岩溶区地源热泵系统土壤热湿迁移实验平台研制
2016-03-01曾召田徐云山赵艳林吕海波唐双慧
曾召田,徐云山,赵艳林,吕海波,唐双慧
(1.桂林理工大学广西建筑新能源与节能重点实验室, 广西桂林541004;2.广西大学土木建筑工程学院防灾减灾研究所, 广西南宁530004)
岩溶区地源热泵系统土壤热湿迁移实验平台研制
曾召田1,2,徐云山1,赵艳林1,2,吕海波1,2,唐双慧1
(1.桂林理工大学广西建筑新能源与节能重点实验室, 广西桂林541004;2.广西大学土木建筑工程学院防灾减灾研究所, 广西南宁530004)
摘要:地源热泵运行中地埋管换热器与岩土层的热交换是一个复杂的热湿耦合传热传质过程。为研究岩溶地区地源热泵运行过程中土体热湿迁移效应及其对系统性能的影响规律,结合岩溶地区地质条件和实验功能需求,设计研制了一个可进行地源热泵运行性能测试及地埋管周围土壤热湿迁移效应研究的实验平台;该实验平台主要分为地源热泵试验系统、运行监控和数据采集系统,实现了地源热泵运行状况和换热过程中岩土体温湿度变化、土壤热湿迁移、周围环境大气因素的自动采集和实时监测;在此基础上,利用地源热泵运行过程中的实测数据验证了实验平台的有效性,并对部分实测数据进行简单分析和讨论。运行结果表明:该实验平台具有高效、节能等优点,实现了数据自动采集和全面监测功能,完全符合实验需求。
关键词:地源热泵;热湿迁移;岩溶地区;实验平台;热量交换
0引言
地源热泵(ground-source heat pump,GSHP)系统通过地埋管内的液体(通常是水)循环与地表浅层岩土体进行热量交换,使不能直接利用的岩土低品位热能转换为可利用的高品位热能,是目前开采浅层地能中应用最为广泛的技术之一[1-4]。由于其高效、节能、环保等优势,该项技术受到全世界范围内的广泛关注[5-11];据统计,近年来世界各地的地源热泵系统装机数量以每年10%~30%的速率在不断增加[12]。20世纪90年代开始,我国的科研机构纷纷建立了各自的实验平台,对地源热泵技术进行了深入的研究:1989年,青岛建筑工程学院[13]建立了国内首个地源热泵系统试验台,对水平埋管和U型竖直埋管分别进行了研究;1998年,重庆建筑大学[14]建立了自己的实验装置,包括浅埋垂直地埋管和水平埋管两套换热器;同年,湖南大学[15]也建立了水平埋管地源热泵试验装置;同济大学[16]和华中科技大学[17]分别于1999年、2003年建立了各自的地源热泵试验装置。但是上述研究都集中于地埋管周围土壤温度的变化趋势,未考虑其周围湿度场的变化规律,对地下水渗流、降雨、蒸发等环境因素对土壤热湿迁移效应的影响更未提及。实际上,地源热泵运行中地埋管换热器与岩土层的热交换是一个复杂的热湿耦合传热传质过程,对于地下水丰富的岩溶地区来说,上述二者之间的热量交换过程显得尤为复杂。因此,为了更直观地了解岩溶地区地源热泵运行中土体的热湿迁移特性及其对系统运行性能的影响,有必要建立一个地源热泵运行中土壤热湿迁移实验平台,为揭示土壤温度场、湿度场在地源热泵运行过程中的特征变化规律提供监测手段和评价方法。
本文综合考虑岩溶地区地质条件和实验功能需求等各方面因素,设计研制了一个可进行地源热泵运行性能测试及地埋管周围土壤热湿迁移效应研究的实验平台,利用地源热泵运行过程中的实测数据验证了实验平台的有效性,并对部分实测数据进行简单分析,为该地区进一步研究地源热泵运行过程中土体热湿迁移效应及其对系统性能的影响规律提供技术支持。
1试验现场地质概况
实验平台拟建于桂林理工大学屏风校区内,该试验场地处于漓江Ⅱ级阶地的后缘与屏风山山麓的交汇地带,地形较平坦。现场地质钻探取样和室内试验结果表明:靠近屏风山侧区域属典型的残坡积红粘土,场地内岩土层较均匀,土层厚度为7.5~9.0 m,以下为碳酸盐基岩,初勘时未见地下水;临近小东江区域属漓江Ⅱ级阶地地貌,场地内岩土层较为复杂,主要分布有粘土、粉质粘土、粉土等土层,夹杂有粉砂、卵石层,土层厚度为8.0~10.0 m,以下为碳酸盐基岩,钻探时初见地下水位埋深为5.0~6.0 m。整个试验场地内岩溶均较为发育,岩溶地下水比较丰富。试验场地的土层剖面和基本热物理性质指标见表1。
表1 试验场地土层剖面及土壤热物理力学性质指标
1.未测量。
2实验平台组成
本实验平台为一个地源热泵空调系统实际工程,由设备间(机房)、实验室(1楼)、会议室(2楼)三个房间组成;实验室和会议室的建筑面积均为104 m2,层高均为4.0 m。为节约成本,拟定实验室和会议室共用一套地埋管换热系统,通过切换装置分别对两个房间进行制冷(夏季)和取热(冬季),因此空调面积均为104 m2。根据使用功能和实验需求,实验平台主要分为两个子系统,即地源热泵试验系统和运行监控数据采集系统。
