杜紅普，齊承英

（河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

目前隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、能源消耗過(guò)大，不僅造成資源浪費(fèi)，也引起了一系列環(huán)境問(wèn)題，特別是全球氣候變暖．土壤源熱泵集成系統(tǒng)，在加大可再生能源（例如地?zé)崮芎吞?yáng)能）利用程度、減低空調(diào)冷熱源排放CO2引起的溫室效應(yīng)方面都起到了積極的作用，成為國(guó)內(nèi)建筑節(jié)能及暖通空調(diào)界研究的熱點(diǎn)．特別是近年來(lái)，隨著地源熱泵項(xiàng)目應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，有必要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)尤其是地埋管部分的優(yōu)化進(jìn)行考慮，而回填材料作為影響埋地?fù)Q熱器換熱效果好壞的重要因素，更成為進(jìn)一步研究地源熱泵技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)．

國(guó)內(nèi)在回填材料的配比和熱物性方面展開(kāi)一系列研究．例如，張旭[1]等人對(duì)不同比例土沙混合物的換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究．李新國(guó)[2]等人針對(duì)一工程實(shí)例，比較分析了兩種不同回填材料下樁埋和井埋管取、放熱工況的差異．此外，圍繞回填材料的導(dǎo)熱、粘結(jié)、滲透等物性，新型適用且符合工程特性的材料開(kāi)發(fā)逐漸成為當(dāng)前的一大趨勢(shì)．但同時(shí)，從作者在北京、天津及唐山地區(qū)的工程調(diào)查發(fā)現(xiàn)，考慮到來(lái)源廣泛，施工方便等因素，無(wú)明確規(guī)范要求時(shí)原土/漿回填在眼下的地源熱泵項(xiàng)目中應(yīng)用較多．盡管原漿回填經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)明顯，但其對(duì)地埋管換熱性能的影響方面目前尚無(wú)足夠的說(shuō)服性數(shù)據(jù)．

鑒于此，本文通過(guò)對(duì)碎石屑、中粗砂、原土（以粉質(zhì)粘土為主）作為回填材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，獲得鉆孔回填材料對(duì)地埋管傳熱性能的影響分析，旨在為優(yōu)化地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面提供一些參考依據(jù)．

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1給出了埋地?fù)Q熱器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖．實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由土壤熱響應(yīng)測(cè)試儀和埋地?fù)Q熱器相互連接組成．土壤熱響應(yīng)測(cè)試儀為作者單位自行研制的基于恒溫法的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，可以進(jìn)行排熱和取熱工況實(shí)驗(yàn)．其中，加熱系統(tǒng)主要依靠盤(pán)管加熱器，冷卻系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器組成的封閉制冷循環(huán)來(lái)完成，工質(zhì)為R22．為保護(hù)壓縮機(jī)，系統(tǒng)設(shè)置了啟動(dòng)延時(shí)、高低壓限制等功能．制熱和制冷系統(tǒng)的最大功率分別12 kW 和9kW，可通過(guò)面板上的PID積分控制器來(lái)進(jìn)行粗調(diào)和微調(diào)，以維持不銹鋼保溫水箱中冷/熱源水溫的動(dòng)態(tài)平衡．水箱的有效容積為40 L，其中還安裝了若干水溫水位傳感器，可起到輔助水溫調(diào)節(jié)的作用．系統(tǒng)的有效溫控范圍為5~40℃，控制精度為±0.5℃．循環(huán)水泵型號(hào)為RS-25，功率為90 W，額定流量和揚(yáng)程分別為2.5 m3/h和6m．實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的其它詳細(xì)描述與測(cè)試方法可參閱文獻(xiàn)[3]．

在本文換熱實(shí)驗(yàn)中，埋地?fù)Q熱器的平均流體溫度變化范圍為20~35℃和5~10℃，這與地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況相一致．根據(jù)測(cè)試裝置本身的調(diào)節(jié)范圍，并綜合考慮測(cè)試周期及數(shù)據(jù)擬合有效性等因素，分別進(jìn)行1個(gè)初始工況+2個(gè)排熱工況+2個(gè)取熱工況．

