地源熱泵土壤熱物性測試與分析

趙 進,王景剛,杜梅霞,高曉霞

（河北工程大學城建學院,河北邯鄲 056038）

以土壤作為低溫熱源,并且采用地埋管方式的地源熱泵與其它類型的熱泵相比,有熱源理想,環境影響小,運行及維修費用低廉,壽命長等優勢[1],但是巖土熱物性參數不準確,導致設計的系統負荷與實際負荷不相匹配,使地下換熱器的準確設計受到影響[2],因此熱物性是地埋管換熱系統設計重要參數,對于具體工程而言,不同地層地質條件下某些地下巖土的熱物性相差 10倍之多[3]。研究結果表明,當地下巖土的導熱系數或導溫系數發生10%的偏差,則設計的埋管偏差為4.5%～5.8%,環管的最高溫度產生 1.1℃～1.2℃偏差,而最低溫度的偏差也有0.3℃～0.4℃,制冷能力和制熱能力有1%的變化[4]。特別對于豎直埋管的土壤源熱泵系統,埋管長度的偏差將導致鉆孔總長度的變化,由于鉆孔成本極高,從而導致系統的初投資遠遠偏離實際造價?？梢?對于地下巖土的熱物理性質的研究是非常必要的,該研究直接決定了土壤源熱泵系統的經濟性和實用性,如何確定熱物性參數就成為一個迫切需要解決的問題,目前熱物性的測定方法主要有穩態測試法、實驗室取樣測試法、現場測試法。本實驗采用現場測試方法測出鉆孔周圍巖土體的熱物性參數,得到的數據更符合工程實際,為地源熱泵系統的準確設計提供了依據。

1 實驗裝置與原理

1.1 實驗裝置

設計了土壤源熱泵實驗系統,地下埋管系統有2眼埋管井,鉆孔直徑為 150mm,鉆孔深度120m,埋管換熱器以水為循環介質,采用高密度聚乙烯塑料管（HDPE）U型埋管換熱器,直徑分別為25mm、32mm,實驗臺地下共布置了 52個鎧裝PT100熱電阻,用于測量PE管和測試井在不同深度的溫度變化。本實驗選擇32mm的埋管進行試驗,地上移動式測試車主要包括循環水箱、水泵、流量計、球閥、管道、數據采集模塊、電腦等部件。其中循環水箱1個,體積為0.2m3,水箱內的加熱器功率調節范圍為0kW～16.5kW,循環水泵1臺,熱電阻溫度傳感器2只,電磁流量計、電壓表、電流表各1只。實驗臺需要采集溫度、流量、加熱功率等數據,測試地點距離土壤導熱系數測定儀約為2m左右,水管全部用1cm厚的橡塑管保溫。鉆井水文地質資料分析表明,地下30m以上主要為粘土層,30～50m處主要為卵石礫石層,地下50m處主要為砂土層,地下含水量豐富,土壤類型屬文獻分類標準[5]中的重土飽和潮濕型。

1.2 實驗原理

恒熱流測試法是在保持加熱功率恒定的情況下測量地下土壤散熱功率,當加熱功率與土壤散熱功率相等（相近）時,然后利用已知條件反解傳熱模型可以求出巖土導熱系數。由圖1可以看出,流體經過電加熱器加熱后,經循環水泵被送入到地下,由于加熱后的流體溫度高于地下土壤的溫度,故熱量通過管壁由流體向土壤放熱,這樣從地下再回到測試儀中的流體的溫度就存在一定的變化,這就是地下土壤的溫度響應。地下未擾動的地層原始溫度一般地埋管內注滿水后靜止1d～2d后測試,測試裝置在加熱器突然運行前,使循環水泵連續運行20min,每隔1min記錄一次地埋管進出口水溫,地埋管進口溫度不斷升高一直到與出口溫度相等,如果水泵繼續運行,會由于水泵的散熱使進出口溫度緩慢升高,則關閉水泵并將進出口溫度相等時刻的溫度近似等于地下無干擾地溫[6],并采用線熱源模型Ingersoll方法對測試數據進行分析。

