不同地質條件下地埋管熱響應測試分析與比較

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院,上海 201620)

0 引 言

地源熱泵節(jié)能、環(huán)保、無污染，節(jié)省建筑面積，經濟效益高，使用壽命常長[1]?！兜卦礋岜孟到y(tǒng)工程技術規(guī)范》[2]明確規(guī)定設計地埋管地源熱泵系統(tǒng)方案前，應對工程場區(qū)內巖土體地質條件(包括巖土體熱物性)進行勘察。在實際設計施工過程中,地質情況復雜多變，巖土熱物性參數(shù)不準確，會導致設計負荷與實際負荷不符，影響地埋管換熱器的準確設計[3]。設計人員在某巖土導熱系數(shù)范圍內會選擇較低值，這往往造成系統(tǒng)規(guī)模過大。Cane和Forgas[4]曾經指出，地下?lián)Q熱器的設計尺寸一般都超出實際尺寸的10%～30%。S.P.Kavanaugh[5]研究表明，導熱系數(shù)或導溫系數(shù)10%的誤差將導致4.5%～5.0%的地埋管設計長度誤差。可見，準確測量巖土熱物性參數(shù)對設計的合理性以及節(jié)省工程初投資都十分關鍵。

國內外學者對此做了大量相關研究。于明志[6]等人對測試時間、巖土初始溫度和管間距進行分析研究，建議60 h的測試時長，初始地溫測試深度10 m為宜，以及管間距越大，導熱系數(shù)越小等結論。胡平放[7]等人通過建立三維數(shù)值模擬模型，分析了測試時間、計算開始與結束時間、比熱容等因素對導熱系數(shù)、熱阻的影響。Georgios[8]作了熱響應測試并分析了影響測試結構的兩個主要因素：熱流引起的土壤溫度變化，施加熱流的變化。目前，熱響應試驗是獲取地下巖土熱物性參數(shù)的主要措施。項目分別對長三角三地進行巖土熱響應測試，經過實驗，三處熱響應測試在穩(wěn)定狀態(tài)下地埋管的進出口溫度均能滿足地源熱泵機組地源側供水溫度的要求，為不同地質環(huán)境下地源熱泵的設計施工提供一定參考依據。

1 傳熱模型

線熱源模型由Mogensen首先提出[6]，Carslaw等人首次使用后，逐漸在多個國家推廣開來[7]。線熱源模型認為鉆孔的直徑相對于鉆孔的深度來說非常小，可以將地埋管近似看做一個線性熱源，將地埋管換熱器周圍的土壤看做無限大傳熱介質。當運行時間足夠長時，可得到以下公式

(1)

式中Tf——供回水管理論平均溫度/℃；

Tff——土壤初始溫度/℃；

Q——輸入的熱量，即加熱器加熱功率/W；

H——鉆孔深度/m；

λs——巖土導熱系數(shù)/W·(m·℃)-1;

ρscs——巖土體積熱容/J·(m3·℃)-1;

τ——測量時間/s；

γ——歐拉常數(shù)，取γ=0.577 216；

R0——鉆孔內總的熱阻/(m·℃)·W-1;

db——鉆孔直徑/m，取db=0.15 m。

式(1)可簡化為

Tf=mlnτ+b

(2)

這里m和b是定值。

(3)

(4)

由式(2)可以得出m是導熱系數(shù)的一個參數(shù)

(5)

鉆孔內的傳熱熱阻為

(6)

式中D——上升管與下降管軸心之間的距離；

d1——埋管內徑;

d2——埋管外徑；

h——流體與管壁之間的對流換熱系數(shù);

kp、kb、ks——管壁、回填材料和巖土的導熱系數(shù)；

R0——鉆孔內的傳熱熱阻。

2 測試與分析計算

2.1 工程概況

工程所在地均處于夏熱冬冷地區(qū)，莫干山地處北緯30°36’，東經119°52’，位于浙江湖州德清縣，鉆孔海拔高度342 m；浦江鎮(zhèn)地處北緯31°12’，東經121°38’，隸屬于上海市閔行區(qū)，平均海拔4.3 m；鹽城市地處北緯32°34′～34°28′，東經119°27′～120°54′之間。前期進行地質測試分析，莫干山地處山區(qū)，除去表層較淺的房渣土，其他均為巖石結構，質地堅硬，結構組成較為單一；浦江屬于長三角沖積平原，上層以淤泥為主；又因為沿海，故中下層以砂礫為主；鹽城屬于沿海城市，地質結構以粉砂層居多，且均具有較高的含水率。表1為各地埋管及回填材料相關參數(shù)。