本文3個(gè)換熱實(shí)驗(yàn)的鉆孔有效深度均為120 m左右,鉆孔直徑約為250 mm，采用DN32型雙U埋地?fù)Q熱器（HDPE）．在鉆孔深度范圍內(nèi)，土壤類(lèi)型以粘土為主．測(cè)試工作在鉆井回填完成后一周開(kāi)始進(jìn)行，此時(shí)土壤溫度已經(jīng)基本恢復(fù)至未受擾動(dòng)前的自然初始狀態(tài)．國(guó)內(nèi)外研究表明[4]，埋地?fù)Q熱器地面部分傳熱是影響地下?lián)Q熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要因素之一．為了減小實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差，埋地?fù)Q熱器的地面以上部分的長(zhǎng)度保留約1m，并進(jìn)行了橡塑保溫處理，以減少換熱損失．本文對(duì)天津地區(qū)三處鉆孔分別采用了碎石屑、中粗砂、原土（以粉質(zhì)粘土為主）作為回填材料，回填密實(shí)可靠．經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，其基本物性見(jiàn)下表：

圖1 埋地?fù)Q熱器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of thegeothermal heat exchanger experimental system

表1不同回填材料的基本物性Tab.1 The thermal properties of different backfill materials

1.2 測(cè)試誤差分析

本次實(shí)驗(yàn)的溫度誤差主要包括標(biāo)定精度與采集誤差,計(jì)算如下

考慮最大進(jìn)出口溫差為5℃，故最大溫度誤差=±0.287 2/5=±5.74%．

根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定,在測(cè)試流量范圍內(nèi)電磁流量計(jì)的最大誤差為±2.5%．所以,本次地下?lián)Q熱實(shí)驗(yàn)的總測(cè)量誤差（最大值）為

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 初始地溫分析

通常而言，根據(jù)溫度變化差異，淺層土壤基本可以劃分為3個(gè)區(qū)域：變溫層、恒溫層和增溫層．變溫層是指深度在20m左右深度以上的土壤，其溫度隨地表氣象條件（大氣環(huán)境、太陽(yáng)能輻射等）的周期性變化比較明顯；恒溫層是指深度約在20~50 m之間的土壤，其溫度四季穩(wěn)定，幾乎不受外界環(huán)境因素的影響；恒溫層以下為增溫層（深度大于40~50m），溫度呈線性增加趨勢(shì)．

在地下熱響應(yīng)測(cè)試中，當(dāng)不開(kāi)啟加熱或制冷裝置，而僅依靠循環(huán)泵來(lái)維持地埋管換熱器環(huán)路循環(huán)時(shí)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，地埋管換熱器的進(jìn)出口水溫將逐漸趨于相等或保持一個(gè)很小的允許溫差（通常為0.1℃）．此狀態(tài)下的進(jìn)出口平均水溫通常被認(rèn)為“土壤初始溫度”．圖2給出了1#孔的土壤平均初始溫度的測(cè)試結(jié)果．可以看出，在測(cè)試條件下，經(jīng)過(guò)12h循環(huán)后，土壤初始溫度穩(wěn)定為14.86℃．

需要特別說(shuō)明的是，上述“土壤初始溫度”實(shí)際上是土壤沿鉆孔深度方向上各處地溫的積分平均數(shù)值．考慮到變溫層土壤溫度存在周期性變化，所以地下熱響應(yīng)測(cè)試中的土壤初始溫度也會(huì)存在季節(jié)變化效應(yīng)，這在設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)時(shí)需要加以考慮．有關(guān)土壤溫度季節(jié)變化效應(yīng)的詳細(xì)描述請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[5]．

2.2 鉆孔地下?lián)Q熱量分析

圖2 土壤平均初始溫度測(cè)試結(jié)果Fig.2 The results of the natural ground temperature

圖3 取熱工況換熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results under heat-extraction condition

圖4 排熱工況換熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results under heat-injection condition

