫升幅度越大;(3)地埋管換熱器四周土壤溫度場的偏移現象說明,該熱泵對地埋管區域土壤的排熱量大於取熱量。對於夏熱冬冷的華東地區來說,建築物需要的製冷能量大於製熱能量,加上壓縮機、水泵、風機等設備的功耗,地源熱泵對地下土壤的製冷排熱量要比製熱取熱量大一倍擺布,如何采取技術措施,實現地下土壤的熱平衡,對確保地源熱泵持續可靠運行來說非常首要。參考文獻[1] 陳衛翠,劉巧玲,賈立群,等.高性能地埋管換熱器鑽孔回填材料的實驗研究[J].熱通空調,2006,36(9):1-6.[2] 趙軍,張春雷,李新國,等.U型埋管地源熱泵係統實驗研究[J].華北電力大學學報,2004,31(6),65-67.[3] 趙軍,宋德坤,李新國,等.埋地換熱器放熱工況的現場運行試驗研究[J].太陽能學報,2005,26(2):162-165.[4] 劉猛,何雪冰,劉憲英.某室第地源熱泵係統夏季運行測試研究[J].熱通空調,2005,36(1):118-121.[5] MurayaNK.ThermalinterferenceofadjacentlegsinaverticalU-tubeheatexchangerforaground-coupled

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