2.2 實驗儀器

熱響應試驗依托我方研制的巖土熱物性參數(shù)測試儀進行，設備原理圖如圖1所示，該裝置由貯熱(加熱)水箱、制冷系統(tǒng)(壓縮機、浸沒式蒸發(fā)器、風冷冷凝器)、水泵(變頻控制)、流量調節(jié)閥、流量計、自控系統(tǒng)、溫度傳感器、溫度采集儀及檢測、記錄儀表組成。測試儀中的管路與地熱換熱器地下回路相接，循環(huán)水泵驅動流體在回路中循環(huán)流動，流體經過加熱器加熱后流經地下回路與巖土進行換熱。

整個測試過程依據《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》(GB50366-2009)“附錄C 巖土熱響應實驗”進行，采用恒熱流法進行排熱工況測試，使用DataManagement讀寫軟件進行數(shù)據的讀寫與處理，數(shù)據采集間隔為1 min，測試結束前后溫度傳感器和流量傳感器均進行了標定與校正，保證了測試結果的穩(wěn)定性。具體測試參數(shù)見表2。

表2 熱響應試驗測試參數(shù)表

2.3 數(shù)據處理與分析

依據儀器上安裝的數(shù)據采集軟件實時采集的地埋管進出口水溫、循環(huán)水流量等數(shù)據，可計算出不同時刻的進出口水溫溫差、進出口水溫平均溫度、排熱量等數(shù)據。分別分析這些參數(shù)，得到如圖2～圖4所示的曲線。

結合圖2～圖4，對所測得的三地穩(wěn)定工況運行數(shù)據進行匯總，如表3所示。

表3 工況穩(wěn)定時測得的實驗數(shù)據

由圖2可知，莫干山巖土熱響應測試孔在測試開始4 h內，地埋管溫度上升較快，這是因為巖石具有較強的蓄熱能力及熱惰性，在測試初始階段，測試孔內換熱量不大，地埋管進口溫度急劇上升；又由于巖石熱擴散性較好，4 h之后，地埋管內熱量逐漸釋放至周圍區(qū)域，換熱量逐漸增大，4～8 h內屬于熱擴散整流階段，8 h后供回水溫差趨于穩(wěn)定，說明換熱趨于穩(wěn)定，同樣由于巖石的高熱擴散性，在換熱趨于穩(wěn)定后，地埋管進口溫度上升幅度大幅下降，趨于平緩。穩(wěn)定后的供水溫度是36.8～41.9℃，供回水溫差9.1～9.8℃。

由圖3可知，浦江巖土熱響應測試在測試初期，即開始4 h內，地埋管進出口水溫上升較快，因為在測試初期，地埋管內存水與巖土體初始溫度相同，貯熱水箱內水溫也接近大氣溫度，埋管進出口水溫溫差很小，隨著貯熱水箱內水溫因電加熱器工作而持續(xù)升高，即地埋管進出口水溫溫升很快，出口水溫也隨之上升，進出口水溫溫差逐漸增大，隨著循環(huán)水與巖土體之間的換熱不斷進行，進出口水溫溫差也趨于穩(wěn)定，基本處于4.9～5.6℃之間。

由圖4可知，鹽城巖土熱響應測試自開始實驗5 h換熱基本穩(wěn)定，而后地埋管換熱器進口水溫為34.77～41.33℃，出口水溫為29.85～36.29℃，溫差為4.92～5.04℃，排熱量為7.15～7.33℃。鹽城相較其他兩地，沒有較大的溫升區(qū)間，亦沒有較大的波動，整體工況相對平穩(wěn)，這與其地處沿海區(qū)域，受自身的粉砂層地質以及較高的含水率影響較大。

結合式(2)，用曲線擬合法，得出Tf對應lnτ的直線，其斜率即為m。已知m值結合式(5)，可算出導熱系數(shù)λ。

圖5是三地地埋管進出口平均溫度隨時間對數(shù)的變化趨勢，針對不同地區(qū)分別選取適當?shù)臄?shù)據區(qū)間進行線性擬合，即圖6～圖8。將分析結果進行匯總如表4所示。

