制冷工況下水平埋管換熱器運行試驗研究

曾召田,唐雙慧，趙艷林，徐云山，呂海波

(1.桂林理工大學(xué) 廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室， 廣西 桂林 541004；2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院防災(zāi)減災(zāi)研究所， 南寧 530004)

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制冷工況下水平埋管換熱器運行試驗研究

曾召田1,2,唐雙慧1，趙艷林1,2，徐云山1，呂海波1,2

(1.桂林理工大學(xué) 廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室， 廣西 桂林 541004；2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院防災(zāi)減災(zāi)研究所， 南寧 530004)

通過夏季工況的地源熱泵運行試驗，對運行過程中水平埋管的換熱性能參數(shù)、試驗場地周圍氣象因素和換熱過程中土體的溫濕度變化等因素進行實時監(jiān)測，探討了地源熱泵運行過程中水平埋管換熱器熱交換性能及其周圍土壤的溫、濕度場變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，地源熱泵間隙運行有利于土壤溫度場的恢復(fù)，隨著停機時間的增加，水平埋管與周圍土壤的熱交換能力明顯提高；氣候變化對水平埋管周圍土壤的溫度場分布具有顯著影響，隨著埋深的遞減，土壤溫度受氣候變化的影響越明顯；水平埋管周圍土壤溫度的變化幅度隨著與埋管距離的增加呈遞減趨勢，其影響半徑為1.0m左右；熱交換對水平埋管周圍土壤濕度場的影響不明顯，但大氣降雨引起的地表水入滲對土壤濕度場的分布具有顯著影響。

地源熱泵； 水平埋管換熱器； 熱交換性能； 土壤溫濕度場； 水分遷移

近年來，地源熱泵(Ground Source Heat Pump，簡稱GSHP)因其使用可再生的淺層地?zé)崮埽哂懈咝?、?jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，在工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。隨著地源熱泵技術(shù)的推廣，其設(shè)計、運行過程中突現(xiàn)出了一系列問題，如土壤熱特性參數(shù)的不確定性[1-2]、土壤的“冷熱堆積”[3-4]、地下水滲流對地埋管換熱效果的影響[5-6]等，這些問題都與地埋管周圍土壤的溫、濕度場有密切聯(lián)系。曾和義等[7]對豎直埋管在半無限大介質(zhì)中的穩(wěn)態(tài)傳熱模型進行了分析討論，并給出了其解析解；那威等[8]通過建立地下水平埋管換熱器模型分析了土壤導(dǎo)熱系數(shù)對埋管及其周圍土壤溫度場分布和埋管換熱量的影響；胡志高等[9]利用ANSYS有限元軟件模擬了冬季豎直地埋管周圍土壤的溫度場分布；劉業(yè)鳳等[10]通過實驗研究了土壤源熱泵周圍土壤的溫度場變化；李曉燕等[11]建立嚴(yán)寒地區(qū)水平埋管換熱器周圍土壤不穩(wěn)定溫度場的物理和數(shù)學(xué)模型，并進行了模擬計算及實驗驗證。上述研究結(jié)果表明，盡管針對地埋管周圍土壤的溫度場已取得了一定成果，但是由于土壤中熱濕遷移[12-14]的復(fù)雜性，關(guān)于地埋管周圍土壤濕度場的研究卻鮮見報道。實際上，地源熱泵運行中地埋管換熱器與巖土層的熱交換是一個復(fù)雜的熱濕耦合傳熱傳質(zhì)過程[15]：周圍土壤溫度場變化促使土壤水分發(fā)生遷移，使土壤濕度場發(fā)生改變；反之，土壤濕度場變化促使土壤的熱導(dǎo)率等參數(shù)發(fā)生變化，影響了土壤中熱量傳遞，最終影響到土壤溫度的改變。因此，有必要對地埋管周圍土壤的溫、濕度場開展系統(tǒng)的試驗研究。

