土壤源热泵系统埋地换热器换热性能研究

土壤源热泵系统埋地换热器换热性能研究

刘正华 陈汝东 刘士龙

(同济大学  上海　200092)

    摘要：对土壤源热泵系统埋地换热器的影响因素进行研究,分析三种获得土壤热物性参数的方法,得到利用现场测试法较精确。搭建实验台对埋地换热器传热量进行测试,发现室内负荷和埋管循环水流量对埋地管与土壤的换热量影响较大,利用圆柱源传热模型进行模拟验证,模拟结果与实验结果吻合较好。

    关键词：土壤源热泵系统  埋地换热器  性能研究  换热量

    中图分类号：TK121　文献标识码:　A

    1　前言

    土壤源热泵系统主要分为三个部分:室外埋地换热器系统、热泵机组系统、和室内空调采暖末 端系统。与传统的空气源热泵系统相比,主要区别就在于室外埋地换热器系统。传统的空气源热泵系统把大气作为热源和热汇,而土壤源热泵则 把土壤作为热源和热汇。根据有关研究,地表5m以下土壤的温度已相当稳定,基本不随季节变化, 约等于该地区的年平均气温。与室外空气设计温度相比较,夏季土壤温度比室外空气温度低,冬季土壤温度则比室外空气温度高,并且埋地换热器不会对大气造成污染。因此,土壤源热泵在节能和环保方面具有很大优势。但由于土壤的热物性难以测定,而且埋地换热器换热性能影响因素复杂,埋地换热器的设计一直是整个土壤源热泵系统设计的重点和难点。

    2　土壤基础参数的确定和分析

    2.1　土壤初始温度的计算

    土壤的初始温度是土壤未受外界人为的热干扰前的温度分布,对换热器的换热性能影响很大, 是换热器研究的基础。初始温度按下式计算[1]。

    2.2　土壤热物性参数的测定和分析

    土壤热物性的不确定性是土壤源热泵设计的难点。所关心的热物性主要是土壤的导热系数、热扩散率、比热容等。土壤是一个多孔介质,土壤中的含水率会随着热量的传递而发生变化,而土壤的导热系数和比热容都会随含水率的变化而发生改变。用函数关系来描述土壤导热系数和比热容与土壤含水率之间的变化规律很困难,一般用实验测量的方法来确定土壤的导热系数和比热容。确定土壤热物性的方法包括: (1)先判断工程区域的土壤类型,再查文献资料,但由于现场条件的影响很大,通常文献资料提供的土壤热物性参数值的范围很大。所以设计时,为了保证土壤源热泵能正常运行,设计者一般选取较小值,势必使埋管井深度偏 大和埋管长度偏长。造成初投资过大,经济效益降低。(2)利用探针法对埋管井不同深度的土壤样品 进行测定。利用探针法只是对单一试样进行测量 分析,因此试样必须是同深度土壤层最具代表性。 而且在取样和储存过程中受到的干扰都会对测量 结果产生很大影响。这种方法也难于考虑埋管形 式与构造和地下水流动对土壤换热系数的影响。 (3)现场测试法考虑了现场土壤条件和埋管井的结 构特点,能较准确的测量出土壤的热物性参数。当 然现场测试法也会受外界天气条件、测试时间和当 前分析方法局限等的影响。Witte博士等人开发出 一套地热反应测试装置,可以现场测试在保证地下 环路进出口水温差一定的情况下埋地管换热器的 传热过程,从而得到土壤的热物性参数,实验误差 在-8.1%~8.1%之间[3]。

    3　埋地换热器的传热模型

    对于常热流密度的圆柱热源,埋管井周围无限土壤介质中的温度场分布的表达式为:

    但实际情况埋管井壁的热流并不是恒定的。对于变热流的情况,利用叠加原理来考虑以前时刻热流对当前时刻温度和热流的影响。则修正后远边界土壤温度与埋管井壁温度的差值的计算公式如下:

    4　埋地换热器换热性能的实验分析

    4.1　实验台介绍

    图1所示为室内设置可调加热器,加热器总共有五个调节开关,每个开关对应的加热功率为 15、12、9、6和3kW。同时换热器中的循环水流量可调节,流量大小可通过流量计观测。室内加热器的热量通过与风机盘管换热,再与换热器中的 循环水进行换热,然后通过换热器把热量散入土壤中。在不同室内加热器功率和循环水流量的条件下,启动系统,经过一段时间后使房间的加热和地下的散热保持平衡,测试系统从启动工况到平衡工况埋地换热器的换热情况以及循环水进出水 温度的变化。

    实验台测试的为一个含有四根埋管的桩基, 四根埋管分别分布在桩基的四边,埋管之间的距 离为2m,桩基间的距离为9m。埋管的深度为40m,内部采用的是双U型管,总管长为640m。四 个双U管采用并联的方式。图2为单根桩基埋管布置。

