U型地埋管地源热泵系统换热试验研究

高俊明,高桂芝,田继民

(1.河北工程技术高等专科学校 土木工程系,河北 沧州 061001;2.沧州东方工程设计咨询有限公司,河北 沧州 061001)

土壤源热泵系统是以大地为热泵机组的吸热和放热场所,将热泵的换热器埋入地下,与大地进行冷热交换,向建筑物供应热量和冷量。土壤源热泵系统的应用在美国、加拿大以及西欧一些国家普遍受到重视[1]。地源热泵以大地为热源和热汇,冬季通过埋地换热器从大地中吸取热量,向用户供热;夏季热泵机组将室内的热量通过埋地换热器排入土壤中。从全年的角度,低品位热能是部分地得到了循环回用,这对于减少一次能源消耗,最大限度地降低化石能源的使用份额,意义十分重大。近年来,我国也开始注意对土壤热源热泵系统的研究与开发。

岩土体热物性参数测定有现场测试与实验室测定两种方法。近年来国外研究者更注重现场测试研究,并开发了用于现场测试的便携式测量装置和相关计算程序,以评价、计算地埋管热泵系统适宜区的浅层地温能资源可开采量。采用现场换热试验的方法是比较直观和科学的。

1 试验目的

土壤热源热泵系统主要由两部分组成:一部分是地表以上的水源热泵机组;另一部分是埋设于地表以下的换热盘管,如图 1所示。

通过测试,获得埋地换热器与周围土壤间的换热规律、每延米井深的换热量、地下岩土的热物性参数以及周围土壤温度的变化情况等,为设计地源换热系统以及整个热泵系统提供依据;启用 3种钻井机具(岩芯 1000 m钻、黄河钻、汽车工程钻)进行现场钻井,通过对这 3种钻机钻井的实际情况进行比较,确定出适合现场的最佳钻机,以确保将来的施工工期,确定最佳的换热孔填料。

图1 土壤源热泵空调系统工作原理

2 测试原理

该测试系统简单模拟地源热泵空调系统夏季制冷的运行模式。将仪器的水路循环部分与所要测试的换热孔内的 HDPE管路相连接,形成闭式环路,通过仪器内的微型循环水泵驱动环路内的液体不断循环,同时仪器内的加热器不断加热环路中的液体。该闭式环路内的液体不断循环,加热器所产生的热量就不断通过换热孔内的换热管释放到地下。在闭式环路内的液体循环的过程中,将进 /出仪器的温度、流量进行采集记录,以此来分析计算岩土体的热物性参数。

3 测试步骤

3.1 钻孔

用岩芯 1000 m钻机钻深度 120 m的换热孔 1个(I号测试孔),孔径不小于180 mm。岩芯 1000 m钻机采用油压加压钻进,具有导正性好、稳定性强等特点。钻进方法为正循环回转式钻进,钻速由低到高可调空间较大。用黄河钻机钻深度 95 m的换热孔 1个(Ⅱ号测试孔),孔径不小于180 mm。黄河钻机采用油压加压钻进,钻具钻进过程中扭距较大,钻进速度快,钻孔垂直度较高。用汽车工程钻机钻深度 120 m的换热孔 1个。汽车工程钻机适用于工程勘查,取芯取样方便。布置该钻孔的目的是为了详细了解地层结构,获取地层原样,以便对地层样品进行热物性测试。测试孔基本状况见表 1。

表1 测试孔基本状况

成孔后,在下入 HDPE管前,要首先进行电阻率测井,以了解地层的赋水情况。

3.2 下管

孔内下入直径为32 mm的单 U型HDPE管,并在下管后回填级配砂石填料。下管前后都需要对 HDPE管进行打压试验,稳压压力为1.2 MPa,稳压时间不小于1 h。另外,埋管时,应尽量使管子贴近孔壁,增大同一钻孔中各管子之间的间距。回填材料应用导热系数较高、膨胀性较好的材料,这样可使钻孔内导热热阻小,从而增强埋管与周围岩土的换热能力[4]。

3.3 模拟测试

将仪器的水路循环部分与所要测试换热孔内的 HDPE管路相连接,形成闭式环路,通过仪器内的微型循环水泵驱动环路内的液体不断循环,同时仪器内的加热器不断加热环路中的液体。该闭式环路内的液体不断循环,加热器所产生的热量就不断通过换热孔内的换热管释放到地下。在闭式环路内的液体循环的过程中,将进 /出仪器的温度、流量进行采集记录,来分析计算土壤的热物性参数。

