陳海波等:閹瀑威的她惟換熟孔換熟功卓勺析第12卷第6期不同深度的地埋換熱孔換熱功率分析陳海波,高亮,李向?qū)?,陳治法(1.天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院,天津3002502.北京市地質(zhì)工程公司,北京100039)摘要:本文介紹了在天津地區(qū)同一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)中,同一臺(tái)巖土熱物性測(cè)試儀,在外界溫度相差不明顯的條件下,對(duì)60、80、100、120和150m,5種工程上常用深度的單U、雙U型地埋管進(jìn)行測(cè)試。數(shù)據(jù)表明,同樣深度的雙U埋管的取熱量比單U埋管取熱量高9.91~37.75%,同樣深度的雙U埋管的排熱量比單U埋管排熱量高0.9~35.6%而120m雙U埋管試驗(yàn)得出的熱導(dǎo)率為最大。由此得出換熱孔無論是單U埋管,還是雙U埋管,排熱量還是取熱量,適宜深度為100~120m的結(jié)論。關(guān)鍵詞:地源熱泵;熱物性測(cè)試;換熱器;換熱功率中圖分類號(hào):TU995.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-282X(2011)06-0028-031簡(jiǎn)介成。圖1是主機(jī)部分的結(jié)構(gòu)原理圖,其中加熱功能地源熱泵現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)是利用地埋管換熱系主要依靠盤管加熱器,冷卻功能由壓縮機(jī)、冷凝器統(tǒng)采用人工冷(熱)源向巖土體連續(xù)加熱(制冷)并記膨脹閥和蒸發(fā)器組成的封閉制冷循環(huán)來完成。測(cè)量錄傳熱介質(zhì)的溫度變化和循環(huán)量來測(cè)定巖土體的熱參數(shù)主要包括進(jìn)出口溫度以及流量等,本次試驗(yàn)采傳導(dǎo)熱性能的試驗(yàn)。埋地?fù)Q熱器的地下?lián)Q熱特性實(shí)用HQ一L1恒溫法巖土熱響應(yīng)測(cè)試儀。其中,溫度驗(yàn)是開發(fā)利用淺層地?zé)崮苜Y源的一個(gè)首要技術(shù)程測(cè)量精度為0.1℃,流量通過電磁式流量計(jì)測(cè)量,流序。開展地下?lián)Q熱特性實(shí)驗(yàn)的重要目的在于通過現(xiàn)量啟動(dòng)值為0.0073m3/h,分辨率為0.001m3/h,精場(chǎng)鉆孔實(shí)驗(yàn),掌握淺層土壤在外界熱激勵(lì)作用下的度1%累計(jì)熱量分辨率0.001mJ。恒熱流測(cè)試儀動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程,從而獲得土壤初始溫度、熱物性參數(shù)流量在0.5~2m3/h范圍內(nèi),精度0.1級(jí),即1%,溫以及地下?lián)Q熱規(guī)律,為進(jìn)一步的地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化度探頭精度為A級(jí),即0.05級(jí),0.5%考慮儀表誤設(shè)計(jì)與節(jié)能運(yùn)行提供必要的數(shù)據(jù)依據(jù)。差熱量值計(jì)算誤差可控制在1%以內(nèi),分辨率為據(jù)進(jìn)行淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境影響分±1%及溫度測(cè)量誤差不應(yīng)大于±2不應(yīng)大于通過建立天津淺層地?zé)崮鼙O(jiān)測(cè)中心獲取動(dòng)態(tài)數(shù)001m3/h。滿足規(guī)范要求的流量測(cè)量誤析及熱泵系統(tǒng)節(jié)能評(píng)價(jià),為地源熱泵系統(tǒng)科學(xué)、合理、正常的運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),建立起天津市淺層地+熱能資源開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境影響預(yù)警系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)本市淺層地?zé)崮苜Y源的科學(xué)管理和可持續(xù)開發(fā)利用。U型管[PID回填材料2現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理2.1測(cè)試儀器1現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試原理圖現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)與測(cè)試就是熱響應(yīng)測(cè)試儀器對(duì)1.保溫水箱;2測(cè)試儀殼體;3.換熱器;4.循環(huán)泵;5加熱器;定深度測(cè)試孔進(jìn)行不同熱負(fù)荷排熱和取熱試驗(yàn)6.蒸發(fā)器;7.控制器;8.壓縮機(jī);9.膨脹閥門試驗(yàn)平臺(tái)主要包括恒熱流加熱器、流量傳感器、溫度10.冷凝器;11.冷卻風(fēng)機(jī)傳感器、循環(huán)水泵換熱器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組22試驗(yàn)原理成。實(shí)驗(yàn)儀器主要由控制主機(jī)和測(cè)量系統(tǒng)兩部分組現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)過程為:首先,將測(cè)試儀的水路收稿日期:2011-08-11作者簡(jiǎn)介:陳海波(1985-),2007年畢業(yè)于石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院環(huán)境工程專業(yè),天津地中國(guó)煤化工也熱能及地?zé)嵛锾焦ぷ?Tel:13502186130YHCNMH2011年12月地質(zhì)裴各循環(huán)部分與待測(cè)換熱器相連接,形成一個(gè)閉式環(huán)路;于24h然后,通過啟動(dòng)管道循環(huán)水泵,以驅(qū)動(dòng)環(huán)路流體開始(2)在獲取初始平均溫度后,開始對(duì)回路中的傳循環(huán)。