庫美亮，桂樹強，顏俊，肖小曼

長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司 工程咨詢公司，武漢 430071

0 引言

在以土壤源作為冷熱源的地源熱泵系統(tǒng)中，地埋管內(nèi)循環(huán)液體與土壤進行熱交換，作為熱泵的取熱源或放熱源。工程應(yīng)用上，地埋管埋管深度一般為60～150 m，此深度下的巖土層為恒溫層，溫度有著“冬暖夏涼”的特性，是非常理想的冷熱源，因此以土壤源作為冷熱源的地源熱泵系統(tǒng)是一種既環(huán)保又高效的建筑冷熱源解決方案[1]。受限于前期投資較大的特點，地埋管地源熱泵系統(tǒng)在工程上并未十分普及[2--3]。地埋管換熱器的投資占空調(diào)系統(tǒng)總投資較大，約為1/3～1/2，而在地埋管換熱器的投資中鉆孔成本占據(jù)大部分[4]。因此合理估算鉆孔數(shù)量成為工程前期十分重要的環(huán)節(jié)[5]。地下巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)是設(shè)計地源熱泵系統(tǒng)地?zé)釗Q熱器的重要參數(shù)[6]，所以準(zhǔn)確地測量土壤熱物性參數(shù)非常關(guān)鍵。

目前常用的土壤源換熱器為雙U和單U的PE管換熱管，其優(yōu)勢在于施工簡單、材料費用低[7]，缺點是單位管長換熱效率低，導(dǎo)致所需鉆孔數(shù)量多、鉆孔占地面積大、綜合成本高，且雙U和單U換熱管在下管過程中容易發(fā)生錯位，導(dǎo)致管路交叉，引起熱短路。上述因素導(dǎo)致很多土壤源熱泵項目失敗或達不到預(yù)期節(jié)能效果，極大地影響了地源熱泵技術(shù)的市場推廣。

本次測試所使用的大直徑寬通道套管式土壤源換熱器(以下簡稱套管式換熱器)，與目前廣泛應(yīng)用的單U型和雙U型地埋管相比具有單位井深換熱量大、沿程阻力小、設(shè)備造價低及施工質(zhì)量可控等優(yōu)勢。為更好的推廣這種套管式換熱器土壤源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用，需通過試驗測試該新型換熱器在不同工況下的換熱量，驗證其性能參數(shù)指標(biāo)，為今后該項節(jié)能改造技術(shù)的推廣和運行提供數(shù)據(jù)支撐。

1 測試裝置

測試設(shè)備包含一臺熱泵主機和一臺地源側(cè)循環(huán)水泵，配套有相應(yīng)傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。熱泵主機為雙冷凝器、雙蒸發(fā)器設(shè)計，可實現(xiàn)水路換熱和空氣換熱切換。冬季取熱工況下，系統(tǒng)以地埋管周邊土壤作為熱源，將取得的熱量通過熱泵排放至環(huán)境中。夏季放熱工況下，系統(tǒng)以土壤作為冷源，熱泵將環(huán)境熱量轉(zhuǎn)移至地埋管周邊土壤中。測試時，通過管路切換，選擇對應(yīng)的地埋管作為冷熱源，完成不同工況下地埋管換熱效率測試。

本次選用的套管式換熱器內(nèi)外管同軸，為同心圓設(shè)計。換熱時，從主機出來的循環(huán)液體先從外管進入，在內(nèi)外管之間的寬通道內(nèi)與周圍巖土體進行充分熱交換，經(jīng)熱傳導(dǎo)和對流換熱后，循環(huán)工質(zhì)進入熱泵機組放熱或取熱。因套管直徑較大，與傳統(tǒng)雙U管相比，相同流量下，套管外管液體流速僅為雙U埋管流速的6%，因此循環(huán)工質(zhì)與土壤熱交換的時間更長，換熱更加充分。

