地源热泵土壤热物性测试与分析

赵 进,王景刚,杜梅霞,高晓霞

（河北工程大学城建学院,河北邯郸 056038）

以土壤作为低温热源,并且采用地埋管方式的地源热泵与其它类型的热泵相比,有热源理想,环境影响小,运行及维修费用低廉,寿命长等优势[1],但是岩土热物性参数不准确,导致设计的系统负荷与实际负荷不相匹配,使地下换热器的准确设计受到影响[2],因此热物性是地埋管换热系统设计重要参数,对于具体工程而言,不同地层地质条件下某些地下岩土的热物性相差 10倍之多[3]。研究结果表明,当地下岩土的导热系数或导温系数发生10%的偏差,则设计的埋管偏差为4.5%～5.8%,环管的最高温度产生 1.1℃～1.2℃偏差,而最低温度的偏差也有0.3℃～0.4℃,制冷能力和制热能力有1%的变化[4]。特别对于竖直埋管的土壤源热泵系统,埋管长度的偏差将导致钻孔总长度的变化,由于钻孔成本极高,从而导致系统的初投资远远偏离实际造价。可见,对于地下岩土的热物理性质的研究是非常必要的,该研究直接决定了土壤源热泵系统的经济性和实用性,如何确定热物性参数就成为一个迫切需要解决的问题,目前热物性的测定方法主要有稳态测试法、实验室取样测试法、现场测试法。本实验采用现场测试方法测出钻孔周围岩土体的热物性参数,得到的数据更符合工程实际,为地源热泵系统的准确设计提供了依据。

1 实验装置与原理

1.1 实验装置

设计了土壤源热泵实验系统,地下埋管系统有2眼埋管井,钻孔直径为 150mm,钻孔深度120m,埋管换热器以水为循环介质,采用高密度聚乙烯塑料管（HDPE）U型埋管换热器,直径分别为25mm、32mm,实验台地下共布置了 52个铠装PT100热电阻,用于测量PE管和测试井在不同深度的温度变化。本实验选择32mm的埋管进行试验,地上移动式测试车主要包括循环水箱、水泵、流量计、球阀、管道、数据采集模块、电脑等部件。其中循环水箱1个,体积为0.2m3,水箱内的加热器功率调节范围为0kW～16.5kW,循环水泵1台,热电阻温度传感器2只,电磁流量计、电压表、电流表各1只。实验台需要采集温度、流量、加热功率等数据,测试地点距离土壤导热系数测定仪约为2m左右,水管全部用1cm厚的橡塑管保温。钻井水文地质资料分析表明,地下30m以上主要为粘土层,30～50m处主要为卵石砾石层,地下50m处主要为砂土层,地下含水量丰富,土壤类型属文献分类标准[5]中的重土饱和潮湿型。

1.2 实验原理

恒热流测试法是在保持加热功率恒定的情况下测量地下土壤散热功率,当加热功率与土壤散热功率相等（相近）时,然后利用已知条件反解传热模型可以求出岩土导热系数。由图1可以看出,流体经过电加热器加热后,经循环水泵被送入到地下,由于加热后的流体温度高于地下土壤的温度,故热量通过管壁由流体向土壤放热,这样从地下再回到测试仪中的流体的温度就存在一定的变化,这就是地下土壤的温度响应。地下未扰动的地层原始温度一般地埋管内注满水后静止1d～2d后测试,测试装置在加热器突然运行前,使循环水泵连续运行20min,每隔1min记录一次地埋管进出口水温,地埋管进口温度不断升高一直到与出口温度相等,如果水泵继续运行,会由于水泵的散热使进出口温度缓慢升高,则关闭水泵并将进出口温度相等时刻的温度近似等于地下无干扰地温[6],并采用线热源模型Ingersoll方法对测试数据进行分析。

式中Tf—循环流体的平均温度;Tff—无穷远处土壤温度;ql—单位长度埋管的换热量;λs—周围岩土的导热系数;Rb—钻孔传热热阻;τ—时间。

当τ为τ1和 τ2时,循环流体的温度分别为Tf1和Tf2,代入上式并简化得出以下关系

进而可以得出土壤的导热系数

根据测试数据,利用自主开发的软件可以得出加热状态下环路平均温度 Tf对应时间变化的曲线图计算出岩土热物性导热系数。

2 结果与分析

为了分析土壤初始温度对导热系数影响,系统连续运行150小时,分别计算16℃,16.5℃,17℃,17.5℃,18℃,18.5℃时的土壤导热系数。从图2可以看出,随着土壤初始温度的增加,土壤导热系数几乎直线上升,土壤初始温度对计算结果影响非常大,所以在测试时要尽可能提高土壤初始温度的测量精度。土壤初始温度每增加1℃,土壤导热系数约增高0.7W/（m·℃）。以实测土壤初始温度16℃为基点,0.5℃测量偏差,导致土壤导热系数计算结果偏差可达10%以上。从图3可以看出前20h埋管进出口温度变化较大,连续运行40h后,温度变化率逐渐变小,50h左右埋管进出口温差基本保持在4.61℃左右。

从图4可以看出,土壤导热系数在3.109～5.232之间变化,开始时有一些波动然后趋于稳定,随着测试时间的增加,到50小时左右时,土壤导热系数逐渐稳定,收敛于3.109W/（m·℃）。这主要是因为测试初期传热不稳定,但运行一段时间后可认为达到准稳态。从图5可以看出,测得地下无干扰地温后,即可进行地埋管进出口温度的热响应测试,测试时间60h,这样既可以保证获得正确的导热系数,又可以避免测试时间过长。电加热器开启的功率为5kW,由于现场电流、电压的波动,实际电流和电压值通过电流表、电压表实时读取与记录,其平均值作为实际电加热功率。

从图6可以看出,土壤冬季热物性测试单位管长换热率在39W/m～44W/m的范围内变化时,测得土壤导热系数在3.109～5.232范围变化。从图7可以看出,在前50h以内地层换热量和输入功率相差比较大,这是由于最初一段时间内,热量传递主要在井孔内进行,循环水温上升比较快,随着测试时间的增加,循环水温上升越来越慢,近似于稳态传热过程,吸热量与放热量逐渐趋于平衡。

3 结论

1）测量时间达到50h后,计算结果波动逐渐减小并趋于收敛。

2）未扰动土壤温度以及给定PE管材的条件下,平均导热系数为3.489 W/（m·℃）。

3）土壤初始温度对计算结果影响非常大,所以在测试时要尽可能提高土壤初始温度的测量精度。

[1]江亿.我国建筑耗能状况及有效的节能途径[J].暖通空调,2005,35（5）:30-40.

[2]杨卫波.基于解析法的地下岩土热物性现场测试方法的探讨[J].建筑科学,2009,25（8）:84-84.

[3]HELLSTROM G.Ground heat storage-thermal analyses of duct storage system[D].Sweden:University of Lund,1991.

[4]王补宣.多孔介质的传热传质[J].清华大学学报（自然科学版）,1992,32（增1期）:125-129.

[5]美国制冷空调工程师协会.地源热泵工程技术指南[M].徐伟译.北京:中国建筑工业出版社,2001.

[6]王书中,由世俊,张光平.热响应测试在土壤热交换器设计中的应用[J].太阳能学报,2007,28（4）:405-410.