地源热泵埋管换热器换热量影响因素初析

陈海波，田信民，林圣明，刘九龙

(天津地热勘查开发设计院 ，天津 300250)



地源热泵埋管换热器换热量影响因素初析

陈海波，田信民，林圣明，刘九龙

(天津地热勘查开发设计院 ，天津 300250)

用同一台岩土热物性测试仪，在外界温度相差不明显的条件下，对100 m、120 m单U、双U换热器进行测试。数据表明，不同埋管深度、不同换热器类型的热导率、每延米的排、取热量差异很大。在天津地区换热量的主要因素为水文地质条件，其次影响因素为试验工况、换热孔深度、换热器类型、回填材料及其回填固结时间等。

地源热泵；热物性测试；U型垂直换热器；换热功率

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。通过该试验确定岩土体的土壤初始温度、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[7]。

本文依据天津浅层地热能监测中心获取换热孔原始数据，从不同的埋管深度、回填材料及单U、双U换热器，但试验工况相同，分析不同地质条件下和不同施工工艺下影响现场热响应试验成果的主要因素[1]。进而分析不同埋管深度、不同换热器类型的热导率、每延米的排、取热量。

1　现场热响应实验原理

1.1试验原理

1.1.1地层初始温度测试

通常而言，根据温度变化差异，浅层岩土体基本可以划分为三个区域：变温层、恒温层和增温层[3]。在现场热响应测试中，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[5](通常为0.1℃～0.2℃)。此状态下的进出口平均水温通常被认为钻孔深度范围内“岩土体初始平均温度”。

1.1.2恒热流试验

地埋管换热器的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[6]；

2)基于圆柱热源理论的柱模型[7]。

本次测试选用了2套同型号的试验设备进行现场热响应试验，该试验设备的参数计算采用了线热源理论数学模型。

根据线热源理论，流入与流出地埋管的水温平均值的计算式为：

(1)

式(1)可写为线性形式，即：

Tf=klnt+m

(2)

(3)

(4)

式中：Tf为埋管内流体平均温度(取入口与出口的平均值)，K；Qheat为加热功率，W；H为垂直埋管深度，m；λ为岩土体综合热导率，W/(m·K)；a为热扩散系数，m2/s；t为测试时间，s；r为钻孔半径，m；γ为欧拉常数，取 0.577 2；Rb为钻孔热阻，m·K/W；T0为岩土远处未受扰动的温度，K。

由(1)～(4)式可以计算得出地层的换热量和岩土体的综合热导率λ。

1.1.3冬、夏季恒温度试验

冬、夏季恒温度试验即通过实验仪器控制地埋管换热器的进水温度，模拟地源热泵系统冬、夏季运行时的特定工况。试验数据的分析以恒温度试验数据的平均值计算，即可获得特定试验条件下的地埋管换热器冬、夏季单位延米换热量[8](单位为：W/m)。

1.2测深仪器

野外测试工作采用了我院自主研发的FTPT11型浅层地热能现场热响应测试仪。试验仪器主要由热泵系统、电加热器、补水箱、循环泵、循环管路、温度和流量检测元件等组成。地埋管供水管处安装流量计，供、回水管及循环管路均布置有温度检测点，用于自动记录管路中循环水的流量和温度[2]。(见图1)

FTPT11型设备主要参数：最大加热量：8 kW；最大制冷量：7 kW；最大输入功率：12 kW；循环水流量：1.8 m3/h；扬程：10 m。

图1　热响应测试仪整体照片

主机外形尺寸1.2×0.5×0.9 m3；辅机外形尺寸1×0.6×0.9 m3。主辅机最大运行重量约300 kg。

测验仪可以进行以下试验：非加热试验，恒热流试验(分为小加热功率和大加热功率，加热功率0～8 kW任意调节，测取地层平均导热系数)，恒温度测试(模仿夏季热泵运行状态，测取单孔排热量)，设定温度低于地层温度的制冷恒定温度测试(模仿冬季热泵运行状态，测取单孔吸热量)。试验数据可以通过数据接口直接导出，并有配套的数据处理软件对原始数据进行分析处理[6]。

1.3测试程序

(1)现场热响应试验在试验孔施工(回填)完毕48h后进行，首先做非加热的循环测试，获取地层初始平均温度。要求入口或出口温度稳定(持续变化小于0.5℃/d)；

(2)在获取初始地层平均温度后，开始对回路中的传热介质进行加热，采用大功率和小功率两种加热模式。测试过程中加热功率和流量要求基本保持恒定(波动范围在±1%以内)，逐时记录回路中传热介质的流量和进出口温度。温度稳定后(持续变化小于0.5℃/d)，观测时间不少于24 h；

(3)地层温度恢复后进行冬、夏季每延米换热量测试。冬、夏季地埋管换热器的吸、放热能力测试通过试验设备建立冬、夏季地埋管换热器的运行工况，在特定条件(地埋管供水温度稳定，流量一定)下测定地埋管换热器的换热量，从而确定特定条件下每延米地埋管换热器的排热或取热能力[4]。