2.1地源热泵试验系统
地源热泵试验系统包括:地埋管换热系统,热泵机组,末端空调系统,辅助系统。图1为地源热泵试验系统运行原理图。
①地埋管换热器;②外循环泵;③热泵机组;④内循环泵;⑤末端空调系统;⑥储水箱。
地埋管换热系统:综合考虑场地地质条件、施工成本和实验需求等各方面因素,地埋管换热系统采用横、竖复合方式,如图2所示,该交换系统分为A、B、C三个区域:A区包括A1、A2、A3、A4、A5、A6六个竖直埋管热交换器,其中A3~A6与B区、C区的流量和换热功率保持均衡,A1、A2与总集水器直接连接(可独立控制),为实验平台后期试验预留相关功能及辅助热交换作用;B区包括B1、B2、B3、B4四个竖直埋管热交换器;C区包括C1、C2、C3、C4四个横埋管热交换器。为使流量达到平衡,整个换热系统采用对称设计,左右两边管路同程布置,同时在每组管道分水器上安装流量计和控制阀,对每个热交换器的的流量进行有效控制;采用Φ50 mm的高密度聚乙烯(HDPE)管作为主管水平全程铺设,使用分水器分流至4根Φ25 mm的HDPE管,安装控制阀门,设置管道井。竖埋管换热器均采用单U型HDPE管(内径Φ=25 mm),在A区矩形布置6口竖井,B区线形布置4口竖井,钻井深度均为32 m,间距为5 m,钻井直径130 mm。横埋管换热器在主管的两侧,呈“串”字形布置;在C区共布置了4组换热器,每组间距为4.0 m;每组为单层水平双管,管间距为1.0 m,埋深为2.5 m;组间采用并联同程式。
热泵机组:采用型号为HYSS090RA-JF的水—水式水源热泵机组,设计工况如下:①夏季:室内侧进出水温为7 ℃~12 ℃,蒸发温度为3 ℃;室外侧进出水温为35 ℃~40 ℃,冷凝温度为45 ℃,额定制冷量22.3 kW,功耗5.31 kW;②冬季:室内侧进出水温为45 ℃~40 ℃,冷凝温度为50 ℃;室外侧进出水温为7 ℃~12 ℃,蒸发温度为3 ℃,额定制热量30 kW,功耗3.98 kW。
空调末端:包括空调机组、风机盘管等部件,用于向末端用户输送热量/冷量,选用型号为SK-14的风机盘管机组式水温空调系统,分别对称布置在实验室和会议室的4个角落。
辅助系统:包括上述装置外的其余装置,如各种阀门、循环水泵、控制柜和集水器、分水器等。
2.2运行监控和数据采集系统
针对上述地源热泵试验系统,笔者自行研制了一套地源热泵运行状况监控和土体数据采集系统(软件登记号2015SR024995),包括地源热泵运行状况监控、土体温度采集、土体湿度采集、气象数据采集、地下水观测5个子系统,实现对地源热泵系统运行状况的实时监控和地埋管换热器周围土体状态参数、气象数据的自动采集。
地源热泵运行监控系统分别采用DN250型智能电磁流量计、YBP-802防水型压力(液位)传感器、防水型DS18b20温度传感器。对管内循环水的流量、压力、进出口水温等参数进行自动采集,通过RS485远程通讯系统送至计算机实时显示,实现对整个系统的实时监控和能效分析等功能。系统中各传感器布置如下(参照图2),8组流量计和压力计分别安装在以下管路:①系统总入水口;②A区入水口;③B区入水口;④C区入水口;⑤A1管入水口;⑥A5管入水口;⑦B1管入水口;⑧C3管入水口。同时,8组温度传感器分别安装在以下管路:①系统总入水口和总回水口;②A区入水口和回水口;③B区入水口和回水口;④C区入水口和回水口;⑤A1管入水口和回水口;⑥A5管入水口和回水口;⑦B1管入水口和回水口;⑧C3管入水口和回水口。
图2 地埋管换热系统布置平面图
土体状态参数采集系统:地源热泵空调系统运行过程中,地埋管换热器通过管内水循环与其周围土壤之间进行热湿耦合传热传质,促使土壤的温度和含水率均发生改变。为了揭示土壤温度场、湿度场在地源热泵运行过程中的特征变化规律,需在U型管换热器周围布置温、湿度传感器,获得土体的状态参数(即土体温度和含水率),从而准确获得U型管换热器周围土壤温度场、湿度场的变化规律。
土壤温度测量采用复现性较好的PT100铂电阻温度计(JMT-36C),各测点的温度采集使用JMZR-2000T多点无线温度自动测试系统,可实现64通道多点温度全自动采集;土壤含水率测量采用美国SEC公司生产的MiniTrase水分测定系统,通过TDR探针快速测量土壤体积含水量,可实现自动采集和存储。以竖埋管A5和B1、水平埋管C3作为监测对象,在其周围布置土体状态参数监测孔,详细位置见图3和图4。其中,竖埋管A5、B1周围各沿三个方向布置测量点,并在竖直方向紧贴U型管外壁从上到下布置了4个测点。