寒冷地区垂直埋管换热器供暖期岩土体温度场研究

王　欣,杜震宇,吕植东

(1.太原理工大学 环境科学与工程学院,太原 030024;2.宁波市鄞州区建筑工程质量监督站,浙江 宁波 315100)



寒冷地区垂直埋管换热器供暖期岩土体温度场研究

王欣1,杜震宇1,吕植东2

(1.太原理工大学 环境科学与工程学院,太原 030024;2.宁波市鄞州区建筑工程质量监督站,浙江 宁波 315100)

摘要:为了研究寒冷地区单U型垂直埋管换热器供暖期岩土体温度场,结合某实际工程,通过40个防护型一线式温度传感器对岩土体温度进行了监测。对监测数据进行修正并分析后得出,地下水渗流能增强热对流,使得岩土体温度变化率升高,这对于地源热泵系统的运行是一个有利的条件;间歇运行可以有效缓解系统连续运行对岩土体温度场产生的不良影响,对于提高热泵系统性能具有重要作用;岩土体温度受到了地下热传导向上的热量补给的影响,因此在模拟计算时不宜将换热井底部设为恒温边界或者绝热边界,应将其作为动态边界条件处理,同时浅层岩土体温度受太阳辐射影响较大,计算时这部分热量也是不能忽略的。

关键词:地源热泵;埋管;供暖期;岩土体温度;换热井

随着社会发展过程中环境和能源问题的日渐突出,对可再生能源利用的需求愈来愈强烈。埋管式地源热泵系统作为一种高效的可再生能源利用技术,近年来备受青睐,对其研究和应用也不断增多。胡志高和曹崇民通过模拟分析了夏热冬冷地区某地埋管周围岩土体温度场沿径向的变化规律以及埋管的热作用半径,结果显示,地埋管周围岩土体温度的下降速率与径向距离成反比,模拟工况下换热井内埋管的热作用半径为2 m[1]。WANG et al采用有限差分法对冬季地埋管周围岩土体温度场的分布进行了模拟研究,发现地埋管中介质流量越大、地埋管周围岩土体温度越低的规律[2]。ZHANG et al通过模拟分析了地下水渗流存在的情况下地热交换器的性能,为地源热泵系统的应用提供了理论和技术支持[3]。陈忠购、张正威建立了竖直地埋管换热器的计算模型,应用该模型对一简单分层渗流地层中换热器的换热性能进行计算,得出稳定的地下水渗流能有效增强换热器换热性能的结论[4]。杨燕等人研究了地埋管换热器与周围岩土体的热量交换以及岩土体的温度变化,提出采用热回收技术解决夏热冬冷地区地源热泵空调系统的岩土体热不平衡问题是有效的[5-7]。刘业凤等对夏热冬冷地区某地源热泵实际工程管群内外岩土体温度场进行了对比分析,结果表明：管群外浅层岩土体温度随气温变化波动比较大,并且存在一定的滞后；同时随着系统的长期运行,地埋管换热器表面与周围岩土体之间换热温差减小,导致系统的运行性能下降,因此适当增加钻孔间距、对系统采用间歇运行的模式会有效缓解这一现象[8]。然而不论是研究新型热泵技术,还是发展现有的热泵理论,都离不开对岩土体温度场的研究。同时发现，对于埋管式地源热泵系统在夏热冬冷地区的研究较多,而对其在寒冷地区的研究相对较少,能与实际工程相结合的研究就更少。本文结合实际工程,实地监测系统运行参数,完成了寒冷地区单U型垂直埋管换热器供暖期岩土体温度场的试验研究,旨在为热负荷大于冷负荷地区埋管式地源热泵系统的研究提供参考。

1供试工程及传感器布置

供试工程位于寒冷地区的某高速公路收费站。该处的岩土体分层从地表到-70 m依次为湿陷性黄土、黄土(粉土)、卵石、强风化砂岩和中风化砂岩,其厚度分别为11.5，12.3，3.8 ，5.6，36.8 m,且在-40 m岩土体层存在地下水渗流。

该埋管式地源热泵系统地埋管侧共有82口钻孔尺寸为150 mm的换热井,井深为70 m,换热井布置方式为等间距阵列布置,井间距为4.50 m.埋管形式采用单U型垂直埋管,U型管为管径32 mm的高密度聚乙烯管,管内循环液为软化水,不同井内U型埋管采用同程方式连接,如图1所示。由于换热井对称布置,为减少测试工作量,本文取3×3矩阵排列的9口换热井单元区域作为实测研究对象。该区域中心处换热井编号为A,其余8口换热井依次编号为1号-8号,如图1中虚线框所示。

图1　埋管式地源热泵系统换热井布置图Fig.1　Schematic of the wells of the groundsource heat pump system

为了研究供暖期地埋管换热器周围岩土体温度场,在换热井A周围另外钻取B、C、D等3口测试井,测试井B、C、D分别位于换热井A与换热井5、1、7的对角线上。其中,测试井B、C与换热井A的距离为2.25 m,而测试井D位于换热井A与换热井7位置连线的中点,如图2所示。测试井的大小、深度与换热井的完全相同,但仅用于埋设岩土体温度传感器。本试验采用5组共40个温度传感器对换热井A及测试井B、C、D内的岩土体温度进行监测，如图3所示。在换热井A中的供回水支管外侧各设一组温度传感器,其中回水管传感器编号为第Ⅰ组,供水管传感器编号为第Ⅱ组;测试井B、C、D内各设一组温度传感器,并分别编号为第Ⅲ组—第Ⅴ组。每组温度传感器均有8个测点,分别记为1#—8#温度传感器。其中,1#测点位于U型管最下端,即-70 m处,并从下往上每隔10 m设置一个测点。由于该温度传感器长期处于潮湿环境,因此选用了防护型一线式温度传感器,测量范围为-55 ～125 ℃,测量精度为±0.1 ℃,并且埋设前在实验室用标准温度计进行了校验,以此对测试数据进行了修正。试验中所有监测的温度数据均以有线传送方式传输至监控机房,通过数据采集模块采集数据后,再通过通讯转换模块将数据传至电脑并自动记录。