為使測試結(jié)果更具工程參考價值，此次測試工作分別在武漢和北京兩地進行。

本次試驗設(shè)置兩種形式鉆孔，分別下埋雙U型地埋管換熱器和套管式地埋管換熱器。武漢地區(qū)測試的鉆井深度及埋管深度見表1；北京地區(qū)現(xiàn)場同樣布置雙U型和套管式兩種形式的地埋管，因現(xiàn)場地質(zhì)條件所限，套管式埋管在下管過程中遇到困難，導(dǎo)致測試井?dāng)?shù)量設(shè)置3口，埋深分別為雙U埋管深度100 m，套管換熱器埋深55 m和45 m，測試井編號以及埋管形式和實際深度如表2所示。

表1 武漢地區(qū)測試井參數(shù)

表2 北京地區(qū)測試井參數(shù)

雙U鉆孔內(nèi)的埋管規(guī)格為4根長100 m，直徑25 mm的PE管；套管式鉆孔內(nèi)埋放規(guī)格為外徑140 mm，內(nèi)徑40 mm的套管式埋管。雙U換熱器和套管換熱器基本參數(shù)如表3所示。

表3 套管式換熱器和雙U換熱器基本參數(shù)

2 測試方法

目前國內(nèi)多用恒熱流法和恒溫法兩種現(xiàn)場熱響應(yīng)測試方式來采集數(shù)據(jù)，利用傳熱學(xué)反問題的方法通過計算確定土壤的熱物性參數(shù)，其測量精度相對較高[8--9]。地埋管換熱器的熱響應(yīng)特性試驗在理論上可以歸結(jié)為在一定熱流邊界條件下的非穩(wěn)態(tài)傳熱問題[10--12]。其數(shù)學(xué)解析主要有兩種模型：一種是基于線熱源理論的線模型；另一種是基于圓柱熱源理論的柱模型。本次試驗采用恒熱流法測試，主機輸入相對穩(wěn)定熱流。通過測試地埋管的進出口溫度以及流量等參數(shù)。采用線熱源模型進行處理，其計算式為：

(1)

式中：Tf為平均溫度，為地埋管進出口溫度的平均值(℃)；Q為換熱功率(W)；λ為土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)(W·m-1·K-1)；H為有效井深(m)；t為測試時間(h)；α為熱擴散率(m2/s)；Rb為鉆孔導(dǎo)熱熱阻(m·K/W)；γ為歐拉系數(shù)(取0.577 2)；rb為鉆井半徑(m)；T0為巖土初始溫度(℃)。線熱源模型可簡化為以下線性式：

Tf=kln(t)+b

(2)

其中k與b為常數(shù)，即：

(3)

(4)

由(3)式可得巖土導(dǎo)熱系數(shù)計算式：

(5)

進行熱響應(yīng)測試前，首先對地埋管深度范圍內(nèi)土壤的初始地溫進行測試，為地埋管換熱器的設(shè)計提供參數(shù)。

測試時，將管路接口與鉆孔中的埋管進出口相連，開啟循環(huán)泵，先排除管路連接時混入管路中的空氣，一直到循環(huán)管路中的水溫趨于恒定，以穩(wěn)定后的供回水溫度平均值作為地下?lián)Q熱器埋深范圍內(nèi)土壤的初始平均溫度。

4 武漢地區(qū)測試結(jié)果

4.1 土壤初始溫度測試

測試開始前對武漢測試地區(qū)基礎(chǔ)地溫進行測試，得到初始地溫數(shù)據(jù)如表4所示，測試地區(qū)土壤初始溫度為18.03℃。

表4 武漢地區(qū)土壤初始溫度

4.2 取熱工況下測試結(jié)果

套管式地埋管在取熱工況下連續(xù)運行40 h后，對該段時間內(nèi)的各項參數(shù)進行整理計算，套管式換熱器在取熱工況下延米換熱能力為69 W/m，此階段進回水平均溫度為8.24℃。作為對比分析，雙U埋管在取熱工況下連續(xù)運行30 h(因設(shè)備故障，運行時長未超過40 h)，對該段時間內(nèi)的各項參數(shù)進行整理計算。在連續(xù)取熱工況下，雙U埋管延米換熱能力為56 W/m，此階段進回水平均溫度為6.72℃。地埋管平均溫度與延米換熱量的關(guān)系如圖1所示，各項參數(shù)均值如表5所示。

