回填材料对埋地换热器传热性能的影响研究

杜红普，齐承英

（河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401）

目前随着全球经济的快速发展、能源消耗过大，不仅造成资源浪费，也引起了一系列环境问题，特别是全球气候变暖．土壤源热泵集成系统，在加大可再生能源（例如地热能和太阳能）利用程度、减低空调冷热源排放CO2引起的温室效应方面都起到了积极的作用，成为国内建筑节能及暖通空调界研究的热点．特别是近年来，随着地源热泵项目应用规模的不断扩大，有必要对整个系统尤其是地埋管部分的优化进行考虑，而回填材料作为影响埋地换热器换热效果好坏的重要因素，更成为进一步研究地源热泵技术的关键环节．

国内在回填材料的配比和热物性方面展开一系列研究．例如，张旭[1]等人对不同比例土沙混合物的换热特性进行了实验研究．李新国[2]等人针对一工程实例，比较分析了两种不同回填材料下桩埋和井埋管取、放热工况的差异．此外，围绕回填材料的导热、粘结、渗透等物性，新型适用且符合工程特性的材料开发逐渐成为当前的一大趋势．但同时，从作者在北京、天津及唐山地区的工程调查发现，考虑到来源广泛，施工方便等因素，无明确规范要求时原土/浆回填在眼下的地源热泵项目中应用较多．尽管原浆回填经济性优势明显，但其对地埋管换热性能的影响方面目前尚无足够的说服性数据．

鉴于此，本文通过对碎石屑、中粗砂、原土（以粉质粘土为主）作为回填材料进行实验研究，获得钻孔回填材料对地埋管传热性能的影响分析，旨在为优化地源热泵系统设计方面提供一些参考依据．

1 实验系统

1.1 系统简介

图1给出了埋地换热器实验系统的原理图．实验系统主要由土壤热响应测试仪和埋地换热器相互连接组成．土壤热响应测试仪为作者单位自行研制的基于恒温法的改进实验装置，可以进行排热和取热工况实验．其中，加热系统主要依靠盘管加热器，冷却系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成的封闭制冷循环来完成，工质为R22．为保护压缩机，系统设置了启动延时、高低压限制等功能．制热和制冷系统的最大功率分别12 kW 和9kW，可通过面板上的PID积分控制器来进行粗调和微调，以维持不锈钢保温水箱中冷/热源水温的动态平衡．水箱的有效容积为40 L，其中还安装了若干水温水位传感器，可起到辅助水温调节的作用．系统的有效温控范围为5~40℃，控制精度为±0.5℃．循环水泵型号为RS-25，功率为90 W，额定流量和扬程分别为2.5 m3/h和6m．实验系统的其它详细描述与测试方法可参阅文献[3]．

在本文换热实验中，埋地换热器的平均流体温度变化范围为20~35℃和5~10℃，这与地源热泵系统的实际运行工况相一致．根据测试装置本身的调节范围，并综合考虑测试周期及数据拟合有效性等因素，分别进行1个初始工况+2个排热工况+2个取热工况．

本文3个换热实验的钻孔有效深度均为120 m左右,钻孔直径约为250 mm，采用DN32型双U埋地换热器（HDPE）．在钻孔深度范围内，土壤类型以粘土为主．测试工作在钻井回填完成后一周开始进行，此时土壤温度已经基本恢复至未受扰动前的自然初始状态．国内外研究表明[4]，埋地换热器地面部分传热是影响地下换热实验结果的重要因素之一．为了减小实验测量误差，埋地换热器的地面以上部分的长度保留约1m，并进行了橡塑保温处理，以减少换热损失．本文对天津地区三处钻孔分别采用了碎石屑、中粗砂、原土（以粉质粘土为主）作为回填材料，回填密实可靠．经过现场取样进行实验室分析，其基本物性见下表：

图1 埋地换热器实验系统简图Fig.1 Diagram of thegeothermal heat exchanger experimental system

表1不同回填材料的基本物性Tab.1 The thermal properties of different backfill materials

1.2 测试误差分析

本次实验的温度误差主要包括标定精度与采集误差,计算如下

考虑最大进出口温差为5℃，故最大温度误差=±0.287 2/5=±5.74%．

根据实验标定,在测试流量范围内电磁流量计的最大误差为±2.5%．所以,本次地下换热实验的总测量误差（最大值）为

2 实验结果与讨论

2.1 初始地温分析

通常而言，根据温度变化差异，浅层土壤基本可以划分为3个区域：变温层、恒温层和增温层．变温层是指深度在20m左右深度以上的土壤，其温度随地表气象条件（大气环境、太阳能辐射等）的周期性变化比较明显；恒温层是指深度约在20~50 m之间的土壤，其温度四季稳定，几乎不受外界环境因素的影响；恒温层以下为增温层（深度大于40~50m），温度呈线性增加趋势．