同时,在竖埋管的热影响半径范围外布置土壤湿度测量点J-7和温度测量点J-8,其中:J-7测点由上至下一共布置了5个湿度传感器,距离地表面依次为0.5 m、1 m、2 m、3 m、4.5 m;J-8测点由上至下一共布置了15个温度传感器,距离地表面依次为0.1 m、0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、4 m、5 m、6 m、8 m、10 m、12 m、15 m、18 m。水平埋管C3沿水平方向和竖直方向分别布置测量点:①水平方向:在距离换热器-0.6 m(U型回路中间)、0 m、1 m、2 m、3 m处(与换热器保持同一平面,即埋深2.5 m)依次布置L-1~L-5五个测量点;②竖直方向:从下往上距离换热器0 m、0.2 m、0.5 m、1.5 m处依次布置L-2,L-6~L-9五个测量点,每个测量点均同时埋设温度传感器和湿度传感器。
气象数据采集系统:地源热泵运行中,横埋管换热器由于埋深较浅,受大气变化影响非常显著;因此,对试验场地小区域气象数据进行监测是一项十分重要的工作。本平台采用国产PC-4型便携式阳光气象站,采集温度、湿度、风向、风速、太阳辐射、降雨量、蒸发量等多项气象信息,可满足该场地小区域气象监测的需要。
地下水采集系统:地下水位的季节性变化对土体状态具有显著影响,尤其是碳酸盐岩溶地区地下水较丰富,一方面地下水的升迁直接影响着土壤的饱和程度,另一方面地下水渗流加速了换热器与周围土壤的热扩散,使土壤温度场也发生改变。因此,必须对场地内的地下水位进行长期监测。在A区、B区分别布置了S-1、S-2、S-3、S-4、S-5五组水位管,具体位置见图3。
(a) 竖埋管A5
(b) 竖埋管B1
(c) 水平埋管C3
(a) 竖埋管A5-1剖面
(b) 竖埋管A5-2剖面
(c) 竖埋管B1-1剖面
(d) 竖埋管B1-2剖面
图4监测孔剖面图
Fig.4Profile map of monitoring holes
3实验平台应用与分析
地源热泵实验平台于2013年8月底建成,9月1日至11月8日运行夏季工况实验,12月31日至2014年4月13日运行冬季工况实验。实验过程中,分别对热泵机组运行参数(进出口水温、流量、压力)、土壤状态参数(温度、湿度、地下水位)、周围气象因素(降雨量、蒸发量、风速值、太阳辐射值)等进行实时监测。
由于整个实验过程中数据繁多,而有些数据又具有重现性,限于篇幅原因,本文仅选取部分代表性数据进行分析,其他各监测数据及其对地源热泵运行特性的影响规律将另文阐述。
3.1地源热泵空调效果运行效果
图5为上述2种工况下地源热泵空调运行过程中室内外的温、湿度变化曲线。由此可知:室外温、湿度随着外界大气的改变呈现出特定的周期性变化;在地源热泵空调运行期间(每天9:00~17:00),室内温、湿度维持稳定值,夏季工况分别为25 ℃、58%,冬季工况分别为27.5 ℃、62%;而其他时间段内,由于实验室开窗通风,室内温、湿度变化与室外保持一致。由此可见,研制的地源热泵空调系统具有良好的制冷、制热效果,且性能稳定。同时,通过分析计算,上述2种工况下运行的地源热泵机组性能系数COP平均值分别为3.15(夏季)和2.58(冬季),与普通空调相比具有高效、节能、环保等优点,且完全能够满足实验室供热和制冷的使用要求。
(a) 夏季工况
(b) 冬季工况
图5室内外温、湿度变化
Fig.5Indoor and outdoor air temperature and humidity
3.2远端土壤温湿度场
地源热泵系统在夏季制冷工况下运行,远端地温采集频率为1次/d,湿度采集频率为1次/12 h。图6给出了实验时间内远端温、湿度场部分监测结果,其中地温与气温变化趋势的关系采用文献[18]方法进行分析。由图6可知:① 0~1.0 m土壤温、湿度场受大气环境的影响非常显著,图6(a)显示该深度范围内的土壤温度变化趋势基本等同于大气温度变化;图6(b)表明该深度范围内的土壤湿度变化主要受大气降雨的影响;② 由于热量扩散和水分迁移的速率较小,所以1.0 m以下的土壤温、湿度场变化具有滞后性,变化幅度也减小;③ 9月26日,由于大气降雨,土壤湿度明显增大,出现陡升趋势,而土壤温度则明显降低。
(a) 远端地温变化曲线
(b) 远端土壤湿度变化曲线
图6土壤温、湿度场变化
Fig.6Temperature and moisture fields of soils
3.3岩溶地下水位
岩溶地下水渗流对地埋管换热器周围土壤的温、湿度场分布具有显著影响,在实验过程中须对地下水位进行监测;实验期间,地下水位采集频率为1次/d。图7给出了夏季实验期间S-1~S-5管地下水位的监测结果。
