于曉瑩，邱慧，薛強(qiáng)

(中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

土壤耦合換熱量取熱值的確定對地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的使用效果、運(yùn)行效率、節(jié)能效益以及整個(gè)工程的初投資有著重要的影響［1］。由于我國鐵路沿線地域廣闊，地質(zhì)情況復(fù)雜，為保證地源熱泵系統(tǒng)在鐵路沿線建筑的長期使用中，地?zé)狁詈舷到y(tǒng)能夠得到正常、穩(wěn)定的換熱效果，必須準(zhǔn)確掌握土壤取熱值。為此，結(jié)合呼和浩特鐵路局包頭西站貨檢樓地源熱泵工程對地耦管換熱量測試設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。

1 測試目的

通過測試，以獲得實(shí)際工程地質(zhì)條件及回填工藝條件下的垂直地埋管換熱器的換熱能力、地下土壤的熱物理參數(shù)等，為地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 測試方法

2.1 測試原理

測試模擬地源熱泵空調(diào)夏季制冷和冬季制熱的運(yùn)行模式。測試系統(tǒng)由測試儀器和測試孔組成。測試儀器的水循環(huán)部分與測試孔相連接，組成一個(gè)閉式環(huán)路。測試系統(tǒng)包括水加熱(制冷)部分、水循環(huán)部分、數(shù)據(jù)采集及分析部分。水加熱(制冷)部分將閉式環(huán)路中的循環(huán)水加熱(制冷)，循環(huán)水通過U型管與周圍土壤換熱，將熱釋放(吸收土壤的熱量)到周圍土壤里。在循環(huán)過程中，將進(jìn)/出測試儀器的溫度、流量、加熱(制冷)量采集到電腦里，分析計(jì)算土壤的熱物理參數(shù)。

2.2 測試儀器

測試儀器為自主研發(fā)的地耦管換熱量測試設(shè)備。溫度測量采用精度為A級(jí)的PT100鉑電阻溫度傳感器，測量精度±0.1℃;流量測量采用XKLV-21渦街流量計(jì)，測量誤差為0.1%。

2.3 測試內(nèi)容

(1)單位井深的地耦管換熱能力測試;

(2)土壤熱物性參數(shù)計(jì)算。

2.4 測試步驟

(1)鉆孔和下管

用鉆機(jī)鉆80 m深的換熱孔，鉆孔直徑300 mm。成孔后，孔內(nèi)安裝直徑為32 mm的雙U型HDPE管，并在下管后采用鉆井原漿混合細(xì)砂回填。下管前后都需要對HDPE管進(jìn)行壓力試驗(yàn)。

(2)模擬測試

將小型熱泵測試機(jī)組的水路循環(huán)部分與所要測試的換熱孔內(nèi)的HDPE管路連接，形成閉路環(huán)路，同時(shí)將采集儀器與PC機(jī)連接，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集軟件，通過小型熱泵機(jī)組內(nèi)的循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán)，達(dá)到初步平衡后，可確定巖土的初溫［2］。然后，啟動(dòng)熱泵機(jī)組內(nèi)的加熱器不斷加熱環(huán)路中的液體，在該閉路環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán)，加熱器所產(chǎn)生的熱量就不斷通過換熱孔內(nèi)的地埋管釋放到土壤中。在環(huán)路內(nèi)的液體循環(huán)的過程中，將循環(huán)液的進(jìn)出口溫度、進(jìn)口流量和環(huán)境溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每隔10 s采集1次數(shù)據(jù)，每隔6 h自動(dòng)存儲(chǔ)1次數(shù)據(jù)，采集參數(shù)分別為地埋管進(jìn)水溫度、地埋管出水溫度以及循環(huán)水流量。通過計(jì)算機(jī)計(jì)算，獲得被測地埋管總換熱量、單位換熱量及土壤熱阻。

