土壤源熱泵系統(tǒng)埋地換熱器換熱性能研究

土壤源熱泵系統(tǒng)埋地換熱器換熱性能研究

劉正華 陳汝東 劉士龍

(同濟大學(xué)  上?！?00092)

    摘要：對土壤源熱泵系統(tǒng)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(shù)的方法,得到利用現(xiàn)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(fā)現(xiàn)室內(nèi)負荷和埋管循環(huán)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(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。

    關(guān)鍵詞：土壤源熱泵系統(tǒng)  埋地換熱器  性能研究  換熱量

    中圖分類號：TK121　文獻標(biāo)識碼:　A

    1　前言

    土壤源熱泵系統(tǒng)主要分為三個部分:室外埋地換熱器系統(tǒng)、熱泵機組系統(tǒng)、和室內(nèi)空調(diào)采暖末 端系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)相比,主要區(qū)別就在于室外埋地換熱器系統(tǒng)。傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)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(jù)有關(guān)研究,地表5m以下土壤的溫度已相當(dāng)穩(wěn)定,基本不隨季節(jié)變化, 約等于該地區(qū)的年平均氣溫。與室外空氣設(shè)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(jié)能和環(huán)保方面具有很大優(yōu)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(fù)雜,埋地換熱器的設(shè)計一直是整個土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點。

    2　土壤基礎(chǔ)參數(shù)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(chǔ)。初始溫度按下式計算[1]。

    2.2　土壤熱物性參數(shù)的測定和分析

    土壤熱物性的不確定性是土壤源熱泵設(shè)計的難點。所關(guān)心的熱物性主要是土壤的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴散率、比熱容等。土壤是一個多孔介質(zhì),土壤中的含水率會隨著熱量的傳遞而發(fā)生變化,而土壤的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容都會隨含水率的變化而發(fā)生改變。用函數(shù)關(guān)系來描述土壤導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容與土壤含水率之間的變化規(guī)律很困難,一般用實驗測量的方法來確定土壤的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容。確定土壤熱物性的方法包括: (1)先判斷工程區(qū)域的土壤類型,再查文獻資料,但由于現(xiàn)場條件的影響很大,通常文獻資料提供的土壤熱物性參數(shù)值的范圍很大。所以設(shè)計時,為了保證土壤源熱泵能正常運行,設(shè)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(jīng)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(jié)果產(chǎn)生很大影響。這種方法也難于考慮埋管形 式與構(gòu)造和地下水流動對土壤換熱系數(shù)的影響。 (3)現(xiàn)場測試法考慮了現(xiàn)場土壤條件和埋管井的結(jié) 構(gòu)特點,能較準(zhǔn)確的測量出土壤的熱物性參數(shù)。當(dāng) 然現(xiàn)場測試法也會受外界天氣條件、測試時間和當(dāng) 前分析方法局限等的影響。Witte博士等人開發(fā)出 一套地?zé)岱磻?yīng)測試裝置,可以現(xiàn)場測試在保證地下 環(huán)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(shù),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(zhì)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(dāng)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(nèi)設(shè)置可調(diào)加熱器,加熱器總共有五個調(diào)節(jié)開關(guān),每個開關(guān)對應(yīng)的加熱功率為 15、12、9、6和3kW。同時換熱器中的循環(huán)水流量可調(diào)節(jié),流量大小可通過流量計觀測。室內(nèi)加熱器的熱量通過與風(fēng)機盤管換熱,再與換熱器中的 循環(huán)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(nèi)加熱器功率和循環(huán)水流量的條件下,啟動系統(tǒng),經(jīng)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(tǒng)從啟動工況到平衡工況埋地換熱器的換熱情況以及循環(huán)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(nèi)部采用的是雙U型管,總管長為640m。四 個雙U管采用并聯(lián)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(huán)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(huán)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(huán)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(huán)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(huán)液流量減少到0. 35 m3/h。其中2005年11月7日和8日為連續(xù)運行,晚間的數(shù)據(jù)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(guī)律及對埋地換熱器取冷量的影響。測試的參數(shù)有埋管水的流量、埋管水進出口溫度、風(fēng)機盤管進出風(fēng)的溫度、風(fēng)量等參數(shù),其中風(fēng)量的測 量是通過風(fēng)速和盤管的尺寸得到。測試所得的冷量以水側(cè)為準(zhǔn),風(fēng)側(cè)的參數(shù)只用于校核。

    此外,對實驗?zāi)Ｐ瓦M行模擬計算,并與測得的數(shù)據(jù)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(dǎo)熱系數(shù)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(shù)據(jù)進行分析,如10月13日,其實測結(jié)果和模擬結(jié)果如圖3所示。圖3表示系統(tǒng)啟動過程中,埋地換熱器進出口水溫及溫差、風(fēng)機盤管出風(fēng)和回風(fēng)溫度隨時間的變化情況。從圖中發(fā)現(xiàn),模擬結(jié)果和實測結(jié)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(guān)。在系統(tǒng)啟動的前2h 內(nèi),水溫變化較為顯著,在隨后時間內(nèi)變化緩慢。 在系統(tǒng)啟動時間大約7h后,即進入不穩(wěn)定導(dǎo)熱的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)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(nèi)。說明所采用的模型具有一定的準(zhǔn)確性和實用性,對實際工程設(shè)計應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)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(diào)節(jié)室內(nèi)加熱器,埋地換熱器的換熱量的變化規(guī)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(jié)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(fā)現(xiàn),在整個運行過程中,地下埋管的換熱量受室內(nèi)負荷和埋地管循環(huán)水量的影響。當(dāng)室內(nèi)負荷增加時,埋地換熱器傳入土壤的熱量也隨之增加,導(dǎo)致埋地管的進水溫度也上升。 所以在保證滿足系統(tǒng)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(huán)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(shù)減小,如果流動狀態(tài)由紊流流動變成層流,則對流換熱系數(shù)變化就很明顯。但管內(nèi)流速越大,壓力損失就越大,所需循環(huán)水泵功率也越大。

    由于埋地管屬于閉環(huán)系統(tǒng),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(dāng)高一點,保證管內(nèi)流體流動處于紊流狀態(tài),提高對流換熱系數(shù),增加換熱量。

    5　結(jié)語

    土壤的基礎(chǔ)參數(shù)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(shù)的方法,并分析得知,要較準(zhǔn)確獲得土壤的熱物性參數(shù),最理想的方法是利用現(xiàn)場測試法。通過實驗發(fā)現(xiàn),埋地管循 環(huán)水流量和室內(nèi)負荷對地下?lián)Q熱量有很大影響。水流量越大,換熱量越大;室內(nèi)負荷越大,換熱量也越大,同時會導(dǎo)致埋地管進水溫度上升,使系統(tǒng)運行工況惡化。我國開展地源熱泵研究的歷史較短,應(yīng)該根據(jù)我國地質(zhì)分布狀況,研究適合我國應(yīng)用的埋地換熱器傳熱模型及設(shè)計開發(fā)工具,推動地源熱泵更廣泛的應(yīng)用。

    參考文獻

    [1]　陳啟高.建筑熱物理基礎(chǔ)[M].西安:西安交通大 學(xué)出版社, 1991.

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