由此可知:①该区域内的地下水埋深较浅,在5.0~6.0 m范围内波动;根据相关勘察资料显示,该地下水类型为赋存于红粘土层中接近石灰岩面上的土层孔隙、裂隙水,其补给途径主要是大气降水及地表水渗透等方式;在9月24日~9月27日这段时间内,地下水位由-5.7 m迅速上升到-4.6 m,是由于这段时间内有比较明显的大气降雨(见气象资料分析(图8))。②地下水位的上升,引起周围土壤中发生水分迁移现象,导致土壤的含水率增加;这可从A5管周围土壤湿度场的分析中得到证实(见图9(a)),在9月24日~9月27日这段时间内,A5管周围的土壤湿度都有比较明显的增加,主要原因是由于地下水位上升的影响。③岩溶地区地下水比较丰富,地下水位较高,一般维持在5.5 m附近,这一监测结果较好地吻合了文献[19]中的论述:“该岩溶地区水位埋深在0~15 m或常近地表,动态变化小,水量丰富。”
图7实验期间地下水位埋深(S-1~S-2,S-3~S-5)
Fig.7Depth of groundwater table
(S-1~S-2,S-3~S-5)
图8实验期间降雨(蒸发)量时程曲线
Fig.8Time-history curve of day rainfall
(evaporation) value
(a) 土壤湿度
(b) 土壤温度
图9地埋管A5周围土壤的温、湿度场变化曲线
Fig.9Temperature and moisture curves of soils around the buried pipe A5
3.4地埋管周围土壤热湿迁移
图9为地源热泵运行期间A5管周围土壤温度场(J-1~J-4剖面)的分布情况[20],由此可知:①夏季工况试验时,循环水通过地埋管与土壤进行热量交换(吸冷放热),管壁附近的土壤吸收热量、温度升高,土壤内部形成温度梯度场,在其影响下地埋管附近土壤的热量开始向远端扩散,使远端土壤的温度也不同程度地升高;②土壤湿度场在1.0 m以外区域未发生明显变化;推断其原因在于:尽管地埋管换热器向土壤中排放的热量引起周围土壤温度升高,使土壤温度场产生温度梯度;在此温度梯度的驱动下,土壤中的热量和水分均发生了迁移;但由于水分迁移的速率很小,因此在试验期间其影响范围尚未达到1.0 m处。
3.5讨论
由“3.2~3.4”的数据分析可知,大气降雨一方面引起地表水下渗直接导致土壤含水量增加,另一方面补给岩溶地下水引起水位上升,从而间接改变了土壤含水量,使土壤的湿度场发生变化;土壤湿度场的改变引起土壤的热参数(热导率、比热容、热扩散率)发生相应地变化,影响土壤中热量的传输过程,从而最终促使土壤的温度场发生变化。
在地源热泵的运行过程中,地埋管换热器与周围土壤进行热交换,使土壤的温、湿度场发生改变;同时,由于地表及浅层土壤处于大气影响范围内,因此气象参数的改变也是浅层土壤温、湿度场发生变化的一个重要影响因素。自然界中,地面所吸收的太阳能是土壤的主要热源,是影响土壤温度变化的主要原因,当土壤的吸热量和放热量不同时,就会引起土壤温度的变化,因此太阳辐射量是影响土壤温度的一个最直接因素;同时,周围大气与地表的温度差,降雨形成的地表水渗流等也会使土壤的温度场发生改变。而对于土壤湿度场,降雨量则是其主要的影响因素,同时蒸发量和土壤温度改变等因素都会引起土壤湿度场的变化。因此,影响浅层土壤温、湿度场变化的因素是多方面的,且各因素相互影响、彼此关联,对揭示地源热泵运行过程中土壤的热湿迁移效应带来了一定的难度,但是本文研制的实验平台可对上述各影响因素进行实时监测和全面分析,将在下一步工作中进行深入探讨。
4结语
夏、冬两季的运行实验结果表明,本文研制的地源热泵系统土壤热湿迁移实验平台具有高效、节能、环保等优点,能够满足实验室供热和制冷的要求。同时,该平台考虑到湿迁移的影响,在岩溶地区围绕热湿迁移效应对影响地源热泵运行特性的气象、土壤状态参数、地下水位等各因素能够实现自动采集和全面监测,避免了人为误差和实效性差的问题,对岩溶地区类似平台的建设具有良好的示范性和指导意义。
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(责任编辑唐汉民梁碧芬)
Development of experimental platform on soil heat and moisture migration of ground source heat pump system in karst region
ZENG Zhao-tian1,2, XU Yun-shan1, ZHAO Yan-lin1,2, LYU Hai-bo1,2, TANG Shuang-hui1
(1.Guangxi Key Laboratory of New Energy and Building Energy Saving, Guilin University of Technology,