在地下热响应测试中，当不开启加热或制冷装置，而仅依靠循环泵来维持地埋管换热器环路循环时，经过一定时间后，地埋管换热器的进出口水温将逐渐趋于相等或保持一个很小的允许温差（通常为0.1℃）．此状态下的进出口平均水温通常被认为“土壤初始温度”．图2给出了1#孔的土壤平均初始温度的测试结果．可以看出，在测试条件下，经过12h循环后，土壤初始温度稳定为14.86℃．

需要特别说明的是，上述“土壤初始温度”实际上是土壤沿钻孔深度方向上各处地温的积分平均数值．考虑到变温层土壤温度存在周期性变化，所以地下热响应测试中的土壤初始温度也会存在季节变化效应，这在设计地源热泵系统时需要加以考虑．有关土壤温度季节变化效应的详细描述请参阅文献[5]．

2.2 钻孔地下换热量分析

图2 土壤平均初始温度测试结果Fig.2 The results of the natural ground temperature

图3 取热工况换热实验结果Fig.3 Experimental results under heat-extraction condition

图4 排热工况换热实验结果Fig.4 Experimental results under heat-injection condition

图3和图4分别给出了1#钻孔在取热和排热工况下，进出口流体温度以及地下换热量随时间的变化关系．可以看出，由于碎石屑回填材料具有良好的热传导性能，所以钻孔内的导热热阻较小，使得整个土壤和埋地换热器之间传热过程的稳定时间相对较快，平均在20 h以后就基本达到稳定状况．

2.3 土壤导热系数分析

根据上述埋地换热器稳态运行数据一览表,可以绘制出地下换热量q随埋地换热器管内流体平均温度的变化关系，如图5所示．可以看出，此关系呈线性变化规律（>0.9），与理论结果吻合良好，说明本次实验结果比较可靠．一般而言，曲线斜率越大，土壤的热传导性能越好，地下换热量越大．具体而言，埋地换热器的地下换热量满足以下实验方程

图5 地下换热量随管内流体平均温度的变化关系Fig.5 Variations of underground heat-transfer rate with the average fluid temperature

同样，当回填材料为中粗砂、原土时，也可得出埋地换热器的地下换热量关系式，见表2所示．对于典型的管内流体换热温度范围：20~35℃（夏季）和5~10℃（冬季），碎石屑回填下的埋地换热器换热量与中粗砂和原土作为回填材料时相比，分别提高约2%~15%、18%~38%（夏季）和27%~35%、58%~73%（冬季）．由此可见，钻孔回填材料对埋地换热器的传热性能影响较大．随着钻孔回填材料导热系数的增大，可以有效减小钻孔内的传热热阻，从而明显改善地埋管与土壤的换热性能．

表2 不同回填材料下的地下换热量关系Tab.2 The relationship of underground heat-transfer rate under different backfill materials

3 结论

本文开展了基于碎石屑、中粗砂、原土3种不同回填材料的埋地换热器换热特性实验研究，通过实验测试分析获得以下结果：

1）获得了地下换热量随管内流体平均温度的实测变化规律，回归了地下换热量方程．实验结果表明，地下换热量与流体平均温度之间呈线性变化规律．通过上述方程，可以有效评价埋地换热器在不同工况下的换热能力．

2）钻孔回填材料对埋地换热器的传热性能影响较大．在本文钻孔条件下，与中粗砂和原土回填下的结果相比，碎石屑回填材料下埋地换热器的换热量平均提高约8%、28%（夏季）和31%、65%（冬季）．随着回填材料导热系数的增大，可以有效减小钻孔内的导热热阻，这有利于改善粘土质土壤与埋管换热器之间的传热能力，提高地源热泵系统运行的稳定性．

[1]张旭，高晓兵．华东地区土壤及土沙混合物导热系数的实验研究 [J]．暖通空调，2004，34（5）：83-85．

[2]李新国，汪洪军，赵军．不同回填材料对U型垂直埋管换热性能的影响 [J]．太阳能学报，2003，24（6）：810-813．

[3]Huajun Wang，Chengying Qi．Improved method and case study of thermal response test for borehole heat exchangers of ground source heat pump system[J]． Renewable Energy，2010，35（3）：727-733．

[4]Lim K ，Lee S．An experimental study on thermal performance of ground heat exchanger[J]．Experiment Thermal and Fluid Science，2007，31（8）：985-990．

[5]王华军，王恩宇，赵军．地源热泵地下热响应实验的季节效应分析 [J]．暖通空调，2009，29（2）：14-18．