4 测试实例与数据整理

本工程位于河北省沧州市开发区某科技园,室内末端系统分为低温水地板辐射采暖和风机盘管中央空调系统,总热负荷为3820kW,冷负荷为1680kW。

4.1 工作区浅层地热地质条件

表2 勘探孔地质状况

工作区及附近基岩在工作区范围内有一定的均一性和规律性,主要为黏砂、细砂与卵砾石互层。地层含水量较大但含水层颗粒较细。表2为工作区内勘探孔地质状况,反映了项目所在地 134 m内的地层岩性。

4.2 传热量测试数据

测试孔有效测试时间为12 h,单 U型埋管,采用级配砂石料回填。地埋管系统连接测试前做排气处理,并进行打压实验以确保 U型管下管过程中没有破损。埋管换热器的供回水温度与流量数值见图 2和图 3,数据均为测试系统稳定运行后测得。

图2 Ⅰ号测试孔数据图

图3 Ⅱ号测试孔数据图

计算结果如下:Ⅰ号测试孔地埋管进出口平均温差ΔT=3.17℃,地埋管侧平均流量 Q=1.094 m3/h,测试孔深度 120 m,每延米换热量为33.61 W;Ⅱ号测试孔地埋管进出口平均温差ΔT=2.78℃,地埋管侧平均流量 Q=1.175 m3/h,测试孔深度 95 m,每延米换热量为39.99 W。

4.3 浅层地热资源量评价分析

根据储量法对地质体储存的热能进行计算,计算面积 A按规划面积 34388m2计算,地质体厚度 d按130 m计算,地质体温度、计算基础温度分别用 tr,t0表示,地质体岩石和流体的平均比热容用C表示,则地质体中储存的热量 QA为:

可将地质体厚度分成包气带和饱和水带两层,其中包气带厚度按 18 m计算,则包气带地质体岩石和流体的平均比热容可按 1.05×106J/(m3·℃)计算,饱和水带地质体岩石和流体的平均比热容可按 2.7×106J/(m3·℃)计算,具体计算方法参见相关文献。由以上计算可得,地质体中 130 m以内温度变化 1℃可以释放或吸收的热能为1.08× 1013J。

地源热泵机组制冷能效比(EER)取 4.7,则地源热泵系统夏季向岩土体排放的总热量为2037kW,地源热泵机组制热能效比(COP)取 3.7,则地源热泵系统冬季从岩土体吸收的总热量为2787kW。全年采暖期按 135 d计算,热泵机组全天运行,全负荷使用系数取 0.63,热泵机组从岩土体吸收的总热量为2.05×1013J,则地质体计算温度降低约 1.7℃,夏季综合服务区制冷天数取 90 d,热泵机组每天运行 10 h,全天负荷使用系数取 0.8,则夏季制冷热泵机组向岩土体排放的总热量为5.3×1012J,则制冷季岩土体计算温度升高约 0.48℃,因此,地源热泵运行一年岩土体计算温度降低约为1.22℃。

考虑到地下水流动对地层散热的影响,130 m以下岩土的地热传导,以及热泵系统的间隙期,均有利于地层温度的恢复,总体上地埋管系统对项目区整体地温场影响不大。

5 结论

(1)通过本次测试,对该项目所在地地层情况有了进一步的掌握,岩性主要为砂质粘土、细砂,含有数层砂砾层。130 m深换热孔施工较容易,成本较低,适合采用地源热泵系统进行冬季供暖和夏季制冷,项目区对于建设地源热泵系统的地质条件可行性评价为适宜。

(2)根据测量的温度、流量、功率等实验数据,采用圆柱热源理论模型结合参数估计法计算的地下土壤平均导热系数约为1.7 W/(m·K),符合地源热泵设计要求,可满足冬夏季负荷要求。

(3)根据热负荷和冷负荷计算出全年从岩土体吸收的总热量为1.52×1013J,温度降低 1.22℃。考虑地层散热及热泵系统的间隙期,均有利于地层温度的恢复,因此地埋管系统对项目区整体地温场影响不大。

(4)通过对上述实际工程项目的分析表明,地源热泵系统换热现场试验为实际工程提供了可靠的数据,可很好地指导工程设计与施工。

[1]Don A brams.Ground2Coupled Heat Pumps[J].SOLAR AGE,1985,(9):61-64.

[2]田继民,戈瑞梅.某工程项目浅层地能测试与评价[J].河北工程技术高等专科学校学报,2010,(1):9-12.

[3]李晓东,于明志,李雨桐.基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪的研制与应用[J].自动化仪器与仪表,2004(5):28-29.

[4]Marita L Allan.Materials Characterization of Super Plasticized Cement-sandgrout[J].Cement and Concrete Research,2000,(30):937-942.

[5]陈卫翠,刘巧铃,贾立群,等.高性能地埋管换热器钻孔回填材料的实验研究.暖通空调,2006,36(9):1-6.

[6]于明志,方肇洪.现场测量深层岩土热物性方法[J].工程热物理学报,2002,23(3):354-356.