Guilin 541004, China; 2.Research Institute of Preventing and Mitigating Disasters,
College of Civil Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)
Abstract:Heat exchange occurs between ground heat exchanger (GHE) and its surrounding soil when ground source heat pump (GSHP) is running, and it is a complicated transfer process coupling with heat and moisture. Combined with geological conditions in karst regions and experimental requirements, a new test platform was designed and developed, with which the experiments on operation performance of GSHP and heat and moisture migration effect of its surrounding soil can be carried out. The experiment platform is mainly divided into two subsystems, i.e., the GSHP test system and operation supervisory control and data acquisition system; It is able to automatically collect data and monitor the real-time parameters such as operation conditions of GSHP, soil temperature and moisture variation in the heat exchange process, heat and moisture migration in soils and atmospheric factors of ambient environment. On the basis, the effectiveness of the test platform was verified by the measured data recorded in the operation process of GSHP, and simple analysis and discussion on some testing data were conducted accordingly. It provides the technical support for further research on soil heat and moisture migration effect in the operation process of GSHP and its influence on the performance of the system.
Key words:ground source heat pump; heat and moisture migration; karst region; experimental platform; heat exchange
中图分类号:TU443
文献标识码:A
文章编号:1001-7445(2016)01-0178-09
doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0178
通讯作者:曾召田(1981— ),男,湖南邵阳人,桂林理工大学高级实验师,博士;E-mail:zengzhaotian@163.com。
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41502284;51568014);广西自然科学基金资助项目(2013GXNSFBA019233)
收稿日期:2015-10-04;
修订日期:2015-11-30
引文格式:曾召田,徐云山,赵艳林,等.岩溶区地源热泵系统土壤热湿迁移实验平台研制[J].广西大学学报(自然科学版),2016,41(1):178-186.