表4 線性擬合結果

由表4可知，莫干山擬合公式中，斜率m=3.169 2，截距b=0.696，結合公式(5)，可以計算出莫干山的巖土導熱系數(shù)為λ1=2.40 W/(m·℃)，同理，結合表4中浦江和鹽城的擬合公式，可以得出其巖土導熱系數(shù)分別為：浦江λ2=1.92 W/(m·℃)，鹽城λ3=1.84 W/(m·℃)。根據所選定的地埋管結構，由公式(6)計算出鉆孔的熱阻Rb，將升溫曲線的截距b代入公式(4)，可以計算得出巖土熱擴散率。最終獲得的巖土熱物性參數(shù)如表5所示。

表5 巖土熱物性參數(shù)

對比表5中三組數(shù)據可以發(fā)現(xiàn)：三地鉆孔熱阻和巖土熱擴散率比較接近，其中莫干山巖土導熱系數(shù)2.40 W/(m·℃)，鉆孔熱阻0.119(m·℃)/W；浦江巖土導熱系數(shù)1.92 W/(m·℃),鉆孔熱阻0.155(m·℃)/W；鹽城巖土導熱系數(shù)1.84 W/(m·℃)，鉆孔熱阻0.121(m·℃)/W。綜合來看，莫干山鉆孔熱阻最小，巖土導熱系數(shù)最高，換熱效果相對較好。

3 結果分析

(1)巖石具有高蓄熱能力和熱惰性，使地埋管換熱器前期與周圍巖土換熱較慢，同時巖石具有的高熱擴散性，使其在之后的熱擴散整流階段能與周圍土壤高效快速換熱，這對地埋管換熱器的換熱起到積極作用。與其他地質條件相比，巖石地質鉆孔較為困難，但其較高的換熱效果說明在巖石地質條件下地源熱泵亦有存在的必要。

(2)與其他兩地相比，浦江白天排熱工況波動較大，晚上趨于平緩。分析原因，可能是白天電網電壓不穩(wěn)定，電加熱器正常運行受到一定影響。在整個測試階段，要保證恒定的熱量輸入，所以測試期間需使用穩(wěn)壓電源等一些輔助設備。

(3)由表1和圖2～圖4可以看出，前期換熱效果可能會受巖土初始溫度影響，但后期穩(wěn)定階段，主要影響地埋管換熱器換熱能力的是巖土導熱系數(shù)和鉆孔熱阻。巖土導熱系數(shù)越大，鉆孔熱阻越小，后期進出口平均溫度的值就越高。

(4)測試過程中，在不同的加熱功率下，排熱工況下單位延米的換熱量是不相同的，所以設計單位不能簡單地把“單位延米換熱量”作為設計依據應用于地下?lián)Q熱系統(tǒng)設計中。地下?lián)Q熱器設計計算應按照國家標準《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》(GB50366-2009)，首先進行全年逐時動態(tài)負荷計算，最小計算周期宜為1年，繼而計算全年地下?lián)Q熱系統(tǒng)總排熱量與其總吸熱量，根據計算結果做好熱平衡措施，同時還需結合巖土體熱物性參數(shù)，采用專用軟件進行地下?lián)Q熱器設計。

4 結 論

(1)對測試數(shù)據進行計算分析，得到莫干山巖土導熱系數(shù)2.40 W/(m·℃)，單位延米換熱量72.9 W/m；浦江巖土導熱系數(shù)1.92 W/(m·℃)，單位延米換熱量61.6 W/m；鹽城巖土導熱系數(shù)1.84 W/(m·℃)，單位延米換熱量61.6 W/m。

(2)在野外進行熱響應實驗時，要使用穩(wěn)壓裝置以保證恒定的熱量輸入。

(3)巖石地質條件一般具有較高的熱擴散性，對地埋干換熱器換熱效果有促進作用。

(4)地埋管換熱器換熱效果前期受巖土初始溫度影響較大，運行穩(wěn)定階段受導熱系數(shù)和熱阻影響較大。

(5)不能用單位延米換熱量這個單一參數(shù)分析地埋管換熱器換熱效果。