六安市档案馆土壤源热泵系统岩土热物性测试

汤同芳， 李顺刚

(1.六安职业技术学院，安徽 六安 237158；2.六安市重点工程建设管理局，安徽 六安 237100)

土壤源热泵技术是一项环保、经济、绿色、可持续发展的新型空调技术,要使得这项技术在建筑物内得以充分有效的运用,离不开合理的热泵地下换热管系统的设计、规范的施工、土壤源热泵系统正确的使用、及时的维护,更离不开前期准确的岩土热物性测试。岩土热物性测试就是经过勘察地质情况,测试并分析地下岩土的导热系数、传热能力、热扩散特性,掌握地下埋管与周围土壤之间的换热、传热能力及规律,每延米井的换热量及冬、夏季换热参数。岩土热物性测试有助于地源热泵系统正确设计,为后面设计地下换热器系统提供依据。

1 岩土热物性测试方法

岩土热物性测试方法有查表法、稳态测试法、探针法、热响应测试法。热响应测试法是一中模拟土壤源热泵系统运行模式,采用实验井现场测试法测试岩土热物性参数,即通过向地下输入恒定的热量,然后监测土壤的温度响应以计算土壤热物性质。使用电加热器将水加热后送入地下,在送入的过程中水通过管壁传输给土壤温度,即向土壤放热,测得水流经U管进出口的温度变化便是地下土壤的响应。通过分析记录下来的热交换器入口和出口的温度,测试水流量以及电加热器的加热功率,可以获得土壤的热物性。这是目前土壤源热泵地下岩土热物性参数测试优先推荐使用的测试法,它很好的避免了使用上述其他种测试法的误差来源。

2 六安市档案馆土壤源热泵地下岩土热物性测试

2.1 测试方法

本工程具体测试设备是变频热泵式岩土热物性测试仪,运用的是热响应测试法原理。数据测试范围为两口井热物性参数,测试时间为07-17日开始,为期10天,07-26日结束。测试井为1号井、2号井,井深均100m,井口直径均为150mm,垂直管全长均为400m。管形式为双U型并联,材质为PE管,外径为25mm,内径为20.4mm。连接管部分,供回水管段长均为2m,采用30mm厚橡胶保温材料。利用机械自重下管方法安装。

2.2 测试步骤

(1)把控制柜和实验台通电。确保试验全过程不断电,热响应实验现场用电负荷约为10kW。

(2)连接。将准备好的绝缘软管与试验设备连接起来,将软管保温,确保测试精度。

(3)注水。为确保试验系统运行注水压力满足要求,可采用注水管向系统注水。

(4)热响应实验。确保试验系统中的空气排尽,流速接近恒定,此时可开启电加热器或者风冷热泵。数据采集中确保电源的稳定,保证数据连续被采集。主要采集初始地温、井直径、井深度等数据。

(5)埋管数据采集。采用计算机数据采集,记录进出水温度、循环水流量、压力、能量消耗等。主要模拟测试空调在夏季的制冷和冬季制热运行,得到所测试地埋管换热器的散热与取热情况和能力。

2.3 数据处理

(1)数据处理方法。本工程处理数据使用的是线热源理论模型,其公式如式(1):

(1)

依据测试数据,采用软件得到环路平均温度Tf与时间t之间的曲线如图1所示。由Tf与之间的曲线图,得到Tf对ln(t)的曲线图,再结合公式推演出导热系数,最后使用软件计算出单位井深换热量。

(2)测试相关数据。设置好测试参数后开启仪器,待流量、压力稳定后开始采集数据,测试仪每30s自动采集、记录1次数据,并按要求连续采集。测得100m测试井初始温度如图1、图2所示。

图1 1号井初始温度

图2 2号井初始温度

对排热工况测试是在获得测试井初始温度后,开启加热开关进行恒定加热流测试程序,测试每30s采集1次数据,并连续测试48h结束。以下是测得100m测试井供水、回水温度曲线如图3、图4所示。

图3 1号井进回水温度变化曲线

图4 2号井进回水温度变化曲线

2.4 测试结果与建议

1号、2号井,钻井深度均为100m.下管长度均为400m,换热井钻井深度岩土层初始温度、导热系数、容积比热容以及夏季工况如表1 所列。分析表1数据得到：

表1 岩土层初始温度、导热系数、容积比热容、夏季工况

(1)土壤热物性参数与土壤换热器的换热能力。2井测得岩土初始温度是19.8℃和20.5℃,与当地全年平均温度持平,地温适合岩土综合导热系数为2.09W/(m·K)和2.42W/(m·K),导热系数较高,通过测试井孔,地下水活动充足,表明地下有较强的传热能力,所以该地质条件选用土壤源热泵系统较为合适。

(2)建议取值。因实际运行中土壤源热泵系统的参数是变化的,对比模拟值与实验值,要使得系统保持稳定运行并结合群井孔影响因素,建议标准工况下,夏季换热器每延米换热量取50W/m,冬季换热器每延米换热量取40W/m;使用2个并联U管埋地,设计可使用de25双U管;地埋管深度100m左右。

3 结束语

土壤源热泵技术运用于空调系统和热水供应系统,凭借环保、节能、可持续发展的优势,已在更多的工程中得到运用。工程项目是否能够应用土壤源热泵技术,与项目所在地的地质条件、地下水情况有关,需要进行准确的勘探测试地下岩土热物性,收集数据,分析处理,综合考虑并判断是否适合采用。