地埋管系统土壤换热能力的研究

摘要：本为主要对地埋管热泵系统竖直换热器的单位井深换热能力的研究，通过分析在不同进水温度和流量条件下竖直埋管换热器单位井深换热量测试的结果，得出进水温度和流量对竖直埋管换热器单位井深换热量的影响规律。结果表明，在不同进水温度和流量的条件下竖直埋管换热器单位井深换热量是不同的，在实际工程测量中应考虑合适的进水温度和流量，以便给设计者提供更准确的土壤换热能力的数据。

关键词：地埋管热泵系统 竖直埋管换热器 换热量

1 引言

土壤换热器的设计是土壤源热泵系统设计的关键部分。由于土壤源热泵设计的特殊性，在设计前期必须对该工程所在地做土壤的热响应测试实验，为后期进行地下换热器系统设计提供比较准确的数据依据。

地埋管热泵系统中冷、热源是地下土壤中蕴含的能量，这种能量通过与地埋管中的流体进行热交换，并以该流体为载体进入地埋管热泵机组实现制冷与供热。这时地埋管与其中的流体就构成的地埋管热泵系统中的换热器，它属于非稳态不仅涉及时间跨度长而且空间区域大。换热器的换热特性对地埋管热泵系统性能起着决定性的作用，直接影响地埋管换热器的设计，进而决定了地埋管热泵系统的经济性和运行的可靠性。地埋管热泵系统的地下换热器的形式主要有水平埋管、竖直埋管两种，本为以竖直埋管换热器为例研究进水温度和流量对换热器换热能的影响。

在实际工程中最常用埋管形式的是竖直埋管，竖直埋管换热器管长的设计主要依据文献[1]中的公式：

夏季制冷工况时埋管长度的计算公式

（1）

冬季供热工况时埋管长度的计算公式

（2）

上式表明，在一定的换热负荷条件下决定地埋管长度的主要是土壤层热物性。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。

本次测试数据的处理采用热线源理论（钻井周围的构造都处于不受热扰动影响的温度场内，经过一定的时间，可得到向钻井散出的热量的热扩散率，从而求出导热系数）。在线热源理论和模型中。有以下公式：

2 实验装置简介

2.1 实验装置组成

实验装置是利用安徽建筑工业学院建筑节能研究院的土壤热物性测试仪，测试仪原理如图1所示。该仪器已经完成在安徽建筑工业学院南区的原始地温测试、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。实验系统主要装置配置如图2所示。

1 阀门 2 测温传感器 3 压差传感器 4 回水箱 5阀门 6风冷热泵机组 7 阀门8 供水箱 9 水泵 10 阀门 11 流量传感器 12压差传感器 13测温传感器 14 阀门

该系统主要由热泵机组、循环水泵、温度传感器、数据采集系统和相关附件组成，其进、出水管路系统与冷热源机组和数据采集系统相连。

2.2 数据采集

本次测试的竖直埋管测试井1口，井深150m，地埋管内循环流体介质为水。该套仪器设备在研究地埋管换热器的传热性能及其运行规律时的测试时间为90小时。

2.2.1 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，主要从地埋管进出口的水温上反映出来。通过温度的变化，来计算出单位井深的换热能力。

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160～1600 L/h，精度1.0级，被测介质温度范围0～120℃，压力≤0.6MPa。

3 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。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，实验井命名为1号井，深度为150m。

在测试初始阶段，首先对地下土壤的原始温度进行测试，为以后进行地下换热器的设计提供参数。开启水泵循环直到测试流体的进出水温度趋于恒定，这时可以认为该温度值即为地下换热器埋深范围内的岩土层的原始平均温度。数据分析入下表所示：

实验得出地下换热器埋深范围内的岩土层的原始平均进水温度Temp1为18.75℃，原始平均出水温度Temp2为17.83℃。岩土初始平均温度Taver为18.29℃。

3.1 流量对单位井深换热量的影响

测试过程中系统的地下换热器进水温度和地下换热器出水温度随加热时间的变化曲线如图（4）所示，其反映的是地下换热器换热量的变化规律，但测试时的地下换热器的进出水温度并不代表将来地下换热器系统的运行温度。

实验中1号井的进口水温保持12℃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5所示。在流量从600L/h变化到800L/h，单位井深平均换热量从48.3w/m增加到51.2w/m，产生这种情况的主要原因是随着流速的增加，地埋管中的湍流就会变的更强烈，管内的水和管壁的对流换热系数也会变大，最终导致换热量的增加。由于随着流速的不断增大，水流经地埋管的压力损失必然会增加，这会增大循环水泵的扬程，使系统的泵耗增大。因此地埋管换热器设计中应选择合适的流量。

3.3 进水温度对单位井深换热量的影响

实验中1号井井在相同的实验条件下只将地埋管进口水温从10℃提高到12℃，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

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：

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

[1] GB 50366-2005 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 materials 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.

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