摘要：以長三角某地區地源熱泵實際工程為試驗平臺，模擬了地源熱泵地埋管換熱器。取放熱實際運行工況，分析了地埋管換熱器與周圍土壤之間的換熱狀況，確定了該地源熱泵系統地埋管換熱器的實際換熱量。為工程設計提供了參考。
Abstract: with the long triangle of a certain area in the ground source heat pump real engineering test platform, and simulated the ground source heat pump buried tube heat exchanger. Take heat release actual operation condition, analyses the heat exchanger and between soil around the heat transfer condition of, make sure the area ground source heat pump system of the heat exchanger actual change of heat. Provides the reference for the engineering design.
地源熱泵系統的技術日益成熟,在國外已經得到了廣泛的應用，目前在國內大力推行節能減排的形勢下，地源熱泵系統也得到大力的推廣，但由于不同地區的地質、氣候等條件存在很大的差異,對地源熱泵系統的空調的運行效果有極大的影響，故應針對不同的地區的實際工程進行測量試驗，為該地區的地源熱泵系統的工程設計提供技術數據。本文以長三角地區某個典型地源熱泵空調系統為研究對象，進行了模擬實際地源熱泵地埋管換熱器運行工況下的地下巖土的熱響應測試，分析了地埋管換熱器與周圍土壤之間的換熱狀況,確定了該地源熱泵系統地埋管換熱器的實際換熱量,為此地源熱泵空調系統的設計提供了工程參考。
1.工程介紹以及試驗方案
本項目建筑面積近1800 m2，擬采用地源熱泵系統。測試孔為兩個，分別采用雙U25型PE管下管，埋管深度80米，采用5%膨潤土和95%黃沙回填。埋管之間在埋管上每隔十米綁定溫度探頭，用來測量地下土壤的溫度分布。
2.熱響應測試裝置介紹
采用自主設計的熱響應測試系統完成測試,該系統既能進行放熱試驗,又能進行吸熱試驗。整個系統包含電加熱系統、制冷系統、循環系統、數據采集系統。
1) 電加熱系統:采用電加熱管,最大加熱功率6 kW ,可以根據試驗孔深度采用可控硅調整加熱功率。
2) 制冷系統:選用了1臺風冷冷水機,額定制冷量9 kW，壓縮機采用變頻技術，可以根據試驗孔的深度調整制冷量。
3) 循環系統:包括保溫水箱、循環水泵、管道、過濾器、閥門等。
4) 數據采集系統:采用GPRS遠程采集系統，采集數據包括地埋管進、出口溫度，壓力,水箱水位,循環流量,加熱器功率等。流量計采用電磁流量計。溫度測量采用Pt100 鉑電阻溫度傳感器。
3.測試數據分析
3.1 地下巖土初始溫度
在模擬取放熱工況之前，系統水泵開啟，觀察地埋管內流體進出口溫度的變化，達到穩定時的埋管出口溫度即可認為是地下巖土的初始溫度。
本工程中：1#測試井的出口溫度為18.5℃，2#測試井的出口溫度為18.1℃，工程區土壤溫度18.3℃。
3.2 地下巖土熱物性參數
土壤的平均導熱系數λ5是綜合地下換熱器埋深范圍內的其他因素的綜合系數。根據線熱源理論，埋管換熱介質的平均溫度和時間的對數成線性關系，將二者函數關系擬合成一條直線，得到斜率K和截距，根據以下公式計算出巖土的綜合導熱系數：
q
λ5=--------
4πK
式中： q————恒功率加熱時埋管每延米的換熱量
K————擬合曲線的斜率
表1給出了巖土的熱物性參數：
表1 巖土熱物性參數匯總
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導熱系數[W/(m·℃)] |
熱容[kJ/(m3·℃)] |
鉆孔熱阻[(m·℃) /W] |
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1#雙U |
1.87 |
2311.53 |
0.2476 |
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2#雙U |
1.92 |
2365.67 |
0.2658 |
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平均值 |
1.89 |
2338.60 |
0.2567 |
3.3 模擬夏季放熱工況測試結果
穩定工況測試是通過模擬地埋管換熱器的實際運行工況，測定地埋管換熱器在該運行工況下的實際換熱能力的測試方法。
本次測試對1#、2# 測試孔模擬夏季運行工況，采用恒功率加熱，地埋管換熱器進水溫度設定為35 ℃,流速控制在0.6m /s，模擬時間采用規范規定的最低時間48個小時，圖1和圖2分別給出了1#和2#井48小時內地埋管進出水溫的變化曲線，可以看出48小時內，進出口水溫變化已趨于穩定。表2 給出了模擬夏季工況的地埋管放熱量。
表2 模擬夏季工況的地埋管放熱量
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1#埋管 |
2#埋管 |
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單位長度的放熱量[W/m] |
60.2 |
61.3 |
3.4 模擬冬季取熱工況的試驗結果
測試對1#,2# 測試孔模擬冬季運行工況，采用恒功率制冷，地埋管換熱器進水溫度設定為7 ℃,流速控制在0.6m /s,模擬時間采用規范規定的最低時間48個小時，圖3和圖4分別給出了1#和2#井48小時內地埋管進出水溫的變化曲線，可以看出48小時內，進出口水溫變化已趨于穩定。表3給出了模擬冬季工況的地埋管放熱量。
表3 模擬冬季工況的地埋管取熱量
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1#埋管 |
2#埋管 |
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單位長度的取熱量[W/m] |
52.1 |
51.3 |
4 結論
采用自主開發的地源熱泵熱響應測試裝置對長三角某地源熱泵工程項目的兩口測試井進行了地下巖土的熱響應測試，得到如下結論。
1) 項目場地地下巖土的初始平均溫度為18.3℃;
2) 項目場地地下巖土的導熱系數為1.89 W/(m·℃);
3) 項目場地1#埋管單位長度放熱量為60.2 W/m，單位長度取熱量為52.1 W/m;
4) 項目場地2#埋管單位長度放熱量為61.3 W/m，單位長度取熱量為51.3 W/m;
5) 單位孔深吸放熱量只能作為參考,深化設計需要按規范進行詳細計算。
參考文獻
[1] GB50366-2005 (2009 版)，中國建筑工業出版社，地源熱泵系統工程技術規范[S].