在以往的研究中，人們僅僅關(guān)注地埋管與周圍土壤的熱交換對土壤溫、濕度場的影響[8-11,16-17],然而,在工程實踐中，水平埋管由于埋深淺(地表以下1～3 m)，仍然處在大氣影響層范圍之內(nèi)，地表水入滲和大氣溫度、太陽輻射、蒸發(fā)等氣象條件變化都會對水平埋管周圍土壤的溫、濕度場產(chǎn)生不可忽略的影響。廣西屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，炎熱多雨，且雨熱同季，因此，深入研究該地區(qū)水平埋管換熱器周圍土壤溫濕度場的變化規(guī)律，對廣西地區(qū)地源熱泵的應(yīng)用和推廣具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。

本文借助于桂林理工大學(xué)地源熱泵實驗系統(tǒng)，通過夏季工況試驗，對地源熱泵系統(tǒng)運行過程中水平埋管的換熱性能參數(shù)、試驗場地周圍氣象因素和換熱過程中土體的溫濕度變化等進行實時監(jiān)測，利用試驗結(jié)果對地源熱泵運行過程中水平埋管換熱器熱交換性能和周圍土壤的溫、濕度場變化規(guī)律進行深入研究，為廣西地區(qū)地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 實驗系統(tǒng)

選擇水平埋管C3為監(jiān)測對象，分別沿水平和豎直2個方向在不同距離處土壤內(nèi)埋設(shè)溫、濕度傳感器，如圖2所示；土壤溫度采用PT100型鉑電阻溫度計和JMZR-2000T多點溫度自動測試系統(tǒng)，可實現(xiàn)16通道多點溫度全自動采集；土壤濕度采用Mini Trase水分測定系統(tǒng)，通過TDR探針快速測量土壤體積含水量，可實現(xiàn)自動采集和存儲。同時，采用PC-4型便攜式陽光氣象站對場地周圍的大氣溫濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、太陽輻射、降雨量、蒸發(fā)量等多項氣象信息進行自動采集。為了研究水平埋管換熱器的熱交換性能，筆者在水平埋管換熱系統(tǒng)總?cè)?、回水口和C3管入、回水口分別安裝了防水型DS18b20溫度傳感器和DN250型智能電磁流量計，對流經(jīng)管內(nèi)的循環(huán)水溫度和流量進行實時監(jiān)測。

圖1 水平埋管地源熱泵系統(tǒng)

圖2 水平埋管C3周圍土壤溫濕度傳感器分布圖

2 試驗過程

一般來說，地源熱泵運行分為夏季制冷和冬季供暖2種工況；限于篇幅，本文僅選擇夏季制冷工況進行試驗研究，試驗時間為2013-09-14—10-07。根據(jù)現(xiàn)實生活中辦公樓、商場和醫(yī)院住院樓的實際空調(diào)運行情況，本文按照3種運行模式(I，II和III)分別對上述3種空調(diào)運行情況進行模擬試驗，每一種運行模式下連續(xù)試驗7 d，間隔1 d后進行另一種運行模式的試驗，具體的運行模式如下：

1)運行模式I(間隙運行模式A，模擬辦公樓運行模式)：開機運行8 h，停機16 h，運停比為1∶2；即每天9:00開機，熱泵連續(xù)運行8 h，17:00關(guān)機；

2)運行模式II(間隙運行模式B，模擬商場運行模式)：開機運行12 h，停機12 h，運停比為1∶1；即每天9:00開機，熱泵連續(xù)運行12 h，21:00關(guān)機；

3)運行模式III(連續(xù)運行模式，模擬醫(yī)院住院樓運行模式)：地源熱泵連續(xù)運行7 d(168 h)。

試驗過程中，分別對土壤的狀態(tài)參數(shù)(溫度、濕度)、周圍的氣象因素(降雨量、蒸發(fā)量、大氣溫度、相對濕度、太陽凈輻射、風(fēng)速值)等進行實時監(jiān)測。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 水平埋管熱交換性能分析