式中Tf—循環流體的平均溫度;Tff—無窮遠處土壤溫度;ql—單位長度埋管的換熱量;λs—周圍巖土的導熱系數;Rb—鉆孔傳熱熱阻;τ—時間。

當τ為τ1和 τ2時,循環流體的溫度分別為Tf1和Tf2,代入上式并簡化得出以下關系

進而可以得出土壤的導熱系數

根據測試數據,利用自主開發的軟件可以得出加熱狀態下環路平均溫度 Tf對應時間變化的曲線圖計算出巖土熱物性導熱系數。

2 結果與分析

為了分析土壤初始溫度對導熱系數影響,系統連續運行150小時,分別計算16℃,16.5℃,17℃,17.5℃,18℃,18.5℃時的土壤導熱系數。從圖2可以看出,隨著土壤初始溫度的增加,土壤導熱系數幾乎直線上升,土壤初始溫度對計算結果影響非常大,所以在測試時要盡可能提高土壤初始溫度的測量精度。土壤初始溫度每增加1℃,土壤導熱系數約增高0.7W/（m·℃）。以實測土壤初始溫度16℃為基點,0.5℃測量偏差,導致土壤導熱系數計算結果偏差可達10%以上。從圖3可以看出前20h埋管進出口溫度變化較大,連續運行40h后,溫度變化率逐漸變小,50h左右埋管進出口溫差基本保持在4.61℃左右。

從圖4可以看出,土壤導熱系數在3.109～5.232之間變化,開始時有一些波動然后趨于穩定,隨著測試時間的增加,到50小時左右時,土壤導熱系數逐漸穩定,收斂于3.109W/（m·℃）。這主要是因為測試初期傳熱不穩定,但運行一段時間后可認為達到準穩態。從圖5可以看出,測得地下無干擾地溫后,即可進行地埋管進出口溫度的熱響應測試,測試時間60h,這樣既可以保證獲得正確的導熱系數,又可以避免測試時間過長。電加熱器開啟的功率為5kW,由于現場電流、電壓的波動,實際電流和電壓值通過電流表、電壓表實時讀取與記錄,其平均值作為實際電加熱功率。

從圖6可以看出,土壤冬季熱物性測試單位管長換熱率在39W/m～44W/m的范圍內變化時,測得土壤導熱系數在3.109～5.232范圍變化。從圖7可以看出,在前50h以內地層換熱量和輸入功率相差比較大,這是由于最初一段時間內,熱量傳遞主要在井孔內進行,循環水溫上升比較快,隨著測試時間的增加,循環水溫上升越來越慢,近似于穩態傳熱過程,吸熱量與放熱量逐漸趨于平衡。

3 結論

1）測量時間達到50h后,計算結果波動逐漸減小并趨于收斂。

2）未擾動土壤溫度以及給定PE管材的條件下,平均導熱系數為3.489 W/（m·℃）。

3）土壤初始溫度對計算結果影響非常大,所以在測試時要盡可能提高土壤初始溫度的測量精度。

[1]江億.我國建筑耗能狀況及有效的節能途徑[J].暖通空調,2005,35（5）:30-40.

[2]楊衛波.基于解析法的地下巖土熱物性現場測試方法的探討[J].建筑科學,2009,25（8）:84-84.

[3]HELLSTROM G.Ground heat storage-thermal analyses of duct storage system[D].Sweden:University of Lund,1991.

[4]王補宣.多孔介質的傳熱傳質[J].清華大學學報（自然科學版）,1992,32（增1期）:125-129.

[5]美國制冷空調工程師協會.地源熱泵工程技術指南[M].徐偉譯.北京:中國建筑工業出版社,2001.

[6]王書中,由世俊,張光平.熱響應測試在土壤熱交換器設計中的應用[J].太陽能學報,2007,28（4）:405-410.