不同深度的地埋换热孔换热功率分析

2011-10-08陈海波高亮李向宝陈治法

地质装备 2011年6期

陈海波,高亮,李向宝,陈治法

(1.天津地热勘查开发设计院,天津300250;2.北京市地质工程公司,北京100039)

1 简介

地源热泵现场热响应试验是利用地埋管换热系统采用人工冷(热)源向岩土体连续加热(制冷)并记录传热介质的温度变化和循环量来测定岩土体的热传导热性能的试验。埋地换热器的地下换热特性实验是开发利用浅层地热能资源的一个首要技术程序。开展地下换热特性实验的重要目的在于通过现场钻孔实验,掌握浅层土壤在外界热激励作用下的动态响应过程,从而获得土壤初始温度、热物性参数以及地下换热规律,为进一步的地源热泵系统优化设计与节能运行提供必要的数据依据。

通过建立天津浅层地热能监测中心获取动态数据,进行浅层地热能资源开发利用地质环境影响分析及热泵系统节能评价,为地源热泵系统科学、合理、正常的运行提供基础数据,建立起天津市浅层地热能资源开发利用地质环境影响预警系统,实现本市浅层地热能资源的科学管理和可持续开发利用。

2 现场热响应实验原理

2.1 测试仪器

现场热响应试验与测试就是热响应测试仪器对一定深度测试孔进行不同热负荷排热和取热试验。试验平台主要包括恒热流加热器、流量传感器、温度传感器、循环水泵、换热器以及数据采集系统等组成。实验仪器主要由控制主机和测量系统两部分组成。图1是主机部分的结构原理图,其中加热功能主要依靠盘管加热器,冷却功能由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成的封闭制冷循环来完成。测量参数主要包括进出口温度以及流量等,本次试验采用 HQ-L1恒温法岩土热响应测试仪。其中,温度测量精度为0.1℃,流量通过电磁式流量计测量,流量启动值为0.0073m3/h,分辨率为0.001m3/h,精度1%,累计热量分辨率0.001mJ。恒热流测试仪:流量在0.5～2m3/h范围内,精度0.1级,即1%,温度探头精度为A级,即0.05级,0.5%,考虑仪表误差,热量值计算误差可控制在1%以内,分辨率为0.001m3/h。满足规范要求的流量测量误差不应大于±1%及温度测量误差不应大于±0.2℃。

图1 现场热响应试验测试原理图

2.2 试验原理

现场热响应试验过程为:首先,将测试仪的水路循环部分与待测换热器相连接,形成一个闭式环路;然后,通过启动管道循环水泵,以驱动环路流体开始循环。待系统进出口温差为零时,开始启动电加热器来加热环路中的流体。随着换热器进口水温的不断升高,其热量通过管壁与土壤之间的传热过程逐渐释放到地下土壤中,同时使土壤温度也逐渐升高,最终管内流体温度和土壤温度维持在一种动态的热平衡状态。然后,增大加热功率,系统将重复上述传热过程,直至达到新的平衡状态。在整个流体加热循环过程中,通过计算机采集系统记录进/出温度、流量和加热功率等参数,与此同时地下温度的变化情况也会自动记录下来。

通过现场热响应试验模拟冬、夏季热泵实际运行工况,测量进/出仪器的流量、进/出温度和时间,依据不同负荷测试,最终求得:换热孔的热导率、每延米吸热量和排热量(W/m)。

现场热响应试验在理论上可以归结为在一定热流边界条件下的非稳态传热问题。其数学解析主要有两种模型:1)基于线热源理论的线模型;2)基于圆柱热源理论的柱模型。本次调查中现场热响应试验采用了柱热源数学模型。

对于地下换热量 q(W/m)而言,它是根据流量和进出口温差获得的,即

式中:m为质量流量,cp为定压比热容,H为换热器的有效深度,tj和tc分别为进口/出口水温(℃)。

对于钻孔内稳态传热过程,满足

式中:tf为流体平均温度,且 tf=(tj+tc)/2,tb为钻孔壁温度,Rb为钻孔总热阻,其计算可参见有关文献。

在钻孔传热分析中,G函数定义如下:

式中:to为平均土壤初始温度。

综合(1)～(3)式可以看出,通过圆柱热源模型解决钻孔与土壤传热问题的一个重要手段是求解G函数,从而获得地下换热量和土壤的热导率。

2.3 测试程序

(1)在测试埋管安装完48h后进行现场热响应试验的无负荷循环测试,获取地层初始平均温度。温度稳定后(变化幅度小于0.5℃),观测时间不少于24h。

(2)在获取初始平均温度后,开始对回路中的传热介质加冷或热负荷。测试过程中冷或热负荷和流量基本保持恒定(波动范围在±5%以内),逐时记录回路中传热介质的流量和进出口温度。

(3)现场热响应试验时,恒热流排热试验:地埋管进口温度分别为20℃和35℃两种工况的排热试验,每个工况温度恒定后,观测时间不少于24h。

(4)每次加冷或热负荷停止后,继续观测回路的进出口温度,直到地层初始温度为止。

(5)现场热响应试验时,进行气温观测。

2.4 测试结果分析

在现场热响应试验过程中,先后测定换热器的取热和排热能力,并且通过地下换热量随流体平均温度的线性变化的拟合方程来确定测试数据的有效性。一般要求回归系数 R2大于0.85,如测试结果严重偏离线性关系,则需通过方差分析确定补做实验工况,以保证测试数据的可靠性。

3 试验场测试结果

为分析在相同地质条件下不同埋管类型、埋管深度对地埋管换热系统换热量的影响,本次工作建设地埋管现场热响应试验场。试验场共施工60m单 U、双 U,80m 单 U、双 U,100m 单 U、双 U,120m单U、双U,150m单U、双U 10个现场热响应换热试验孔(见图2),采用相同技术要求和施工工艺,获得试验数据见表1及图3和图4。

图2 调查区试验场内现场热响应试验点位置

从表1测试数据和图3、图4看出,单U埋管与双U埋管的排热量、取热量相差很大;同样深度排热量差值0.54～21.44 W/m;同样深度取热量差值3.61～12.61W/m。换热孔深度为100m取热量差值最大,换热孔深为120m,取热量差值次之;同样深度的双U埋管的取热量比单U埋管取热量高9.91～37.75﹪,同样深度的双U埋管的排热量比单U埋管排热量高0.9～35.6﹪,而120m双U埋管试验得出的热导率为最大。综上所述换热孔无论是单U埋管,还是双U埋管,排热量还是取热量,适宜深度为100～120m。