圖3為夏季工況試驗3種運行模式下?lián)Q熱系統(tǒng)和C3管的進出水溫度、流量監(jiān)測結(jié)果。由此可知：1)盡管由于熱泵機組啟?？刂贫寡h(huán)水的進出水溫度呈現(xiàn)鋸齒狀波動，但其溫度變化趨勢均比較一致，換熱系統(tǒng)和C3管換熱器進出水溫度均保持一個恒定差值，其平均值見表1；2)運行過程中換熱系統(tǒng)和C3管換熱器里的循環(huán)水流量基本保持不變，其平均值見表1。根據(jù)文獻[18]中的方法，由圖3中的監(jiān)測結(jié)果計算出換熱系統(tǒng)和C3管的平均換熱量(見表1)。

由表1可知，隨著停機時間的減少，水平埋管與周圍土壤的熱交換能力也逐漸降低，試驗中3種運行模式的停機時間依次為16、12和0 h，C3管的換熱量相應(yīng)地依次為0.98、0.96和0.57 kW；同時，運行模式I和II中的各換熱量相差不大，而運行模式III種的換熱量卻急劇降低。筆者分析上述結(jié)果產(chǎn)生的主要原因在于：在熱泵機組運行過程中，地埋管換熱器通過管內(nèi)水循環(huán)不斷向土壤中排放熱量，同時吸收土壤中的冷量，隨著該過程的不斷進行，排放到土壤中的熱量逐漸增加，致使土壤溫度逐漸升高。當(dāng)系統(tǒng)停機時，換熱器附近的土壤中的熱量向遠(yuǎn)端土壤中擴散，從而降低近壁面土壤的溫度，使U型管附近的土壤溫度得到一定程度的恢復(fù)。停機時間越長，土壤溫度恢復(fù)得越充分，土壤與管內(nèi)循環(huán)水的熱交換效率越高；反之，由于土壤溫度不能有效恢復(fù)，土壤溫度逐漸升高，土壤與管內(nèi)循環(huán)水的熱交換效率降低，致使系統(tǒng)各部分的平均換熱量也逐步降低。

圖3 換熱系統(tǒng)和C3管的進出水溫度、流量

表1 各運行模式下熱交換性能參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果

同樣地，上述規(guī)律可從C3管的管壁溫度監(jiān)測結(jié)果(如圖4所示)得到有效反映：熱泵運行過程中，C3管的管壁溫度隨著運行時間逐漸升高，停機后，管壁溫度逐漸下降，有恢復(fù)到初始溫度的趨勢；管壁溫度恢復(fù)的程度與停機時間有關(guān)，在較長的停機時間模式下運行熱泵，管壁溫度能得到充分的恢復(fù)。圖4中，運行模式I的運停比為1∶2，管壁附近土壤的熱量能夠有效地與遠(yuǎn)端土壤進行擴散換熱，因此,該模式下管壁溫度在停機后的16 h內(nèi)能基本恢復(fù)到初始值；運行模式II的運停比為1∶1，管壁土壤溫度在停機后的12 h能得到一定程度的恢復(fù)，但與初始值尚有0.5～0.9 ℃的差值；而運行模式III由于連續(xù)運行，土壤溫度未能得到有效恢復(fù)，管壁溫度一直處于上升趨勢，這極大地影響到水平埋管與周圍土壤的熱交換效率。

圖4 水平埋管換熱器C3管的管壁溫度變化(L2)

3.2 場地周圍氣象條件分析

淺層土壤的溫、濕度場變化受氣象條件的影響特別顯著，因此,對場地周圍的氣象數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測是一項十分重要的工作，圖5為試驗期間場地周圍氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果。由此可知，2013-09-01—10-12期間，試驗場地內(nèi)出現(xiàn)了兩次比較明顯的降雨過程，分別為9月4日—6日(降雨量為15.4 mm)和9月26日(降雨量為9.8 mm)，這兩個時期內(nèi)的日蒸發(fā)量相應(yīng)地取值為0；降雨對大氣溫度和相對濕度均有顯著影響，兩次降雨期間大氣溫度均有一個比較明顯的降溫過程，降溫幅度為9～12 ℃左右，相反地，相對濕度均是一個較明顯的上升過程；同時期的太陽凈輻射值和風(fēng)速分別與大氣溫度和相對濕度具有類似的變化規(guī)律。這說明試驗期間場地周圍氣象因素的測試結(jié)果是合理的，且各氣象因素之間是相互關(guān)聯(lián)的。以9月14日至20日(運行模式I)期間的氣象數(shù)據(jù)為例，圖4(b)和4(c)中同時期的大氣溫度、太陽凈輻射和風(fēng)速均逐漸增加，而大氣相對濕度卻逐漸降低，因而，導(dǎo)致圖4(a)中日蒸發(fā)量逐漸增加，這符合文獻[19]理論公式揭示的蒸發(fā)量變化規(guī)律。

