土壤源熱泵系統埋地換熱器換熱性能研究

劉正華 陳汝東 劉士龍

(同濟大學  上海　200092)

    摘要：對土壤源熱泵系統埋地換熱器的影響因素進行研究,分析三種獲得土壤熱物性參數的方法,得到利用現場測試法較精確。搭建實驗臺對埋地換熱器傳熱量進行測試,發現室內負荷和埋管循環水流量對埋地管與土壤的換熱量影響較大,利用圓柱源傳熱模型進行模擬驗證,模擬結果與實驗結果吻合較好。

    關鍵詞：土壤源熱泵系統  埋地換熱器  性能研究  換熱量

    中圖分類號：TK121　文獻標識碼:　A

    1　前言

    土壤源熱泵系統主要分為三個部分:室外埋地換熱器系統、熱泵機組系統、和室內空調采暖末 端系統。與傳統的空氣源熱泵系統相比,主要區別就在于室外埋地換熱器系統。傳統的空氣源熱泵系統把大氣作為熱源和熱匯,而土壤源熱泵則 把土壤作為熱源和熱匯。根據有關研究,地表5m以下土壤的溫度已相當穩定,基本不隨季節變化, 約等于該地區的年平均氣溫。與室外空氣設計溫度相比較,夏季土壤溫度比室外空氣溫度低,冬季土壤溫度則比室外空氣溫度高,并且埋地換熱器不會對大氣造成污染。因此,土壤源熱泵在節能和環保方面具有很大優勢。但由于土壤的熱物性難以測定,而且埋地換熱器換熱性能影響因素復雜,埋地換熱器的設計一直是整個土壤源熱泵系統設計的重點和難點。

    2　土壤基礎參數的確定和分析

    2.1　土壤初始溫度的計算

    土壤的初始溫度是土壤未受外界人為的熱干擾前的溫度分布,對換熱器的換熱性能影響很大, 是換熱器研究的基礎。初始溫度按下式計算[1]。

    2.2　土壤熱物性參數的測定和分析

    土壤熱物性的不確定性是土壤源熱泵設計的難點。所關心的熱物性主要是土壤的導熱系數、熱擴散率、比熱容等。土壤是一個多孔介質,土壤中的含水率會隨著熱量的傳遞而發生變化,而土壤的導熱系數和比熱容都會隨含水率的變化而發生改變。用函數關系來描述土壤導熱系數和比熱容與土壤含水率之間的變化規律很困難,一般用實驗測量的方法來確定土壤的導熱系數和比熱容。確定土壤熱物性的方法包括: (1)先判斷工程區域的土壤類型,再查文獻資料,但由于現場條件的影響很大,通常文獻資料提供的土壤熱物性參數值的范圍很大。所以設計時,為了保證土壤源熱泵能正常運行,設計者一般選取較小值,勢必使埋管井深度偏 大和埋管長度偏長。造成初投資過大,經濟效益降低。(2)利用探針法對埋管井不同深度的土壤樣品 進行測定。利用探針法只是對單一試樣進行測量 分析,因此試樣必須是同深度土壤層最具代表性。 而且在取樣和儲存過程中受到的干擾都會對測量 結果產生很大影響。這種方法也難于考慮埋管形 式與構造和地下水流動對土壤換熱系數的影響。 (3)現場測試法考慮了現場土壤條件和埋管井的結 構特點,能較準確的測量出土壤的熱物性參數。當 然現場測試法也會受外界天氣條件、測試時間和當 前分析方法局限等的影響。Witte博士等人開發出 一套地熱反應測試裝置,可以現場測試在保證地下 環路進出口水溫差一定的情況下埋地管換熱器的 傳熱過程,從而得到土壤的熱物性參數,實驗誤差 在-8.1%~8.1%之間[3]。

    3　埋地換熱器的傳熱模型

    對于常熱流密度的圓柱熱源,埋管井周圍無限土壤介質中的溫度場分布的表達式為:

    但實際情況埋管井壁的熱流并不是恒定的。對于變熱流的情況,利用疊加原理來考慮以前時刻熱流對當前時刻溫度和熱流的影響。則修正后遠邊界土壤溫度與埋管井壁溫度的差值的計算公式如下:

    4　埋地換熱器換熱性能的實驗分析

    4.1　實驗臺介紹

    圖1所示為室內設置可調加熱器,加熱器總共有五個調節開關,每個開關對應的加熱功率為 15、12、9、6和3kW。同時換熱器中的循環水流量可調節,流量大小可通過流量計觀測。室內加熱器的熱量通過與風機盤管換熱,再與換熱器中的 循環水進行換熱,然后通過換熱器把熱量散入土壤中。在不同室內加熱器功率和循環水流量的條件下,啟動系統,經過一段時間后使房間的加熱和地下的散熱保持平衡,測試系統從啟動工況到平衡工況埋地換熱器的換熱情況以及循環水進出水 溫度的變化。

    實驗臺測試的為一個含有四根埋管的樁基, 四根埋管分別分布在樁基的四邊,埋管之間的距 離為2m,樁基間的距離為9m。埋管的深度為40m,內部采用的是雙U型管,總管長為640m。四 個雙U管采用并聯的方式。圖2為單根樁基埋管布置。