(4)每次加热试验停止后，继续观测回路的进出口温度，直到恢复地层初始温度为止；

(5)分析现场测试成果资料时，注意试验条件如气温等对试验数据的影响，运用数理统计方法剔除异常数据[8]。

2　现场热响应成果

本次浅层地热能资源调查工作在重点调查区共完成了62组100～120 m深单U、双U换热器的现场热响应试验，并选取了试验场进行了不同深度、不同的换热方式(单U、双U)现场热响应试验与测试研究及试验成果见表1。

现场热响应试验在30℃～35℃工况条件下，换热器为120 m双U类型时，换热量在60～80 W/m之间，在5℃～10℃工况条件下，换热器为120 m双U类型时，换热量在25～45 W/m之间，热导率在1.04～2.3 W/(m·℃)之间。不同埋管深度、不同换热器类型的热导率、每延米的排、取热量差异很大[4](见表1、图2、图3、图4)。

总体上来说影响换热量的主要因素为水文地质条件，宝坻断裂以南平原区的热导率在平面上分布规律基本与中更新世Qp2和晚更新世Qp3的古河道分布相一致，分布在古河道中的现场热响应试验点，通过现场热响应试验所得到的综合热导率偏大，说明水文地质条件是影响岩土体的综合热导率的主要因素[7]。其次影响因素为试验工况、换热孔深度、换热器类型、回填材料及其回填固结时间等[8]。

图2　不同深度不同埋管方式热导率(W/(m℃))曲线图

图3　100 m换热孔不同埋管方式下每延米排取热量(W/m)

图4　120 m双U换热孔每延米排取热量(W/m)

序号地点埋管深度m埋管方式回填材料综合热导率(W/(m·℃)排热量(w/m)吸热量(w/m)1滨海新区八一盐场100双U碎石2.22126.166.82宝坻玫瑰半岛100双U原浆及中粗砂2.0884.7839.593塘沽农业生态园100单U原浆回填1.132.3217.734东丽区大毕庄120双U原浆加细砂1.9577.3324.325大港电测站100双U原浆及中粗砂1.7838.9720.836东丽机场120双U中粗砂1.3857.6729.087津南区东右营120双U中粗砂1.7567.3636.058河北区富水一方2100单U中粗砂1.0454.733.49河北区富水一方1120双U中粗砂1.3981.6745.1910和平区恒隆广场100双U碎石2.2091.965.1011东丽区华明镇120双U细砂1.5570.6839.0512津南区海河医院120双U细砂1.3641.0625.4213静海东双塘120双U原浆及中粗砂1.5267.131.5614空港物流3120双U原浆及中粗砂1.5269.0642.4315西青区洛卡小镇120双U中粗砂1.6564.136.9316梅江会展中心120双U中粗砂1.7662.2817北辰区青光镇120双U原浆加细砂1.9677.6622.8518滨海新区西部新城100单U水泥砂浆2.3053.3732.9719天津大学体育馆120双U原浆1.7660.9738.7720武清黄庄120双U原浆及中粗砂1.5477.0336.2721西青区天地伟业120双U中粗砂1.6770.0742.9322市区宜家家居100单U原浆及中粗砂1.6620.423中新生态城120双U细砂1.5769.4838.84

[1]朱家玲，等．地热能开发与应用技术[M]．北京：化学工业出版社.2006．

[2]天津市地质矿产局．天津市地质环境图集[M]．北京：地质出版社.2000．

[3]天津市地质矿产局．天津市水文地质环境图系[M]．北京：地质出版社.2000．

[4]王晓伟，苏登超．地源热泵系统施工技术概述[J]．工程建设与设计.2000，(4)：39-41．

[5]丁勇，李百战，卢军，等．地源热泵系统地下埋管换热器设计(2) [J]_暖通空调.200535(11)：76-80．

[6]浅层地热能勘查评价技术规范[S].

[7]徐伟，等.地源热泵工程技术指南[M].北京：中国建筑工业出版社.2001.

[8]马最良，吕悦.地源热泵系统设计与应用[M].北京：机械工业出版社.2007.1.

Preliminary Analysis on Heat Transfer Factors of Ground Source Heat-pump Heat Exchanger

CHEN Hia-bo，TIAN Xin-min，LIN Sheng-ming，LIU Jiu-long

(Tianjin Institute of Geothermal Exploration and Development Tianjin 300250, China)

The paper first introduces the same rock and soil thermal physical property tester, under the condition of outside temperature difference is not obvious,About 100 m and 120 m U single, double U heat exchanger were tested. Data show that different buried depth of pipe, heat exchanger type of thermal conductivity, per linear meter, take heat difference is very big. Secondly, the main factors of heat transfer in tianjin area as the hydrogeological conditions, the second influence factors for test modes, heat exchanging hole depth and type of heat exchanger, backfill material and backfilling consolidation time, etc.

Ground source heat pump；Thermal Properties Measure；U-shaped vertical heat exchangers and heat exchange

2016-03-08

陈海波(1985-)，男，天津宝坻人，工程师，主要从事浅层地热勘察、地热物探勘查工作。

P314.2

B

1004-1184(2016)04-0061-03