圖5 試驗期間場地周圍氣象數(shù)據(jù)

3.3 周圍土壤溫濕度場變化分析

圖6給出了夏季試驗期間C3管周圍土壤溫度場的分布情況，由此可知：1)夏季試驗時，循環(huán)水通過地埋管與土壤進行熱量交換(吸冷放熱)，管壁附近的土壤吸收熱量、溫度升高，土壤內(nèi)部形成溫度梯度場，在其影響下地埋管附近土壤的熱量開始向遠(yuǎn)端擴散，使遠(yuǎn)端土壤的溫度也不同程度地升高；2)地表以下2.5 m仍處在大氣影響范圍之內(nèi)，大氣變化對其也具有顯著影響，因此,該深度范圍內(nèi)的土壤一方面吸收了熱泵運行過程中水平埋管排放的熱量，另一方面也吸收了地表的太陽輻射熱，所以該范圍內(nèi)土壤的溫度升高是由上述二者的共同作用完成的，但二者在各點的作用大小變化不同，太陽輻射熱是由地表擴散至地下土壤，因此,處于同一深度處的土壤都具有相同的溫度增量，而熱泵運行排放的熱量隨著距離的增加，其溫度增量逐漸減?。粓D6(a)中，L-1和L-3主要受熱泵運行過程中水平埋管排放的熱量影響，太陽輻射熱也有一定的影響，而L-4和L-5溫度升高的主要因素是地表吸收的太陽輻射熱(溫度變化量△T均為0.4 ℃)；3)地埋管附近土壤溫度升高的幅度跟距離地埋管的遠(yuǎn)近有關(guān)，近壁處的土壤溫度升高幅度最大，隨著距離的增加，其溫度升高的幅度遞減：在同一深度處(H=2.5 m)，監(jiān)測點L-1、L-3、L-4、L-5與C3的距離依次為0.6、1.0、2.0、3.0 m，經(jīng)過22 d試驗后，其土壤溫度升高幅度分別為1.0、0.5、0.4、0.4 ℃，由此可推斷水平埋管C3的熱影響半徑約為1.0 m；4)在豎直方向上，隨著埋深的遞減，土壤溫度受氣候變化的影響越顯著；例如，圖6(b)中的L-8和L-9，盡管此時熱泵運行過程中水平埋管向土壤中排放熱量，但由于距離地表分別為1.5、1.0 m，因此,該兩處土壤受外界大氣的影響更顯著，表現(xiàn)為溫度逐漸降低的趨勢。(L：傳感器到C3的距離；H：傳感器到土表面的距離)

圖7給出了夏季試驗期間C3管周圍土壤濕度場的分布情況，由此可知：1)夏季工況下運行地源熱泵，與水平埋管C3距離最近的L-1、L-2監(jiān)測點的土壤濕度場未發(fā)生明顯變化；推斷其原因在于，盡管地埋管換熱器向土壤中排放的熱量引起周圍土壤溫度升高，使土壤溫度場產(chǎn)生溫度梯度；在此溫度梯度的驅(qū)動下，土壤中的熱量和水分均已發(fā)生了遷移；但由于水分遷移的速率很小，同時由前面的熱交換量分析可知橫埋管C3向土壤中排放的熱量較小，故熱交換對土壤濕度場的影響不顯著。2)地表水入滲對土壤濕度場的分布也具有一定的影響，如圖所示，L-3～L-9監(jiān)測點均因降雨入滲(見圖5(a))的影響而使土壤濕度曲線出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象，隨著入滲過程的發(fā)展，土壤濕度曲線又恢復(fù)到逐漸遷移軌跡，這表明水平埋管由于埋深較淺，其濕度場的變化主要受大氣因素的影響。