表5 武漢地區(qū)取熱工況連續(xù)運行各項參數(shù)均值

Table 5 Mean values of various parameters in continuous of heat extraction in Wuhan area

埋管形式T/℃q/(m3·h-1)延米換熱量/(W·m-1)套管8.241.0168.78 雙U管6.72 0.96 55.96

圖1 武漢地區(qū)取熱工況平均水溫和換熱功率曲線Fig.1 Curves of average water temperature and heat transfer power of heat extraction in Wuhan area

對取熱工況下套管式埋管運行結(jié)果進行分析，可以看出系統(tǒng)運行前9 h內(nèi)地埋管換熱效率較高。出現(xiàn)這種情況的主要原因是套管式換熱器內(nèi)蓄水量大(每100 m管長儲存水量約為1.3 m3)，其自身儲熱能力較強。系統(tǒng)連續(xù)取熱9 h后，回水溫度從初始溫度18℃下降至10℃，基本趨于平穩(wěn)。對應(yīng)的進水溫度，從13.4℃下降至6.3℃，基本趨于平穩(wěn)；可以認(rèn)為系統(tǒng)連續(xù)運行9 h后進入相對穩(wěn)定狀態(tài)，進回水溫度變化相對平緩。9 h后系統(tǒng)熱量主要來源于地埋管周邊土壤熱量的輸送，而在初期運行的9 h內(nèi)，系統(tǒng)熱量則有相當(dāng)一部分來自套管式埋管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的自身儲能。

對系統(tǒng)運行時熱源組成情況進行分析，從熱源提取到的熱量主要來源于兩個部分：一部分源自土壤持續(xù)不斷傳遞給埋管的熱量(隨著循環(huán)介質(zhì)平均溫度降低，這部分熱量占比增加)；另一部分熱量來自地埋管自身儲存的能量(隨著循環(huán)介質(zhì)平均溫度降低，這部分熱量占比減少)。系統(tǒng)初期運行的9 h內(nèi)，管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)平均溫度下降了約10℃，在這一階段提取的熱量中，有很大一部分來自埋管自身儲存的熱量，屬于管內(nèi)介質(zhì)的原始儲熱。前2 h平均水溫下降5.5℃，后7 h下降4.5℃。通過計算，108 m套管式換熱器有效儲液體積約為1.4 m3，水溫下降5.5℃會釋放9 kW·h的熱量。前2 h內(nèi)，系統(tǒng)的取熱功率均值為9.56 kW，系統(tǒng)取熱量為19.12 kW·h，這其中約有47%的熱量來自于地埋管自身儲熱。水溫下降10℃會釋放約16 kW·h的熱量，前9 h內(nèi)，系統(tǒng)的取熱功率均值為8.64 kW，系統(tǒng)取熱量為77.76 kW·h，約有21%的熱量來自于地埋管自身儲熱。

從取熱過程開始，地埋管自身儲存的熱量提供給系統(tǒng)的熱量占比逐漸減少，而由土壤源傳遞給系統(tǒng)的熱量占比逐漸增加，這一過程隨循環(huán)介質(zhì)平均溫度達到穩(wěn)定后趨于平衡，隨著平衡點的到來，系統(tǒng)熱源的熱量主要來源于土壤持續(xù)傳遞的熱量。所以套管式埋管優(yōu)勢在于當(dāng)系統(tǒng)在非連續(xù)運行工況時，其換熱效率較高。具體表現(xiàn)在系統(tǒng)運行初期2 h內(nèi)，取熱功率相比平均值高出約29%，系統(tǒng)運行初期9 h內(nèi)，取熱功率相比平均值高出約17%。

4.3 放熱工況下測試結(jié)果

套管式換熱器在放熱工況下連續(xù)運行44 h后，對該段時間內(nèi)的各項參數(shù)進行整理計算，該段時間內(nèi)套管式埋管放熱平均功率為7.24 kW，折合成單位長度換熱量為67 W/m，此階段進回水平均溫度為30.31℃。作為對比分析，雙U換熱器在放熱工況下連續(xù)運行44 h后，對該段時間內(nèi)的各項參數(shù)進行整理計算，在放熱工況下，雙U埋管延米換熱能力為61 W/m，此階段進回水平均溫度為30.36℃。地埋管平均溫度與延米換熱量的關(guān)系如圖2所示，各項參數(shù)均值如表6所示。

