丁海英 陳 強(qiáng)

采用土壤源熱泵制熱(制冷)越來越受到重視，此種新能源利用方式既可減少對(duì)環(huán)境的污染，又可實(shí)現(xiàn)較高的能耗比，達(dá)到節(jié)能減排的目的。傳統(tǒng)的土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)，熱物性參數(shù)選取更多依賴于經(jīng)驗(yàn)值，導(dǎo)致設(shè)計(jì)不夠精確，成本較高。

應(yīng)用熱響應(yīng)測(cè)試法對(duì)地?zé)峋M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)制冷(制熱)模式測(cè)試，采用線源模型、柱源模型或數(shù)值計(jì)算模型計(jì)算土壤導(dǎo)熱系數(shù)和鉆孔熱阻，是目前獲得設(shè)計(jì)參數(shù)較為準(zhǔn)確的方法。本文應(yīng)用此種測(cè)試方法，對(duì)兩口分別為單U和雙U型換熱器的地?zé)峋M(jìn)行測(cè)試，得到熱物性參數(shù)值，可為后續(xù)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 單、雙U換熱器地?zé)峋疅犴憫?yīng)測(cè)試原理

熱響應(yīng)測(cè)試單、雙U換熱器地?zé)峋臒嵛镄詤?shù)(土壤導(dǎo)熱系數(shù)、鉆孔熱阻)和傳熱特性，主要通過BTR-4000型原位測(cè)試儀與測(cè)試地?zé)峋B接成閉式循環(huán)系統(tǒng)，通過循環(huán)管路向地?zé)峋畠?nèi)輸入(提取)恒熱流，該熱流經(jīng)U型換熱器與地?zé)峋車寥肋M(jìn)行熱量交換，來模擬夏季供冷和冬季供暖[1，2]。

熱響應(yīng)測(cè)試儀主要由硬件系統(tǒng)、控制算法和軟件系統(tǒng)組成[3]。實(shí)驗(yàn)所需的各項(xiàng)參數(shù)(地?zé)峋M(jìn)、出口溫度、管路液體流量、熱泵進(jìn)出口溫度、系統(tǒng)消耗功率、管路壓力)通過測(cè)試儀下位機(jī)的溫度傳感器、壓力傳感器和變送器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，測(cè)試儀參數(shù)輸入信號(hào)單元將各參數(shù)進(jìn)行信號(hào)隔離、調(diào)整及A/D轉(zhuǎn)換，送至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理。恒定熱流的實(shí)現(xiàn)則通過上位機(jī)進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置溫差，將自動(dòng)控制信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離處理后輸出給三通分流調(diào)節(jié)閥，控制其開合度，實(shí)現(xiàn)向地?zé)峋M(jìn)行輸入(提取)恒定熱流的目的。

根據(jù)線源模型理論，可模擬出在恒定熱流作用下，地?zé)峋M(jìn)、出口流體平均溫度隨測(cè)試時(shí)間變化曲線圖，該曲線圖符合二元一次對(duì)數(shù)函數(shù)[4]:

其中，k為循環(huán)介質(zhì)平均溫度與時(shí)間對(duì)數(shù)曲線線性回歸線的斜率，Q為恒定放熱率，W，L為鉆井深度，m，λ 為土壤導(dǎo)熱s系數(shù)，W/(m·K)，a為土壤導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s，T0為周圍土壤的初始溫度，℃，Rb為井孔內(nèi)熱阻，rb為鉆孔半徑，m。

應(yīng)用擬合曲線的斜率k和常數(shù)b，并利用k值和b值計(jì)算公式，計(jì)算出地?zé)峋寥缹?dǎo)熱系數(shù)和鉆孔熱阻值。

2 單、雙U換熱器地?zé)峋疅嵛镄詤?shù)測(cè)定與換熱特性分析

2.1 測(cè)試儀恒熱流分析

為保證該熱響應(yīng)測(cè)試設(shè)備在提供恒定熱流方面的可靠度，對(duì)2號(hào)和4號(hào)兩口地?zé)峋M(jìn)行了連續(xù)75 h制冷模式的運(yùn)行，對(duì)每間隔1 h進(jìn)井與出井溫差曲線圖進(jìn)行分析。

2號(hào)和4號(hào)地?zé)峋M(jìn)井與出井水溫差如圖1所示，理論上溫差值等于設(shè)定溫差值時(shí)，地?zé)峋蓪?shí)現(xiàn)恒熱流輸入的目的，由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器誤差及沿程管路熱損失存在，該溫差值只能在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。一般在±0.1℃內(nèi)則可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖1 不同測(cè)試時(shí)間地?zé)峋M(jìn)井與出井溫差圖

測(cè)試結(jié)果表明，隨測(cè)試時(shí)間增長(zhǎng)，兩地?zé)峋臏夭钪第呌诤愣?，其?號(hào)地?zé)峋臏夭钤O(shè)定值為3℃，測(cè)試時(shí)間內(nèi)的實(shí)時(shí)采集溫差值為2.95℃～3.07℃，該測(cè)定值的誤差為1.7%～2.3%。4號(hào)地?zé)峋臏夭钤O(shè)定值為3.5℃，測(cè)試時(shí)間內(nèi)的實(shí)時(shí)采集溫差值為3.42℃～3.57℃，該測(cè)定值的誤差為2%～2.3%。溫差波動(dòng)在允許范圍內(nèi)，對(duì)兩口地?zé)峋臏y(cè)試能夠達(dá)到恒熱流的目的。