圖6 試驗期間水平埋管C3周圍土壤溫度場

圖7 試驗期間水平埋管C3周圍土壤濕度場

4 結(jié) 論

1)地源熱泵間歇運行有利于土壤溫度場的恢復(fù)，從而提高水平埋管換熱器與周圍土壤的熱交換效率；夏季工況試驗中3種不同模式的運行結(jié)果表明，隨著地源熱泵系統(tǒng)停機時間的增加，水平埋管與周圍土壤的熱交換能力明顯提高。

2)水平埋管由于埋深淺，氣候變化對其周圍土壤的溫度場分布具有顯著影響，在豎直方向上，隨著埋深的遞減，土壤溫度受氣候變化的影響越明顯；水平埋管周圍土壤溫度的變化幅度跟距離埋管的遠(yuǎn)近有關(guān)，近管壁處的土壤溫度變化幅度最大，隨著距離的增加，溫度變化幅度呈遞減趨勢，夏季試驗結(jié)果表明水平埋管熱作用的影響半徑為1.0 m左右。

3)水平埋管與土壤交換的熱量較少，同時由于水分遷移的速率緩慢，因此,熱交換對土壤濕度場的影響不顯著；夏季試驗時，大氣降雨引起的地表水入滲對土壤濕度場的分布具有顯著影響。

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(編輯 胡玲)

Experimental analysis on operation process of horizontal ground heat exchanger under cooling provision

Zeng Zhaotian1,2,Tang Shuanghui1, Zhao Yanlin1,2, Xu Yunshan1, Lu Haibo1,2

(1. Guangxi Key Laboratory of New Energy and Building Energy Saving, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi,P.R.China;2. Research Institute of Preventing and Mitigating Disasters, College of Civil Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, P.R.China)

Experiment on ground source heat pump (GSHP) was conducted in summer to monitor the factors such as the heat exchange performance parameters of horizontal ground heat exchangers (GHEs), the climatic conditions around the testing site and variations of soil temperatures and moistures during the operation process. The heat exchange performance of horizontal GHEs as well as the variation laws of temperature and moisture fields around their surrounding soils was explored. The results showed that the intermittent operation model of GSHP was beneficial to the recovery of soil temperature field. The heat exchange capacity of horizontal GHEs from their surrounding soils improved significantly with the increase of downtimes. The climatic conditions had an obvious influence on the distributions of soil temperature field around the horizontal GHE. The influence of climatic conditions on soil temperature was becoming obvious with the decrease in burial depth. The changing amplitude of soil temperature field decreased with the increase in distance from the horizontal GHE was found，resulting in a heat influence range of the GHE with a radius of about 1.0 m. Finally, the impact of heat exchange of horizontal GHE to soil moisture field was in-apparent. However, the surface water infiltrating caused by rainfall was an obvious influence factor on the variation of soil moisture field.

ground-source heat pump(GSHP)；horizontal ground heat exchanger；heat exchange performance；soil temperature and moisture fields；moisture migration

2016-03-02

國家自然科學(xué)基金(41502284、51568014、41272358)；廣西自然科學(xué)基金(2013GXNSFBA019233)；廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室項目(桂科能 15-J-21-1)

曾召田(1981-)，副教授，博士，主要從事淺層地?zé)崮軕?yīng)用技術(shù)、環(huán)境巖土工程研究，(E-mail)zengzhaotian@163.com。

呂海波(通信作者)，教授，博士，(E-mail)lhb@glut.edu.cn。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China(NO.41502284，51568014，41272358)；National Natural Science Foundation of Guangxi (NO. 2013GXNSFBA019233)；Project of Guangxi Key Laboratory of New Energy and Building Energy Saving(No. 15-J-21-1)

TU413

A

1674-4764(2016)04-0046-07

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.04.008

Received:2016-03-02

Author brief：Zeng Zhaotian(1981-), associate professor，PhD, main research interests：application technology of shallow geothermal energy and environmental geotechnical engineering，(E-mail)zengzhaotian@163.com.

Lu Haibo(corresponding author), professor，PhD, (E-mail)lhb@glut.edu.cn.