由平均溫度和時間的關(guān)系，擬合出溫度對數(shù)對時間的曲線(圖3)，得到k=3.74，根據(jù)公式(5)計算得到土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)λ為1.73 W/(m·℃)。

圖2 武漢地區(qū)放熱工況平均水溫和換熱功率曲線Fig.2 Curves of average water temperature and heat transfer power of heat release in Wuhan area

表6 武漢地區(qū)放熱工況連續(xù)運行各項參數(shù)均值

圖3 武漢地區(qū)平均溫度與時間對數(shù)關(guān)系曲線Fig.3 Logarithmic curve between average temperature and time in Wuhan area

5 北京地區(qū)測試結(jié)果

5.1 土壤初始溫度測試結(jié)果

測試開始前對北京測試地區(qū)基礎(chǔ)地溫進行測試，得到初始地溫數(shù)據(jù)如表7所示。土壤初始溫度為14.80℃。

表7 北京地區(qū)土壤初始溫度

5.2 取熱工況下測試結(jié)果

套管式地埋管在取熱工況下連續(xù)運行48 h后，對該段時間內(nèi)的各項參數(shù)進行整理計算，可計算出套管式埋管單位長度換熱功率為54.62 W/m，此階段進回水平均溫度為6.87℃。作為對比分析，雙U型地埋管在取熱工況下連續(xù)運行48 h，對該段時間內(nèi)的各項參數(shù)進行整理計算，可計算出雙U埋管單位長度換熱功率為34.08 W/m，此階段進回水平均溫度為6.49℃。地埋管平均溫度與延米換熱量的關(guān)系如圖4所示，各項參數(shù)均值如表8所示。

圖4 北京地區(qū)取熱工況平均水溫和換熱功率曲線Fig.4 Curves of average water temperature and heat transfer power of heat extraction in Bejing area

表8 北京地區(qū)取熱工況連續(xù)運行各項參數(shù)均值

5.3 放熱工況下測試結(jié)果

套管式地埋管在放熱工況下連續(xù)運行45 h，對該段時間內(nèi)的各項參數(shù)進行整理計算，可計算出套管式埋管單位長度換熱功率為93.07 W/m，此階段進回水平均溫度為27.69℃。作為對比分析，雙U地埋管在放熱工況下連續(xù)運行42 h，對該段時間內(nèi)的各項參數(shù)進行整理計算，可計算出雙U埋管單位長度換熱功率為66.33 W/m，此階段進回水平均溫度為26.44℃。地埋管平均溫度與延米換熱量的關(guān)系如圖5所示，各項參數(shù)均值如表9所示。

圖5 北京地區(qū)放熱工況平均水溫和換熱功率曲線Fig.5 Curves of average water temperature and heat transfer power of heat extraction in Bejing area

表9 北京地區(qū)放熱工況連續(xù)運行各項參數(shù)均值

由平均溫度和時間的關(guān)系，擬合出溫度對數(shù)對時間的曲線(圖6)，得到k=2.329 6，根據(jù)公式(5)計算得到土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)λ為2.27 W/(m·℃)。

圖6 北京地區(qū)平均溫度與時間對數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Logarithmic curve of average temperature and time in Beijing area

6 結(jié)論

(1)測試所使用的套管式換熱器與目前廣泛應(yīng)用的單U型和雙U型地埋管相比，具有單位井深換熱量大、沿程阻力小、設(shè)備造價低和施工質(zhì)量可控等優(yōu)勢。

(2)從試驗結(jié)果來看，套管式換熱器在換熱效率上要優(yōu)于雙U式換熱器，并且這一點在冬季取熱工況下尤為明顯。

(3)得益于套管式換熱器本身儲水量較大的特點，其在非連續(xù)運行工況下會有更優(yōu)異的表現(xiàn)，具體表現(xiàn)在系統(tǒng)運行初期2 h內(nèi)，取熱功率相比平均值高出約29%，系統(tǒng)運行初期9 h內(nèi)，取熱功率相比平均值高出約17%。