    4.2　埋地換熱器取冷量的測試

    實驗總共測試了5天,測試的運行工況分別是: 2005年10月11日加熱器的功率為15kW,埋地管循環液流量為1. 2m3/h; 2005年10月13日的加熱器功率為9 kW,埋地管循環液流量為1. 2 m3/h; 2005年10月25日的加熱器工況為3 kW, 埋地管循環液流量是1. 2m3/h; 2005年11月7日 的加熱器功率為3 kW,埋地管循環液流量為0. 55 m3/h。2005年11月8日的加熱器功率為3kW, 埋地管循環液流量減少到0. 35 m3/h。其中2005年11月7日和8日為連續運行,晚間的數據受條件限制未進行記錄。測試得到了啟動工況和平衡工況下,不同加熱量、不同流量時埋管的進出水溫度的變化規律及對埋地換熱器取冷量的影響。測試的參數有埋管水的流量、埋管水進出口溫度、風機盤管進出風的溫度、風量等參數,其中風量的測 量是通過風速和盤管的尺寸得到。測試所得的冷量以水側為準,風側的參數只用于校核。

    此外,對實驗模型進行模擬計算,并與測得的數據進行比較。采用的步長為0.5h,與測試間隔 時間基本相同,土壤的比熱取1.05 kJ/(kg·℃), 密度取1874kg/m3,土壤的導熱系數取0.86W /(m ·℃)。土壤的初始溫度按照17℃進行計算。

    4.2.1埋地換熱器進出口水溫度的變化

    從5天不同工況取冷實驗中,任選一天實測數據進行分析,如10月13日,其實測結果和模擬結果如圖3所示。圖3表示系統啟動過程中,埋地換熱器進出口水溫及溫差、風機盤管出風和回風溫度隨時間的變化情況。從圖中發現,模擬結果和實測結果的變化趨勢一致,溫度偏差較小,造成偏差的原因除了模型與實際情況存在差別外, 還與實驗臺自身的缺陷有關。在系統啟動的前2h 內,水溫變化較為顯著,在隨后時間內變化緩慢。 在系統啟動時間大約7h后,即進入不穩定導熱的準穩態階段。埋地管進出口水溫差基本保持在 3℃左右。模擬值與實測值的誤差在4%左右,在工程允許的誤差范圍之內。說明所采用的模型具有一定的準確性和實用性,對實際工程設計應用具有一定的指導意義。

    4.2.2埋地換熱器換熱量的變化

    圖4~6分別是在流量維持在1. 2 m3/h,調節室內加熱器,埋地換熱器的換熱量的變化規律。在加熱器功率為15kW的啟動工況下,埋地管換熱器換熱量為7. 4kW;在加熱器功率為9kW的啟動工況下,埋地管換熱器換熱量為4. 2kW;在加熱器功率為3kW的啟動工況下,埋地管換熱器換熱量為2. 2kW。

    圖6~8分別是保持加熱功率為3 kW,改變流量,埋地換熱器換熱量的測試結果。流量從1. m3/h減少到0. 35 m3/h,埋地換熱器的換熱量也從2. 2 kW減少到0. 8kW。

    從圖中可以發現,在整個運行過程中,地下埋管的換熱量受室內負荷和埋地管循環水量的影響。當室內負荷增加時,埋地換熱器傳入土壤的熱量也隨之增加,導致埋地管的進水溫度也上升。 所以在保證滿足系統運行工況的條件下,提高進 水溫度,可以增加埋地管的換熱量。地下循環水量對換熱器的換熱效果影響很大,水量很大,換熱量也越大。因為管徑一定時,流量決定流體流速。流速減小,對流換熱系數減小,如果流動狀態由紊流流動變成層流,則對流換熱系數變化就很明顯。但管內流速越大,壓力損失就越大,所需循環水泵功率也越大。

    由于埋地管屬于閉環系統,水泵揚程只要克服沿程摩擦阻力和局部阻力,不考慮提升高度。因此流速可以適當高一點,保證管內流體流動處于紊流狀態,提高對流換熱系數,增加換熱量。

    5　結語

    土壤的基礎參數包括土壤溫度分布和土壤的熱物性,對埋地換熱器的換熱性能影響很大。介紹了三種獲取土壤熱物性參數的方法,并分析得知,要較準確獲得土壤的熱物性參數,最理想的方法是利用現場測試法。通過實驗發現,埋地管循 環水流量和室內負荷對地下換熱量有很大影響。水流量越大,換熱量越大;室內負荷越大,換熱量也越大,同時會導致埋地管進水溫度上升,使系統運行工況惡化。我國開展地源熱泵研究的歷史較短,應該根據我國地質分布狀況,研究適合我國應用的埋地換熱器傳熱模型及設計開發工具,推動地源熱泵更廣泛的應用。

    參考文獻

    [1]　陳啟高.建筑熱物理基礎[M].西安:西安交通大 學出版社, 1991.

    [2]　張旭,高曉兵.華東地區土壤及土沙混合物導熱系 數的實驗研究[J].暖通空調, 2004, 34(5): 83-85.