图2　换热井和测试井的相对位置Fig.2　Relative position betweentesting wells and engineering wells

图3　温度传感器布置图Fig.3　Arrangement of temperature sensors

在本试验测试系统中,岩土体温度范围为6.22～11.64 ℃,因此测试误差的最大值为:

误差小于5%,在工程可接受范围内,因此用测试数据进行进一步分析得出的结论是可靠的。

2监测结果及分析

本文讨论冬季供暖运行阶段岩土体温度场的变化规律,测试时间段为2010-12-11至2011-04-14。供暖运行期间,在满足收费站内人员供暖需求前提下,热泵机组采用间歇运行的方式。

2.1换热井A内岩土体温度变化

以供暖期几个典型日为例,换热井A内不同深度供回水侧的岩土体温度变化如图4—图6所示。由于供暖初期回水侧-70 m和-60 m层的温度传感器出现故障,所以没有采集到相应的岩土体温度。

由图4可知，岩土体温度出现明显的波动,这是由于间歇供暖所引起的。岩土体温度在机组停止运行期间便得到了一定的恢复,可见间歇运行可以有效缓解系统连续运行对岩土体温度场产生的不良影响[8-9]。

图4　不同深度供回水侧岩土体温度变化(2010-12-13)Fig.4　Soil temperature variation of different depths in both sides of water supply and water return (2010-12-13)

图5　不同深度供回水侧岩土体温度变化(2010-12-21)Fig.5　Soil temperature variation of different depths in both sides of water supply and water return(2010-12-21)

图6　不同深度供回水侧岩土体温度变化(2011-03-04)Fig.6　Soil temperature variation of different depths in both sides of water supply and water return (2011-03-04)

由图5、图6可知:

1) -40 m层岩土体温度变化率较大,这是由于该层存在地下水渗流,热对流较快所引起的[10-11]。

2) 随着室外温度的升高,热负荷减小,间歇时间延长,岩土体温度开始进行较为明显的恢复,-70 m层温度逐渐处于最大值,可见地下热传导向上的热量补给起到了明显的作用。因此在模拟计算时不宜将换热井底部设为恒温边界或绝热边界,应将其作为动态边界条件处理。

2.2测试井B、C、D内岩土体温度变化

各测试井内岩土体温度在整个供暖期的变化见表1、表2和表3。

表1　测试井B内各层岩土体温度变化

表2　测试井C内各层岩土体温度变化

可以看出,各层岩土体都呈现出在刚开始一段时间内温度几乎不变、而在某一时刻才开始降温的规律。这说明在某一时刻前岩土体温度不受换热井的影响,之后才受到其影响,开始降温,这与热作用半径是有关的[12-13]。同时,在-20 m层到-70 m层之间,随着深度的增加,岩土体温度是逐渐升高的；然而在浅层呈现出了相反的规律,说明浅层岩土体温度受太阳辐射影响是比较大的,因此在模拟计算时这部分热量是不能忽略的。

表3　测试井D内各层岩土体温度变化

3结论

1) 在系统运行稳定后,岩土体温度在相对较短的时间间隔内围绕一个稳定值来回振荡,岩土体温度在机组停止运行期间得到了一定的恢复。这是由机组的间歇运行所引起的,可见间歇运行可以有效缓解系统连续运行对岩土体温度场产生的不良影响。

2) 地下水渗流能增强热对流,使得岩土体温度变化率升高,这对于地源热泵系统的运行是一个有利条件。

3) 岩土体温度受到了地下热传导向上的热量补给影响,因此在模拟计算时不宜将换热井底部设为恒温边界或绝热边界；同时浅层岩土体温度受太阳辐射影响较大,计算时这部分热量是不能忽略的。

参考文献：

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(编辑：张红霞)

Experimental Research on Soil Temperature Field of Vertically Buried Heat Exchanger in Heating Period in Cold Region

WANG Xin1,DU Zhenyu1,LYU Zhidong2

(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.NingboYinzhouSupervisionStationofConstructionEngineeringQuality,Ningbo315100,China)

Abstract:This study deals with the soil temperature field around single U-tube heat exchanger working for a real project in cold region,which is monitored by 40 temperature sensors. After correcting and analyzing the data,we give the conclusions as follows.Groundwater seepage can effectively enhance the heat exchange efficiency of ground heat exchanger,which is an advantage for the operation of ground source heat pump system. Intermittent operation,which can mitigate the negative effect of continuous operation of system on soil temperature field,plays an important role in improving the performance of heat pump system. Soil temperature is influenced by underground supplementary heating,so the bottom border of wells should not be set as constant temperature boundary or adiabatic boundary,but as dynamic boundary during the process of simulation. Meanwhile,temperature of shallow layer of soil is greatly influenced by solar radiation,which should also be taken into consideration.

Key words:ground source heat pump;single buried pipes;heating period;soil temperature;engineering wells

中图分类号:TU831

文献标识码:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.01.009

作者简介：王欣(1993-),女,山西原平人,硕士,主要从事建筑节能研究,(E-mail)wang885857@126.com通讯作者：杜震宇,男,博士,教授,(E-mail)dsdd2004@163.com

基金项目：山西省科技攻关项目:土壤源热泵可持续发展关键技术研究——黄土高原寒冷地区土壤源热泵系统可持续发展的关键技术研究(20130313004-1)

收稿日期：2015-02-25

文章编号:1007-9432(2016)01-0041-05