杨如辉,李海涛,贾德成

(驻马店市建筑勘察设计院有限公司,河南驻马店463000)

引言

在能源不足和环境污染严重的今天,对新能源的开发利用已成为必然趋势。浅层地热能是一种可再生的新型环保能源,是地热资源的一部分,是很好的替代能源和清洁能源,地源热泵技术就是利用浅层地热能的一种形式[1]。地源热泵是以浅层地热能作为热源的热泵,将地埋管换热器埋设于地下,通过循环液与土壤进行热交换。地源热泵的地埋管换热器的埋设方式主要有水平埋设、竖直埋设和螺旋埋设,竖直地埋管换热器热泵系统占地面积小,土壤温度和热特性变化小,系统运行稳定,已成为目前广泛应用的系统形式。

岩土的热物性参数是地埋管地源热泵系统设计的重要依据,我国新修订的GB 50366-2005(2009年版)地源热泵系统工程技术规范[2]规定:当地埋管地源热泵系统的应用建筑面积在3000～5000m2时,宜进行岩土热响应实验;当地埋管地源热泵系统的应用建筑面积不小于5000m2时,应进行岩土热响应实验。热响应测试的主要目的就是准确获得岩土的热物性参数,了解地埋管换热器的换热能力。如果热物性参数不准确,则设计的系统可能达不到负荷需要;也可能规模过大,从而加大初期投资[3]。本文通过一工程实例,对竖直地埋管换热器进行现场热响应测试,得到岩土的导热系数、单位井深换热量,并运用TRNSYS软件对测试结果的准确性进行验证,为地埋管地源热泵系统的设计提供基础数据。

1 数学模型

地埋管地源热泵系统的传热是一个复杂的三维非稳态过程,目前计算地埋管换热器与土壤传热较为成熟的模型有线热源模型和圆柱热源模型,实际工程中大多采用线热源模型[4-5]。假定钻井处于不受热扰动影响的温度场内,且经过一定的时间,可得到钻井散出的热量的热扩散率,则可用简化了的线热源公式计算土壤导热系数,通过测量温度、流量进行反向推算土壤传热性能。其基本原理如下[6-7]:

式中:Tf为埋管内流体平均温度 (取入口与出口的平均值),℃;Φheat为加热功率,W;λ为土壤的热导率,W/(m·K);H为孔深,m;a为热扩散率,m2/s;t为测试时间,s;r为半径,m;γ为欧拉常数,取0.5772;Rb为钻孔热阻,m·K/W;T0为岩土远处未受扰动的温度,℃。

通过计算温度与自然对数时间曲线的斜率k可以得到温度的响应规律:

绘出Tf随In t的变化曲线,由式 (3)及该曲线斜率,可计算得到热导率λ。再根据当地地质资料估计土壤的体积比热容c,本次取2.8×106J/(m3·K),计算得到热扩散率a,由式 (1)可计算得到钻孔热阻[8]。其中a的计算式为:

式中:Φ为换热量,kW;qm为质量流量,kg/s;cp为水的比定压热容,为4.1868 kJ/(kg·℃);Tout为流出地下埋管的水温,℃;Tin为流入地下埋管的水温,℃。

单位孔深换热量的计算式为:

式中:q为单位孔深换热量,kW/m;H为孔深,m。

2 测试系统及测试方法

实验测试系统主要分为两部分:岩土原始温度的测试和放热工况下竖直双U型地埋管换热器的散热实验测试。测试系统原理如图1所示,主要由地埋管换热器、循环水泵、电加热器和数据采集仪组成。

图1 测试系统原理图

通过补水箱将水注入测试系统中,打开排气阀 排除系统中的空气,由循环水泵驱动循环水在地埋管换热器和水箱之间流动,循环水在保温水箱中被电加热器加热,温度升高,由温度传感器测出其温度,流量计测出其流量,循环水再通过地埋管,循环水与岩土进行热交换,温度降低,由温度传感器测出其出水温度,可以通过变频器调节循环水泵的工作频率,无级调整循环水流量的大小,但应保证循环水处于紊流状态。模拟夏季放热试验时,采用恒热流法热响应测试,通过控制加热量及水流量,保持加热功率恒定,使系统达到基本稳定后,稳定控制在35～37℃左右,控制流速在0.5～0.7 m/s,连续测试时间不少于48 h[9]。

为防止测试现场的电压不稳定,测试电源先通过一台单相稳压电源,再供给测试设备,以保证放热功率恒定,从而尽量使输出温度恒定。电加热器为可调节式,调节范围为0～10 kW。温度传感器采用A级PT100型铂电阻传感器,测试数据线都是使用铜网屏蔽电缆,为了保证测试精度,在试验之前和试验之后,对所有温度传感器进行了校正与标定,其方法是在恒温水域中,用精密的水银温度计作为标准温度读数,在测试的整个温度区间 (-15～40℃)上,对PT100温度传感器进行校正,获得每个传感器校正误差数组,拟合成校正曲线。通过校正,把温度测量的误差控制在±0.15℃以下。流量传感器采用等级为0.5%的高精度涡轮流量传感器。在数据采集和控制系统中,硬件系统是采用16通道的无纸记录仪来进行温度和流量数据的采集工作,由无纸记录仪上的U盘自动进行数据的记录和保存,每隔5s扫描一次所有传感器并保存数据。在数据采集过程中,通过拟合流量计输出曲线的方法,保证在试验中的实际测量误差低于0.5%。在测试期间,采取了多项技术措施,以屏蔽现场电磁信号对电器部件、流量传感器的干扰,其中包括在试验台附近构造现场地线的方法,有效的控制了干扰信号。为了保证测试精度,机组到地埋管之间的管道都包扎了20 mm厚的保温材料。