3 結(jié)果

3.1 測試結(jié)果

(1)土壤原始溫度的測定:見圖1。

圖1 土壤溫度隨時(shí)間變化趨勢圖

由圖1可見，8 min后基本穩(wěn)定在10.5℃。

(2)地耦管換熱量測試結(jié)果:見圖2～4。

圖2 地耦管進(jìn)出口溫度

由圖2可知，17 h后循環(huán)水進(jìn)口溫度基本穩(wěn)定在10℃、循環(huán)水出口溫度基本穩(wěn)定在5℃、循環(huán)水進(jìn)出口溫差基本穩(wěn)定在5℃。

圖3 循環(huán)水入口流量趨勢圖

由圖3可見，通過調(diào)節(jié)閥門，循環(huán)水流量基本穩(wěn)定在0.6 m3/h。

由圖4可見，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最大輸出熱功率4.5 kW，17 h后輸出熱功率穩(wěn)定在3.65 kW。穩(wěn)定后的輸出功率是設(shè)計(jì)中所能承受的最大功率，可作為下面計(jì)算中的比較參考值。

圖4 總換熱量曲線

3.2 測試數(shù)據(jù)計(jì)算［3］

(1)熱平衡時(shí)系統(tǒng)總換熱量

式中:Cp載熱介質(zhì)的比熱容［J/(kg·K)］，

水:4176J/(kg·K);

ρ載熱介質(zhì)的密度(kg/m3)，

水:1000 kg/m3;

q載熱介質(zhì)的流量(m3/s);

Δt載熱介質(zhì)的進(jìn)出口溫差 ，Δt=∣to－ti∣

to載熱介質(zhì)出口溫度(℃);

ti載熱介質(zhì)進(jìn)口溫度(℃)。

計(jì)算得:Q=Cp·ρ·q·Δt

=4 176×1 000×0.000 36×5=7 516.8(W)

(2)單位井深換熱量(釋熱工況)

按單井有效換熱深度80 m計(jì)算，試驗(yàn)井在初始地溫為10.5℃、平均釋熱溫度為(50+15)/2=32.5℃、釋熱溫差為32.5－10.5=22℃的釋熱平衡條件下，單位井深換熱量為:

(3)土壤熱阻

土壤當(dāng)量熱阻(相當(dāng)于綜合考慮了載熱介質(zhì)的對流熱阻、管壁熱阻、回填材料熱阻和地層熱阻的等效熱阻)近似計(jì)算式為:

式中:Rs土壤當(dāng)量熱阻(m·K/W)，

ΔT傳熱溫差(℃)

式中:∣to+ti∣/2為換熱過程中土壤平均溫度的近似表達(dá);

t0土壤原始平均溫度;

q單位井深換熱量(W/m)。

(4)吸熱工況時(shí)單位井深換熱量

吸熱工況時(shí)，由于初始地溫較低，需在地埋管系統(tǒng)中灌注乙二醇防凍液(建議加注20%乙二醇溶液)，取該工況下地埋管進(jìn)水溫度為－2℃，出水溫度為1℃，平均吸熱溫度為(－2+1)/2=－0.5℃、吸熱溫差為10.5－(－0.5)=11℃。

4 結(jié)論

在釋熱運(yùn)行工況下，因傳熱溫差較大(23℃)，地埋管單位井深具有的換熱能力亦較大，測試結(jié)果為94W/m。在吸熱運(yùn)行工況下，因傳熱溫差較小(11℃)，地埋管單位井深具有的換熱能力亦較小，測試結(jié)果為47.8W/m。通過測試結(jié)果的比較分析，該測試軟件所得出的結(jié)果穩(wěn)定可靠，可為地源熱泵地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確依據(jù)。

［1］鄭宗和，肖衍黨，韓?。芈窆苋嶂禍y量系統(tǒng)［J］．制冷與空調(diào)，2009，23(1):33 －35．

［2］GB50366—2005，地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范［S］．

［3］徐偉．地源熱泵技術(shù)手冊［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011:189－204．