    4.2　埋地换热器取冷量的测试

    实验总共测试了5天,测试的运行工况分别是: 2005年10月11日加热器的功率为15kW,埋地管循环液流量为1. 2m3/h; 2005年10月13日的加热器功率为9 kW,埋地管循环液流量为1. 2 m3/h; 2005年10月25日的加热器工况为3 kW, 埋地管循环液流量是1. 2m3/h; 2005年11月7日 的加热器功率为3 kW,埋地管循环液流量为0. 55 m3/h。2005年11月8日的加热器功率为3kW, 埋地管循环液流量减少到0. 35 m3/h。其中2005年11月7日和8日为连续运行,晚间的数据受条件限制未进行记录。测试得到了启动工况和平衡工况下,不同加热量、不同流量时埋管的进出水温度的变化规律及对埋地换热器取冷量的影响。测试的参数有埋管水的流量、埋管水进出口温度、风机盘管进出风的温度、风量等参数,其中风量的测 量是通过风速和盘管的尺寸得到。测试所得的冷量以水侧为准,风侧的参数只用于校核。

    此外,对实验模型进行模拟计算,并与测得的数据进行比较。采用的步长为0.5h,与测试间隔 时间基本相同,土壤的比热取1.05 kJ/(kg·℃), 密度取1874kg/m3,土壤的导热系数取0.86W /(m ·℃)。土壤的初始温度按照17℃进行计算。

    4.2.1埋地换热器进出口水温度的变化

    从5天不同工况取冷实验中,任选一天实测数据进行分析,如10月13日,其实测结果和模拟结果如图3所示。图3表示系统启动过程中,埋地换热器进出口水温及温差、风机盘管出风和回风温度随时间的变化情况。从图中发现,模拟结果和实测结果的变化趋势一致,温度偏差较小,造成偏差的原因除了模型与实际情况存在差别外, 还与实验台自身的缺陷有关。在系统启动的前2h 内,水温变化较为显著,在随后时间内变化缓慢。 在系统启动时间大约7h后,即进入不稳定导热的准稳态阶段。埋地管进出口水温差基本保持在 3℃左右。模拟值与实测值的误差在4%左右,在工程允许的误差范围之内。说明所采用的模型具有一定的准确性和实用性,对实际工程设计应用具有一定的指导意义。

    4.2.2埋地换热器换热量的变化

    图4~6分别是在流量维持在1. 2 m3/h,调节室内加热器,埋地换热器的换热量的变化规律。在加热器功率为15kW的启动工况下,埋地管换热器换热量为7. 4kW;在加热器功率为9kW的启动工况下,埋地管换热器换热量为4. 2kW;在加热器功率为3kW的启动工况下,埋地管换热器换热量为2. 2kW。

    图6~8分别是保持加热功率为3 kW,改变流量,埋地换热器换热量的测试结果。流量从1. m3/h减少到0. 35 m3/h,埋地换热器的换热量也从2. 2 kW减少到0. 8kW。

    从图中可以发现,在整个运行过程中,地下埋管的换热量受室内负荷和埋地管循环水量的影响。当室内负荷增加时,埋地换热器传入土壤的热量也随之增加,导致埋地管的进水温度也上升。 所以在保证满足系统运行工况的条件下,提高进 水温度,可以增加埋地管的换热量。地下循环水量对换热器的换热效果影响很大,水量很大,换热量也越大。因为管径一定时,流量决定流体流速。流速减小,对流换热系数减小,如果流动状态由紊流流动变成层流,则对流换热系数变化就很明显。但管内流速越大,压力损失就越大,所需循环水泵功率也越大。

    由于埋地管属于闭环系统,水泵扬程只要克服沿程摩擦阻力和局部阻力,不考虑提升高度。因此流速可以适当高一点,保证管内流体流动处于紊流状态,提高对流换热系数,增加换热量。

    5　结语

    土壤的基础参数包括土壤温度分布和土壤的热物性,对埋地换热器的换热性能影响很大。介绍了三种获取土壤热物性参数的方法,并分析得知,要较准确获得土壤的热物性参数,最理想的方法是利用现场测试法。通过实验发现,埋地管循 环水流量和室内负荷对地下换热量有很大影响。水流量越大,换热量越大;室内负荷越大,换热量也越大,同时会导致埋地管进水温度上升,使系统运行工况恶化。我国开展地源热泵研究的历史较短,应该根据我国地质分布状况,研究适合我国应用的埋地换热器传热模型及设计开发工具,推动地源热泵更广泛的应用。

    参考文献

    [1]　陈启高.建筑热物理基础[M].西安:西安交通大 学出版社, 1991.

    [2]　张旭,高晓兵.华东地区土壤及土沙混合物导热系 数的实验研究[J].暖通空调, 2004, 34(5): 83-85.