地源热泵地下换热系统热响应测试及分析(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)同济大学 作者:李芃

1、前言

  土壤源热泵通过循环液在封闭的地下埋管中流动,与地下岩土进行热量交换。对于竖直埋管,钻孔深度一般为60~100m,而地温在20m之下基本常年不变,年平均温度一般高于当地大气平均温度的2~6℃,这使得地下岩土层冬暖夏凉,可以为建筑空调和供热提供较多的能量。相对于空气源热泵,克服了室外温度与需热(冷量)相矛盾的缺点,效率大大提高。另外不受地下水和地表水资源的限制,只需占用一定的埋管空间,使用更为灵活。

  土壤源热泵地下埋管的安装需要钻孔、挖沟、灌浆等工序,初投资较高,但运行费用相对较低,投资回收期多在3年之内。土壤源热泵的应用具有地域特性,不仅不同地区应用情况不同,就是同一地区会因为地质条件的差异而有所不同,所以土壤特性的测试工作十分重要,但现在测试方法和设计方法的不完善,使得系统的实际运行状况并不理想,多数选择大容量的地埋管系统,造成投资的提高及资源的浪费。

  2006年1月1日实施的中华人民共和国国家标准——— 《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005中规定 ,地埋管换热器设计计算宜根据现场实测岩土体及回填料热物性参数,采用专用软件进行;或根据规范附录的系列公式进行。根据国际上通行的标准和方法,测试的目的是地下岩土体的热物性,应提供专业软件设计或公式手工设计地埋管换热器所需的参数。为了正确进行地埋管换热器系统设计,必须搞好地下换热系统测试。

2、地下换热系统测试

  上海某展示中心项目,共有4层,因地源热泵工程建设的需要,进行地源热泵地下换热器热交换效率测试工作,以取得相关的地层热物性参数,使空调设计符合工程的需求。我们受业主委托,进行了测试工作。根据IGSHPA的工程标准,地下换热器热响应测试将分为两个阶段:第一阶段,工程实施前的测试,收集和校核基本设计参数;第二阶段,工程实施中的测试,校核和检验设计参数和施工效果。本工程测试孔布置2个,采用地质钻机打孔,孔深105m, 孔径不小于150mm, 在孔内安装HDPEΦ32等效U型管,深度100m。

  测试采用专用测试仪,分别对换热井进行地温测试,每15m一个测点,对不同深度的地层温度进行测量。采用专业软件及计算机数据采集仪记录试验温度、流量、压力、时间等,随时自动存储数据。连续测试时间不少于24h,累计时间不少于72h。

2.1、工程拟建场地地质条件

  该拟建场地位于长江三角洲入海口东南前缘,其地貌属于上海地区四大地貌单元中的滨海平原类型。该拟建场地内的最大勘察深度为105m,在此深度范围内的地基土均属第四纪松散沉积物,土壤类型主要为粘土、素填土粉质粘土、淤泥质粘土和粉砂、粗砂等。

  该拟建场地浅部土层中的地下水属于潜水类型,其水位动态变化主要受控于大气降水和地面蒸发等,并随气候的变化而变化。使用专用设备进行土壤热响应试验。

2.2、测试流程

  采用1台钻机进行测试孔井钻井取样,下管施工,循环管接至测试仪器。弃热试验持续时间为72h。其中地下未扰动土壤原始温度采集24h;采用1套6kW电加热器对水进行加热,再进入地埋管循环,定流量1.6m3/h,48h连续不断运转,采集地埋管供回水温度。

2.3、数据分析

2.3.1、工程场区主要岩土层结构如表1所示。

表1 工程场区主要岩土层结构

工程场区主要岩土层结构

2.3.2、热响应测试数据采集

  图1~5分别为采用专业软件及计算机数据采集仪记录的试验过程中水泵流量,电功率,未扰动土壤温度,供回水温度和土壤探头温度变化曲线图。图中数据随时自动存储,连续测试时间不少于24h,累计时间不少于72h。

  由图1, 图2 可看出水泵流量基本稳定在1.6m3/h,电功率保持稳定为6kW。

水泵流量曲线电功率曲线

图1 水泵流量曲线                                              图2 电功率曲线

  图3中未扰动土壤温度随测试深度增加而升高, 由10m深度处的14.4℃升至100m 处的17.9℃,这是由于测试过程中模拟空调运行工况,通过循环水不断向地下放热所致。

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