对株洲市某办公大楼竖直地埋管换热器进行热响应测试,其钻井深度为101 m,钻孔直径为150 mm。竖直地埋管换热器形式为双U型管,埋管深度为100 m,回填材料采用黄沙原浆混合回填。地埋管采用高密度聚乙烯塑料管 (HDPE管),管外径为25 mm,管内径为20.4 mm,导热系数为0.44 W/(m·K)。

3 测试结果与分析

测试首先进行的是岩土初始平均温度的测试,然后模拟夏季空调的制冷实验,测量试验井竖直双U型埋管换热器的放热能力。主要记录的数据为竖直地埋管换热器中流体的进出口温度和流量。

3.1 岩土初始平均温度测试

岩土初始平均温度测试在埋管封口一周后进行,采用无功循环法,在不开启电加热器的情况下,运行循环水泵,测量循环流体的进出口温度,连续测量12 h,当进出口温度基本维持不变时,以出口温度作为岩土的初始平均温度,测得岩土初始平均温度为19.8℃。

3.2 地埋管热响应测试

对竖直地埋管换热器进行放热性能测试,测试时保持加热功率恒定,通过循环水泵不断向地埋管输入一定温度的热水,并分别对进、出水地埋管中的水温进行连续测读,持续时间为48 h。进、出水管口温度变化如图2所示。

图2 地埋管进出口水温度随时间变化曲线

从图中可以看出,地埋管在经过一段时间水循环后,进出水口温度均基本恒定,表明此时地下热交换已基本达到平衡状态,据此可以得出本次地埋管单位管长的平均放热率。稳定后的水流量为1.2 m3/h,进水温度为35℃,进出水温差为5℃,根据式 (6)可以得到100 m深度的双U型竖直地埋管每米孔深的平均放热能力为69.4 W/m。

3.3 岩土导热系数

地埋管放热工况下实测的进出水平均温度变化和根据其绘制出的对数时间曲线如图3所示,实测数据和对数曲线拟合良好。

图3 地埋管中流体平均温度变化曲线

从图中可以看出,拟合曲线的斜率值k=2.138,b=24.603。由测试原理中的公式,根据实测的100 m深的竖直地埋管放热过程中的进出水温度数据,得到该地热井周围的土壤导热系数 λ=2.6 W/(m·K),钻孔热阻Rb=0.31 m·K/W。

4 瞬时动态数值模拟

为了验证测试的准确性,运用TRNSYS软件对竖直双U型地埋管换热器的换热过程进行瞬时动态模拟。在TRNSYS环境中利用TRNSYS软件中已有的基本模块,建立地埋管换热模型,需要的主要模块有热负荷模块、地埋管模块、控制模块和输出模块,需要输入的参数包括:钻孔尺寸、测试得到的地埋管逐时进水温度、地埋管水流量、原始地温、土壤体积比热容以及待估参数土壤导热系数和钻孔热阻。瞬时换热动态数值模拟流程如图4所示。

图4 换热动态模拟流程

根据给定的输入参数,TRNSYS软件计算出了地埋管的逐时出水温度,将计算值和测试值进行比较,如图5所示。

图5 计算结果与测试结果对比

从图中可以看出竖直地埋管的测试出水温度和计算出水温度重合度较高,计算得到的拟合优度为0.9976,说明测试值和计算值相当符合,验证了测试的准确性。

5 结论

(1)针对株洲市某一工程实例,对竖直双U型地埋管换热器进行放热工况下的热响应测试,并根据线热源模型理论进行数据处理,得到地埋管换热器的相关热物性参数:岩土的初始平均温度为19.8℃;进水温度为35℃时,每米孔深的平均放热能力为69.4 W/m;岩土导热系数为2.6 W/(m·K),钻孔热阻为0.31 m·K/W。

(2)运用TRNSYS软件对竖直双U型地埋管换热器的换热过程进行瞬时动态模拟,计算出了地埋管的出水温度,计算值和测试值拟合度较高,验证了测试的准确性。

(3)根据线热源模型进行地埋管热响应测试,测试结果为实际工程的设计提供基础参考数据。由于测试未考虑地下水渗流、回填材料与岩土的差异等因素对测试的影响,所以测试有一定的局限性,需要进一步的研究。

[1]杨如辉,邹声华,刘彩霞.浅层地热能的开发利用[J].徐州工程学院学报(自然科学版),2011,26(2):69-72

[2]GB 50366-2005(2009年版),地源热泵系统工程技术规范[S].

[3]姜黎,蒋绿林,王宏,等.地源热泵系统双U型埋管换热器的测试实验[J].制冷学报,2010,31(1):50-53

[4]于明志,彭晓峰,方肇洪,等.基于线热源模型的地下岩土热物性测试方法 [J].太阳能学报,2006,27(3):279-282

[5]赵军,段征强,宋著坤,等.基于圆柱热源模型的现场测量地下岩土热物性方法[J].太阳能学报,2006,27(9):934-936

[6]D.Pahud,B.Matthey.Comparison of the thermal performance of double U-pipe borehole heat exchangersmeasured in aitu[J].Energy and Buildings,2001(33):503-507

[7]P.Roth,A.georgiev,A.Busso,et al.First in aitu determination of ground and borehole thermal properties in Latin America[J].Renewable Energy,2004(29):1947-1963

[8]胡平放,孙启明,於仲义,等.地源热泵地埋管换热量与岩土热物性的测试 [J].煤气与热力,2008,28(8):1-4

[9]李强.浅层岩土热物性参数测试与分析[J].低温建筑技术,2010,(7):100-101