垂直地埋管现场热响应试验研究

姚文江,杜建国,徐雪球

(江苏省地质调查研究院,江苏南京 210018)

地源热泵技术是一种利用浅层大地能量向建筑物供冷供热的系统,是一项值得大面积推广的建筑供能技术.为了合理利用和开发浅层地温能,需要对项目建设地的地下土壤热物性、换热孔地下单位换热量、热影响半径等参数进行现场测试,为工程设计提供技术参数.

沙家浜温度假中心位于常熟市沙家浜风景区旁,占地212亩,总投资约12亿元.

1 测试目的及意义

通过垂直地埋管现场热响应试验获得埋地换热器与周围土壤间的换热规律、每延米井深的换热量、地下岩土的热物性参数以及周围土壤温度的变化情况等,为设计地源换热系统以及整个热泵系统提供依据.

2 测试原理及装置

(1)测试原理

地埋管换热器的热响应特性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:基于线热源理论的线模型;基于圆柱热源理论的柱模型.本试验采用了线热源数学模型.

根据线热源理论,流入与流出地埋管的水温平值的计算式为:

式中:Tf--埋管内流体平均温度(入口与出口的平均值)(℃);

Qheat=加热功率,( w);

λ--土壤的平均热导率(w/(m・℃) );

a--热扩散率(m2/s);

t--测试时间(S);

r--半径(m);

y--欧拉常数;

Rb--钻孔热阻(m・℃/w);

T0-岩土远处未受扰动的温度(℃).

计算式(1)可写为线性形式:

C-土壤比热容;

Qb-地埋管中心温度(℃);

Q0-地层初始温度(℃).

由(1)～(6)式可以计算得出地层的换热量、土壤的平均热导率λ和热扩散率a.

(2)测试装置

本次试验采取恒温测试方法,试验装置主要由控制主机和测量系统两部分组成(图1),图2给出了主机部分的结构原理图与测试现场图,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,其中温度通过Pt1000型铂电阻测量,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.

图1 埋地换热器试验系统原理

在试验过程中,先后测定埋地换热器的取热能力和排热能力,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0.85～0.90范围,否则表明测试结果严重偏离线性关系,则需通过方差分析确定补做试验工况,以保证测试数据的可靠性.

图2 埋地换热器测试现场图

3 测试步骤

(1)打井

本次测试钻凿2眼测试孔,两井相距80m,为进一步了解该区域内钻孔的难易、费用和换热效率等情况,根据建设单位要求和现场的实际情况,选择具有地质代表性和实际操作性强的地点进行换热测试孔的钻凿.

根据本地区地层结构,为了提高钻孔效率和减少钻孔成本,钻孔深度为120m.钻进设备采用SP-150型水文钻机、泥浆正循环、回转钻进方法.

(2)下管及回填

换热器管材采用φ32mm、壁厚3mm, PE100SDR11聚乙烯管.其底部的双U型弯头与竖直管采用电熔连接.为避免竖直两管接触造成短路,两管之间每隔3.5m安装管道固定卡一个,以保证两管间距固定.下管前冲水打压至1.6MP,下管是利用配重重力自然下入,当下管困难时,用钻杆下顶辅助下管,下管完毕后填入回填料密实孔隙,为了提高填料的密实程度,要严格控制填料的速度,沿孔壁四周均匀慢速填料,减少因填料过快而造成填料在孔内搭桥的机会,本次回填料为细砂.回填完毕后再次打压至0.4MP.测试工作在钻孔回填完成48h后进行,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.

(3)地质概况

结合区域地质资料和钻探情况,本区第四系埋藏深度在200m以上,以粘土、粉砂及细砂为主,含水性高,地下水位一般在地表下1～4m.

4 换热试验

4.1 现场测试

连接管路,对1#、2#试验孔进行测试,测试时间1#测试孔从1月3号～1月9号,共计7天;2#测试孔从1月9号～1月15号,共计7天.

4.2 试验孔土壤平均初始温度

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.在热响应测试中,当不开启加热或制冷装置,而仅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3、图4给出了土壤平均初始温度的测试结果.可以看出,在测试条件下,经过系统循环后,1#、2#孔土壤的初始温度稳定后分别为18.3℃和17.9℃.

需特别说明的是,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.一般而言,冬季结果偏小一些,而夏季结果偏大一些,本试验时间范围内的测量结果属于冬季工况范畴.

图3 1#孔土壤平均初始温度测试结果

图4 2#孔土壤平均初始温度测试结果

4.3 换热试验过程

1#测试孔现场热响应试验自2010年1月3日开始,至2010年1月9日结束,首先用测试仪器对换热孔土壤原始温度进行测试.2009年1月3日至2010年1月5日进行现场热响应试验,分别进行恒温法的10℃和5℃取热工况,恒温法的压缩机功率为6kW.在取热试验结束后,恢复到原地温再进行排热试验.2009年1月6日至2010年1月9日分别进行恒温法的25℃和30℃排热工况,恒温法的加热功率为12kW.经监理及相关技术人员现场抽测,所取得的数据合理、完整,符合试验要求(见图5～8).

图5 1#孔10℃取热测试结果

图6 1#孔5℃取热测试结果

图7 1#孔25℃排热测试结果

图8 1#孔30℃排热测试结果

(2)2#测试孔

2#测试孔现场热响应试验自2010年1月9日开始,至2010年1月15日结束,1月9日用测试仪器对换热孔土壤原始温度进行测试.2009年1月10日至2010年1月11日进行现场热响应试验,分别进行恒温法的10℃和5℃取热工况,恒温法的压缩机功率为6kW.在排热试验结束后,恢复到原地温再进行取热试验.2009年1月13日至2010年1月14日分别进行恒温法的25℃和30℃排热工况,恒温法的加热功率为12kW.取得数据齐全、经监理及相关技术人员现场抽测,数据合理、完整,符合试验要求(见图9～12).

