地埋管换热器温差及运行份额对换热量的影响实验研究

李 想, 陈 茂, 李 明, 李孔清

(1.邵阳学院，湖南 邵阳 422000；2.湖南凌天科技有限公司，湖南 湘潭 411100)

0 引言

近年来，随着工业技术的飞速发展，能源紧缺问题也越来越被人们重视，绿色可再生能源成为热门研究课题。浅层地热能是一种清洁低碳、分布广泛、资源丰富、安全优质的可再生能源，利用浅层地热能的国家逐年增加[1]。地源热泵系统作为一种利用浅层地热能，冬季系统从地源吸收热量向建筑物供暖，夏季系统从室内吸收热量释放到地源中实现室内空调制冷的暖通空调新技术，是建筑节能领域上广泛采用的高效节能技术[2]。地埋管换热器作为地源热泵系统利用浅层地热达到节能效果的关键部件，所以合理设计地埋管换热器成为了地源热泵系统设计的重中之重。路阳，张楠等人[3]利用Fluent软件模拟并以实验验证，对水平地埋进行定量分析了间歇次数和间歇时间占比对埋管平均线热流密度的影响。结果表明:当间歇次数固定时,一定蓄热时间内的平均线热流密度和间歇时间占比近似成线性关系。该文章得到的结果为水平地埋管设计提供了参考依据。侯正芳,杨景洋等人[4]自行搭建砂箱试验台,试验研究了蓄热取热耦合(冷热交替)运行模式对土壤温度分布和单位井深换热量的影响,得出土壤温度随运行时间呈现出周期性上下波动的变化规律，以及单位井深换热量的变化规律。由于沙箱与实际工程地埋管换热环境存在较大的误差，该研究对地埋管设计有一定的参考价值。朱税平,赵蕾等人[5]建立了包含回水立管在内的桩基并联双螺旋型埋管换热器三维动态传热的仿真模型，对连续和3种间歇运行模式下桩基并联双螺旋型埋管换热器的运行情况进行了仿真,得到了出口水温和单位管长放热量的动态变化规律，定量评价了间歇运行的温度恢复程度。该对桩基地埋管出口水温和单位管长放热量的变化规律进行研究，以及运行份额的影响程度，为桩基型地埋管设计提供了参考依据。董艳芳，王 磊[6]等人利用DEST软件模拟了地埋管连续与间歇运行工况流体和钻孔壁温度变化，得出间歇运行更有利于土壤温度的恢复，更能提高土壤热的利用率。上文未对竖直地埋管换热量的影响规律进行详细分析。本文通过岩土热响应测试分析了地埋管换热器进水温度与岩土初始温度之间的温差增大，地埋管换热量随运行份额变化的规律；分析了运行份额与地埋管换热器换热量之间的关系。对于地埋管系统设计有一定参考价值。

1 工程案例分析

1.1 实验条件

本文以长沙地区某产业园项目4口测试井为例，测试井编号为1#、2#、3#、4#均采用双U25 PE100换热管，使用原浆加细沙人工回填，为了保证回填效果，使用了多次回填等综合措施。流量传感器采用等级为0.5%的高精度电磁流量传感器自动记录。同时，在系统中增加了一个机械水表，测试人员每隔两个小时记录一次水表流量。通过人工记录的流量数据和自动记录的流量数据进行对比分析，确保自动记录数据的准确性。在数据采集和控制系统中，硬件系统是采用16通道的无纸记录仪来进行温度和流量数据的采集，软件系统采用美国国家仪表局(NI)研发的Labview软件进行数据的记录和保存，每隔10 s扫描一次所有传感器并保存数据。为了准确测量土壤初始温度，将高精度的温度传感器直接埋在孔内不同深度，将温度数据通过屏蔽电缆传送到存储设备处理后记录储存。

1.2 地源热泵地埋管测试井情况

现场钻孔及地质情况如图1所示：

1#测试孔深105 m，0～18 m是土层；18～25 m是灰岩层；25～55 m是夹杂石膏层的中风化红砂岩层；55～60 m是灰岩层；60～105 m是夹杂灰岩的红砂岩层。

2#测试孔深105 m，0～18 m是土层；18～20 m是灰岩层；20～30 m是夹杂石膏层的中风化红砂岩层；30～55 m是灰岩层；55～105 m是夹杂灰岩的红砂岩层。

3#测试孔深105 m，0～18 m是土层；18～24 m是灰岩层；24～56 m是夹杂石膏层的中风化红砂岩层；56～61 m是灰岩层；61～105 m是夹杂灰岩的红砂岩层。