圖3和圖4分別給出了1#鉆孔在取熱和排熱工況下，進(jìn)出口流體溫度以及地下?lián)Q熱量隨時(shí)間的變化關(guān)系．可以看出，由于碎石屑回填材料具有良好的熱傳導(dǎo)性能，所以鉆孔內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻較小，使得整個(gè)土壤和埋地?fù)Q熱器之間傳熱過(guò)程的穩(wěn)定時(shí)間相對(duì)較快，平均在20 h以后就基本達(dá)到穩(wěn)定狀況．

2.3 土壤導(dǎo)熱系數(shù)分析

根據(jù)上述埋地?fù)Q熱器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)一覽表,可以繪制出地下?lián)Q熱量q隨埋地?fù)Q熱器管內(nèi)流體平均溫度的變化關(guān)系，如圖5所示．可以看出，此關(guān)系呈線性變化規(guī)律（>0.9），與理論結(jié)果吻合良好，說(shuō)明本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可靠．一般而言，曲線斜率越大，土壤的熱傳導(dǎo)性能越好，地下?lián)Q熱量越大．具體而言，埋地?fù)Q熱器的地下?lián)Q熱量滿足以下實(shí)驗(yàn)方程

圖5 地下?lián)Q熱量隨管內(nèi)流體平均溫度的變化關(guān)系Fig.5 Variations of underground heat-transfer rate with the average fluid temperature

同樣，當(dāng)回填材料為中粗砂、原土?xí)r，也可得出埋地?fù)Q熱器的地下?lián)Q熱量關(guān)系式，見(jiàn)表2所示．對(duì)于典型的管內(nèi)流體換熱溫度范圍：20~35℃（夏季）和5~10℃（冬季），碎石屑回填下的埋地?fù)Q熱器換熱量與中粗砂和原土作為回填材料時(shí)相比，分別提高約2%~15%、18%~38%（夏季）和27%~35%、58%~73%（冬季）．由此可見(jiàn)，鉆孔回填材料對(duì)埋地?fù)Q熱器的傳熱性能影響較大．隨著鉆孔回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的增大，可以有效減小鉆孔內(nèi)的傳熱熱阻，從而明顯改善地埋管與土壤的換熱性能．

表2 不同回填材料下的地下?lián)Q熱量關(guān)系Tab.2 The relationship of underground heat-transfer rate under different backfill materials

3 結(jié)論

本文開(kāi)展了基于碎石屑、中粗砂、原土3種不同回填材料的埋地?fù)Q熱器換熱特性實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析獲得以下結(jié)果：

1）獲得了地下?lián)Q熱量隨管內(nèi)流體平均溫度的實(shí)測(cè)變化規(guī)律，回歸了地下?lián)Q熱量方程．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，地下?lián)Q熱量與流體平均溫度之間呈線性變化規(guī)律．通過(guò)上述方程，可以有效評(píng)價(jià)埋地?fù)Q熱器在不同工況下的換熱能力．

2）鉆孔回填材料對(duì)埋地?fù)Q熱器的傳熱性能影響較大．在本文鉆孔條件下，與中粗砂和原土回填下的結(jié)果相比，碎石屑回填材料下埋地?fù)Q熱器的換熱量平均提高約8%、28%（夏季）和31%、65%（冬季）．隨著回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的增大，可以有效減小鉆孔內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻，這有利于改善粘土質(zhì)土壤與埋管換熱器之間的傳熱能力，提高地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性．

[1]張旭，高曉兵．華東地區(qū)土壤及土沙混合物導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究 [J]．暖通空調(diào)，2004，34（5）：83-85．

[2]李新國(guó)，汪洪軍，趙軍．不同回填材料對(duì)U型垂直埋管換熱性能的影響 [J]．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2003，24（6）：810-813．

[3]Huajun Wang，Chengying Qi．Improved method and case study of thermal response test for borehole heat exchangers of ground source heat pump system[J]． Renewable Energy，2010，35（3）：727-733．

[4]Lim K ，Lee S．An experimental study on thermal performance of ground heat exchanger[J]．Experiment Thermal and Fluid Science，2007，31（8）：985-990．

[5]王華軍，王恩宇，趙軍．地源熱泵地下熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)的季節(jié)效應(yīng)分析 [J]．暖通空調(diào)，2009，29（2）：14-18．