图9 2#孔10℃取热测试结果

图10 2#孔5℃取热测试结果

图11 2#孔25℃排热测试结果

图12 2#孔30℃排热测试结果

5 数据处理

5.1 钻孔换热量计算

(1)1#孔数据处理结果

恒温法在5℃取热量:

G=1.1001m3/h,△t=4.14℃

Q=1.1001X4.14/0.86=5.296kW

在温差为4.14℃,流量为1.1001m3/h时每延米取热量为44.13W.

恒温法在30℃排热量:

综上所述，0.50 mg/L舒芬太尼复合0.10%的罗哌卡因的硬膜外麻醉方案在为无痛分娩产妇提供较好镇痛效果的同时，可缩短第一产程时间，值得在临床中推广应用。

G=1.1342m3/h,△t=4.04℃

Q=1.1342X4.04/0.86=5.328kW

在温差为4.04℃,流量为1.1342m3/h时每延米排热量为44.40W.

根据换热试验所得的每延米排热量和每延米取热量实际资料,编制双U型管换热量与流体温度曲线关系图(见图13).

图13 1#孔流体温度与单位换热量关系图

(2)2#孔数据处理结果

恒温法在5℃取热量:

G=1.114m3/h,△t=4.13℃

Q=1.114X4.13/0.86=5.35kW

在温差为4.13℃,流量为1.114m3/h时每延米取热量为45.58W.

恒温法在30℃排热量:

G=1.1135m3/h,△t=4.41℃

Q=1.1135X4.41/0.86= 5.710kW

在温差为4.41℃,流量为1.1135m3/h时每延米排热量为47.58W.

根据换热试验所得的每延米排热量和每延米取热量实际资料,编制双U型管换热量与流体温度曲线关系图(见图14).

图14 2#孔流体温度与单位换热量关系图

5.2 热物性参数计算

由图14、图15及该曲线斜率,可以计算得到土壤的平均热导率λ.再根据当地资料估计土壤的体积比热容c,计算得到热扩散率a.

1#孔和2#孔换热量满足以下方程:

1#孔和2#孔附近土壤的热导率分别为1.76W/ (mK)和1.78W/(mK).

1#孔和2#孔附近土壤的热扩散系数分别为0.8036X10-6m3/s;和0.8127X10-6m3/s;

6 温度场模拟

由公式(6)经反复迭代计算出,1#换热试验影响半径为1.90m～2.83m,2#孔换热试验影响半径为1.94m～2.90m.

根据试验数据,分别模拟夏季制冷工况和冬季制热工况下的温度场(见图15～图18).

图15 1#孔夏季工况120m深处距井中心0.1～5m温度模拟时间的变化

图16 1#孔冬季工况120m深处距井中心0.1～5m温度模拟时间的变化

图17 2#孔夏季工况120m深处距井中心0.1～5m温度模拟时间的变化

图18 2#孔冬季工况120m深处距井中心0.1～5m温度模拟时间的变化

7 结论及建议

(1)1#孔地层初始温度为18.3℃.

在热泵进水温度29℃,出水温度24.96℃,温差4.04℃,流量为1.1342m3/h的排热工况下,制冷期的排热量为44.3892W/m;在热泵进水温度为6.93℃,出水温度11.07℃,温差4.14℃,流量为1.1001m3/h的取热工况下,取暖期的取热量为44.0825W/m.

地层的热导率约为1.76W/m.℃,热扩散率约为0.8036X10-6m2/s,模拟试验温度影响半径为1.90m～2.83m.

(2)2#孔地层初始温度为17.9℃.

在热泵进水温度28.82℃,出水温度24.41℃,温差4.41℃,流量为1.1135m3/h的排热工况下,制冷期的排热量为47.5867W/m;在热泵进水温度为6.65℃,出水温度10.78℃,温差4.13℃,流量为1.114m3/h的取热工况下,取暖期的取热量为44.6283W/m.

地层的热导率约为1.78W/m.℃,热扩散率约为0.8127X10-6m2/s,模拟试验温度影响半径为1.94～2.9m.

综合考虑热响应试验结果及地质条件,建议夏季制冷工况可选择热泵进水温度32℃,流量1.1m3/h,预计每延米排热量为65W/m;冬季采暖工况,选择热泵进水温度7℃,流量1.1m3/h,预计每延米取热量为50W/m;

本次试验区域的土壤热传导能力较强,适合建设地埋管方式的地源热泵系统.但由于土壤初始温度较高,有利于土壤取热,不利于排热,所以在设计地源热泵系统时需注意地下排取热平衡问题.建议设计人员根据项目建筑冷热负荷本身的不平衡程度,同时考虑地下地埋管换热器管群的密集程度,来确定地埋管换热器管群换热能力的长期衰减系数,以保证整个地源热泵系统的长期稳定性与节能性.

最后衷心感谢天津市地热勘察开发设计院,对本次试验的技术支持.

[1]张燕立,张新发,由世俊.土壤源热泵空调工程的设计与施工[J].制冷与空调, 2006, 6.

[2]苏登超,陈明九.地源热泵空调技术的地域性特征[J].工程建设与设计,2007,1.

[3]何耀东,何青.两种快速发展的地源热泵技术经济性对比分析及节能技术[J].建筑节能,2007,3.

[4] GB50366-2005,地源热泵系统工程技术规范[S].

[5]浅层地热能勘查评价技术规范(征求意见第二稿)[S].