2.2 地?zé)峋寥缹?dǎo)熱系數(shù)與鉆孔熱阻測(cè)定

實(shí)驗(yàn)選取兩口地?zé)峋渲?號(hào)井內(nèi)置單U型換熱器，4號(hào)井內(nèi)置雙U型換熱器，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用水—風(fēng)熱泵機(jī)組模擬夏季供冷狀態(tài)，向地?zé)峋畠?nèi)輸入恒定的熱流量(參數(shù)見表1)。機(jī)組連續(xù)運(yùn)行75 h，進(jìn)出井平均水溫與測(cè)試時(shí)間的關(guān)系曲線如圖2所示，每口測(cè)試井的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)數(shù)曲線擬合良好。

表1 2號(hào)和4號(hào)地?zé)峋Y(jié)構(gòu)尺寸表

如圖2所示，2號(hào)地?zé)峋男甭手?k=2.5187，b=16.08。應(yīng)用線源模型計(jì)算公式可計(jì)算出:該地?zé)峋車耐寥缹?dǎo)熱系數(shù)λs=1.8 W/(m·K)，鉆孔熱阻 Rb=0.17 m·K/W;4 號(hào)地?zé)峋男甭手祂=3.6724，b=12.84。應(yīng)用線源模型計(jì)算公式可計(jì)算出:該地?zé)峋車耐寥缹?dǎo)熱系數(shù)λs=1.41 W/(m·K)，鉆孔熱阻Rb=0.147 m·K/W。

圖2 不同測(cè)試時(shí)間2號(hào)與4號(hào)地?zé)峋M(jìn)出口平均溫度圖

2.3 地?zé)峋畵Q熱特性分析

土壤源熱泵系統(tǒng)投資與地?zé)峋畵Q熱特性有直接影響，傳統(tǒng)換熱量設(shè)計(jì)往往參考經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行選取，這種設(shè)計(jì)方法誤差較大，易造成地?zé)峋钤O(shè)計(jì)過大，初投資浪費(fèi)。實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)試井在75 h連續(xù)運(yùn)行的單位井深換熱量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 地?zé)峋畣挝痪顡Q熱量

2號(hào)單U埋管地?zé)峋畣挝痪顡Q熱量約為56 W/m。4號(hào)雙U埋管地?zé)峋畣挝痪顡Q熱量約為62 W/m。兩地?zé)峋垦用椎膿Q熱量在測(cè)試初期波動(dòng)較大，隨測(cè)試時(shí)間增長(zhǎng)換熱量趨于恒定。可見該原位測(cè)試儀在保證測(cè)試時(shí)間足夠長(zhǎng)的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)向地?zé)峋峁┖愣崃鞯哪康摹?/p>

此外，換熱器類型不同對(duì)地?zé)峋膿Q熱效果也有不同的影響。雙U埋管地?zé)峋膯挝痪顡Q熱量值要高于單U埋管地?zé)峋?.6%，說明采用雙U型換熱器換熱效果比單U型換熱器好，采用該種換熱器可減少設(shè)計(jì)井深及現(xiàn)場(chǎng)布井?dāng)?shù)量。

3 結(jié)語

通過對(duì)兩口地?zé)峋B續(xù)測(cè)試和計(jì)算分析可知:

1)應(yīng)用線源模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單易行，但是此模型的應(yīng)用需保證測(cè)試時(shí)間足夠長(zhǎng)，得到的實(shí)測(cè)離散數(shù)據(jù)方可與對(duì)數(shù)曲線擬合良好。一般至少要進(jìn)行40 h才能計(jì)算出穩(wěn)定的熱物性參數(shù)。

2)實(shí)驗(yàn)測(cè)試初期地?zé)峋M(jìn)出口水溫差波動(dòng)較大，主要是由于初期設(shè)備運(yùn)行尚不穩(wěn)定，受測(cè)試晝夜溫差的突變影響，在連續(xù)運(yùn)行10 h后可達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。所以恒定熱流量的取值應(yīng)取曲線平穩(wěn)段值進(jìn)行計(jì)算。

3)兩口地?zé)峋畠?nèi)置換熱器類型不同，換熱特性也不同，實(shí)驗(yàn)表明采用雙U型換熱器的換熱性能要高于單U型換熱器。

[1]王慶華.淺層巖土體熱物理性質(zhì)原位測(cè)試儀的研制及傳熱數(shù)值模擬[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)博士論文，2009.

[2]王慶華.BTR-4000型地層熱物性原位測(cè)試儀及其應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)，2009，39(2):347-352.

[3]張 楠，孫友宏，王慶華.基于組態(tài)軟件、智能模塊及PLC的巖土熱物性原位測(cè)試儀監(jiān)控系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)，2010，40(2):583-588.

[4]于明志，彭曉峰，方肇洪，等.基于線熱源模型的地下巖土熱物性測(cè)試方法[J].太陽(yáng)能報(bào)，2006，27(3):279-282.