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(duì)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(duì)地耦管換熱量測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 測(cè)試目的

通過測(cè)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(cè)試方法

2.1 測(cè)試原理

測(cè)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(cè)試系統(tǒng)由測(cè)試儀器和測(cè)試孔組成。測(cè)試儀器的水循環(huán)部分與測(cè)試孔相連接，組成一個(gè)閉式環(huán)路。測(cè)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(cè)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(cè)試儀器

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

2.3 測(cè)試內(nèi)容

(1)單位井深的地耦管換熱能力測(cè)試;

(2)土壤熱物性參數(shù)計(jì)算。

2.4 測(cè)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(duì)HDPE管進(jìn)行壓力試驗(yàn)。

(2)模擬測(cè)試

將小型熱泵測(cè)試機(jī)組的水路循環(huán)部分與所要測(cè)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(cè)地埋管總換熱量、單位換熱量及土壤熱阻。

3 結(jié)果

3.1 測(cè)試結(jié)果

(1)土壤原始溫度的測(cè)定:見圖1。

圖1 土壤溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)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(cè)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(shì)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)試結(jié)果為47.8W/m。通過測(cè)試結(jié)果的比較分析，該測(cè)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(cè)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(cè)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011:189－204．