地耦管换热量测试设备的现场应用

于晓莹，邱慧，薛强

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

土壤耦合换热量取热值的确定对地源热泵空调系统的使用效果、运行效率、节能效益以及整个工程的初投资有着重要的影响［1］。由于我国铁路沿线地域广阔，地质情况复杂，为保证地源热泵系统在铁路沿线建筑的长期使用中，地热耦合系统能够得到正常、稳定的换热效果，必须准确掌握土壤取热值。为此，结合呼和浩特铁路局包头西站货检楼地源热泵工程对地耦管换热量测试设备进行了现场应用。

1 测试目的

通过测试，以获得实际工程地质条件及回填工艺条件下的垂直地埋管换热器的换热能力、地下土壤的热物理参数等，为地埋管换热系统设计提供依据。

2 测试方法

2.1 测试原理

测试模拟地源热泵空调夏季制冷和冬季制热的运行模式。测试系统由测试仪器和测试孔组成。测试仪器的水循环部分与测试孔相连接，组成一个闭式环路。测试系统包括水加热(制冷)部分、水循环部分、数据采集及分析部分。水加热(制冷)部分将闭式环路中的循环水加热(制冷)，循环水通过U型管与周围土壤换热，将热释放(吸收土壤的热量)到周围土壤里。在循环过程中，将进/出测试仪器的温度、流量、加热(制冷)量采集到电脑里，分析计算土壤的热物理参数。

2.2 测试仪器

测试仪器为自主研发的地耦管换热量测试设备。温度测量采用精度为A级的PT100铂电阻温度传感器，测量精度±0.1℃;流量测量采用XKLV-21涡街流量计，测量误差为0.1%。

2.3 测试内容

(1)单位井深的地耦管换热能力测试;

(2)土壤热物性参数计算。

2.4 测试步骤

(1)钻孔和下管

用钻机钻80 m深的换热孔，钻孔直径300 mm。成孔后，孔内安装直径为32 mm的双U型HDPE管，并在下管后采用钻井原浆混合细砂回填。下管前后都需要对HDPE管进行压力试验。

(2)模拟测试

将小型热泵测试机组的水路循环部分与所要测试的换热孔内的HDPE管路连接，形成闭路环路，同时将采集仪器与PC机连接，启动数据采集软件，通过小型热泵机组内的循环水泵驱动环路内的液体不断循环，达到初步平衡后，可确定岩土的初温［2］。然后，启动热泵机组内的加热器不断加热环路中的液体，在该闭路环路内的液体不断循环，加热器所产生的热量就不断通过换热孔内的地埋管释放到土壤中。在环路内的液体循环的过程中，将循环液的进出口温度、进口流量和环境温度进行数据采集，每隔10 s采集1次数据，每隔6 h自动存储1次数据，采集参数分别为地埋管进水温度、地埋管出水温度以及循环水流量。通过计算机计算，获得被测地埋管总换热量、单位换热量及土壤热阻。

3 结果

3.1 测试结果

(1)土壤原始温度的测定:见图1。

图1 土壤温度随时间变化趋势图

由图1可见，8 min后基本稳定在10.5℃。

(2)地耦管换热量测试结果:见图2～4。

图2 地耦管进出口温度

由图2可知，17 h后循环水进口温度基本稳定在10℃、循环水出口温度基本稳定在5℃、循环水进出口温差基本稳定在5℃。

图3 循环水入口流量趋势图

由图3可见，通过调节阀门，循环水流量基本稳定在0.6 m3/h。

由图4可见，实验系统最大输出热功率4.5 kW，17 h后输出热功率稳定在3.65 kW。稳定后的输出功率是设计中所能承受的最大功率，可作为下面计算中的比较参考值。

图4 总换热量曲线

3.2 测试数据计算［3］

(1)热平衡时系统总换热量

式中:Cp载热介质的比热容［J/(kg·K)］，

水:4176J/(kg·K);

ρ载热介质的密度(kg/m3)，

水:1000 kg/m3;

q载热介质的流量(m3/s);

Δt载热介质的进出口温差 ，Δt=∣to－ti∣

to载热介质出口温度(℃);

ti载热介质进口温度(℃)。

计算得:Q=Cp·ρ·q·Δt

=4 176×1 000×0.000 36×5=7 516.8(W)

(2)单位井深换热量(释热工况)

按单井有效换热深度80 m计算，试验井在初始地温为10.5℃、平均释热温度为(50+15)/2=32.5℃、释热温差为32.5－10.5=22℃的释热平衡条件下，单位井深换热量为:

(3)土壤热阻

土壤当量热阻(相当于综合考虑了载热介质的对流热阻、管壁热阻、回填材料热阻和地层热阻的等效热阻)近似计算式为:

式中:Rs土壤当量热阻(m·K/W)，

ΔT传热温差(℃)

式中:∣to+ti∣/2为换热过程中土壤平均温度的近似表达;

t0土壤原始平均温度;

q单位井深换热量(W/m)。

(4)吸热工况时单位井深换热量

吸热工况时，由于初始地温较低，需在地埋管系统中灌注乙二醇防冻液(建议加注20%乙二醇溶液)，取该工况下地埋管进水温度为－2℃，出水温度为1℃，平均吸热温度为(－2+1)/2=－0.5℃、吸热温差为10.5－(－0.5)=11℃。

4 结论

在释热运行工况下，因传热温差较大(23℃)，地埋管单位井深具有的换热能力亦较大，测试结果为94W/m。在吸热运行工况下，因传热温差较小(11℃)，地埋管单位井深具有的换热能力亦较小，测试结果为47.8W/m。通过测试结果的比较分析，该测试软件所得出的结果稳定可靠，可为地源热泵地埋管换热系统设计提供准确依据。

［1］郑宗和，肖衍党，韩丁．地埋管取热值测量系统［J］．制冷与空调，2009，23(1):33 －35．

［2］GB50366—2005，地源热泵系统工程技术规范［S］．

［3］徐伟．地源热泵技术手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，2011:189－204．