4#测试孔深105 m，0～18 m是土层；18～23 m是灰岩层；23～54 m是夹杂石膏层的中风化红砂岩层；54～88 m是灰岩层；88～105 m是夹杂灰岩的红砂岩层。

图1 钻孔及地质结构示意图

2 模拟计算方法

利用TRNSYS程序对测试井所测试数据进行分析可以得到测试井钻孔热阻和土壤导热系数。TRNSYS程序输入：钻孔尺寸、实测地埋管进出水温度、管内水流量、原始地温、土壤体积比热容以及所需计算的钻孔热阻和土壤导热系数的估值。其中土壤体积比热容由所测岩土报告所提供岩土层类型查《地源热泵系统工程技术规范》得到。根据所输入的参数，对比计算所得地埋管出水和实测出水温度，两者趋于一致时则认为钻孔热阻和土壤导热系数估算合理，继而得出结果，根据所得结果可计算出地埋管的单位延米换热量。计算过程是一个最优化过程，最优化目标函数为：

(1)

式中，Tcal,i为计算地埋管出水温度，℃；Ttest,i为实测地埋管出水温度，℃。

最优化计算过程采用TRNSYS中的最优化模块TRNOPT进行，利用该模块调用美国伯克利劳伦斯国家实验室出品的最优化软件GENOPT完成最优化计算。

图2 TRNSYS求解模型示意图

3 实验结果及分析

利用TRNSYS软件计算所得土壤参数如表1：

表1 岩土参数表

测试井之间的换热环境：土壤初始温度、土壤导热系数、测试流量、土壤体积热容均十分接近。利用TRNSYS对地埋管换热量进行模拟分析。在进行地埋管单位延米换热量模拟时，模拟地埋管在固定进水温度下运行15 d，模拟的时间步长取1 h，在制冷工况下地埋管进水温度为36、33和30 ℃，制热工况下地埋管进水温度为5、7和10 ℃。单位延米换热量取运行周期内逐时单位延米换热量的平均值(取绝对值)。运行份额的含义为：当运行份额为0.25时，则系统每天每天运行6 h，运行份额为0.33时，系统每天运行8 h，之后依次类推。根据单位延米换热量的分析结果，分别对温差变化以及运行份额的变化进行对比分析，所得测试井在制冷及制热工况下模拟不同进水温度下单位延米换热量随运行份额变化趋势如图3所示：

图3 单位延米换热量随运行份额变化趋势图

4 结果分析

从测试井岩土热响应测试结果可看出，随运行份额的增加，由于钻孔周围冷(热)堆积导致岩土温度波动较大恢复不及时，从而地埋管内流体与周围岩土之间温差降低，导致地埋管换热性能降低，地热能的利用率也随之降低，所以地埋管的单位延米换热量随之减小；地埋管进水温度与原始地温之间温差增大时，地埋管单位延米换热量增大，但是随运行份额的增加单位延米换热量的增加量会随之减小。从测试井单位延米换热量计算结果表中列举出的计算结果可看出，本文中所述换热条件下地埋管运行份额为0.33时，温差每上升1 ℃单位延米换热量增加约4.5 W/m，地埋管运行份额为1时，温差每上升1 ℃单位延米换热量增加量约为3.3 W/m，增加量降低了26%左右。通过模拟不同运行份额在相同换热条件下所得单位延米换热量的结果表明：单位延米换热量随运行份额的增加而减小，而且进水温度不同时其变化率均接近，以图中3种不同进水温度为例，运行份额为1时的结果与运行份额为0.33时的结果相比，地埋管单位延米换热量也降低了26%左右。

5 结论

通过本文所述岩土热响应测试工程，对施工工艺，换热条件接近的4口测试井进行岩土热响应测试，结果表明：

(1)地埋管单位延米换热量随进水温度与土壤初始温度的温差增加而增大，温差每增大1 ℃单位延米换热量增加量随运行份额变化，进行地埋管系统设计时应综合考虑其影响。

(2)地埋管单位延米换热量随运行份额的增加而降低，间歇运行有利于地热能的有效利用，运行份额为1时单位延米换热量约为运行份额为0.33时单位延米换热量的74%左右，进行地埋管系统设计时应考虑运行份额，合理设计埋管。

(3)由于地埋管传热复杂，受施工工艺及换热环境影响较大，岩土热响应测试结果为特定条件下所得，其变化规律仅供设计参考。