待系統(tǒng)進(jìn)出口溫差為零時(shí),開始啟動(dòng)電加熱熱介質(zhì)加冷或熱負(fù)荷。測(cè)試過程中冷或熱負(fù)荷和流器來加熱環(huán)路中的流體。隨著換熱器進(jìn)口水溫的不量基本保持恒定(波動(dòng)范圍在士5%以內(nèi)),逐時(shí)記錄斷升高,其熱量通過管壁與土壤之間的傳熱過程逐回路中傳熱介質(zhì)的流量和進(jìn)出口溫度漸釋放到地下土壤中,同時(shí)使土壤溫度也逐漸升高(3)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)時(shí),恒熱流排熱試驗(yàn):地埋最終管內(nèi)流體溫度和土壤溫度維持在一種動(dòng)態(tài)的熱管進(jìn)口溫度分別為20℃和35℃兩種工況的排熱試平衡狀態(tài)。然后,增大加熱功率,系統(tǒng)將重復(fù)上述傳驗(yàn),每個(gè)工況溫度恒定后,觀測(cè)時(shí)間不少于24h熱過程,直至達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在整個(gè)流體加熱(4)每次加冷或熱負(fù)荷停止后,繼續(xù)觀測(cè)回路的循環(huán)過程中,通過計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)記錄進(jìn)/出溫度、進(jìn)出口溫度,直到地層初始溫度為止。流量和加熱功率等參數(shù),與此同時(shí)地下溫度的變化(5)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)時(shí),進(jìn)行氣溫觀測(cè)情況也會(huì)自動(dòng)記錄下來。2.4測(cè)試結(jié)果分析通過現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)?zāi)M冬、夏季熱泵實(shí)際運(yùn)在現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)過程中,先后測(cè)定換熱器的行工況測(cè)量進(jìn)/出儀器的流量進(jìn)/出溫度和時(shí)間,取熱和排熱能力并且通過地下?lián)Q熱量隨流體平均依據(jù)不同負(fù)荷測(cè)試,最終求得:換熱孔的熱導(dǎo)率每溫度的線性變化的擬合方程來確定測(cè)試數(shù)據(jù)的有效延米吸熱量和排熱量(W/m)。性。一般要求回歸系數(shù)R2大于0.85,如測(cè)試結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)在理論上可以歸結(jié)為在一定熱嚴(yán)重偏離線性關(guān)系,則需通過方差分析確定補(bǔ)做實(shí)流邊界條件下的非穩(wěn)態(tài)傳熱問題。其數(shù)學(xué)解析主要驗(yàn)工況,以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性有兩種模型:1)基于線熱源理論的線模型;2)基于圓柱熱源理論的柱模型。本次調(diào)查中現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)3試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果采用了柱熱源數(shù)學(xué)模型。為分析在相同地質(zhì)條件下不同埋管類型、埋管對(duì)于地下?lián)Q熱量q(W/m)而言,它是根據(jù)流量深度對(duì)地埋管換熱系統(tǒng)換熱量的影響本次工作建和進(jìn)出口溫差獲得的,即設(shè)地埋管現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)場(chǎng)。試驗(yàn)場(chǎng)共施工60m÷m2(t-t2)(1)單U、雙U,80m單U、雙U,100m單U、雙U,120m單U、雙U,150m單U、雙U10個(gè)現(xiàn)場(chǎng)熱響式中;m為質(zhì)量流量,p為定壓比熱容,H為換熱器應(yīng)換熱試驗(yàn)孔(見圖2),采用相同技術(shù)要求和施工的有效深度,和t分別為進(jìn)口/出口水溫(℃)。工藝,獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1及圖3和圖4。對(duì)于鉆孔內(nèi)穩(wěn)態(tài)傳熱過程滿足tr-to9檢*口。60雙U式中:tr為流體平均溫度,且tr=(t+t)/2,t為鉆孔壁溫度,R6為鉆孔總熱阻,其計(jì)算可參見有關(guān)文0雙U80雙U10探頭150雙U及同孔探頭獻(xiàn)80單U在鉆孔傳熱分析中,G函數(shù)定義如下:4-4=a(E,合)(3)式中:t為平均土壤初始溫度綜合(1)~(3)式可以看出,通過圓柱熱源模型解決鉆孔與土壤傳熱問題的一個(gè)重要手段是求解G函數(shù),從而獲得地下?lián)Q熱量和土壤的熱導(dǎo)率。圖2調(diào)查區(qū)試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)點(diǎn)位量2.3測(cè)試程序(1)在測(cè)試埋管安裝完48h后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)從表1測(cè)試數(shù)據(jù)和圖3圖4看出,單U埋管與雙U埋管的排熱量、取熱量相差很大;同樣深度排試驗(yàn)的無負(fù)荷循環(huán)測(cè)試,獲取地層初始平均溫度。熱量差值0.54溫度穩(wěn)定后(變化幅度小于0.5℃),觀測(cè)時(shí)間不少中國(guó)煌取熱量差值3.61~12.61WYHa一取熱量差CNMHG陳海波等:不震的地惺換熱孔換熱功阜析第12卷第6期表1試驗(yàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果表排熱量取熱量熱導(dǎo)率目50深度(w/m)(W/m)(W/(mc)回填材料單U雙U單U雙U單U雙U單U|雙U單U管60663276.3239.0348.911.711.73細(xì)砂細(xì)砂8065.1271.4361.161.43細(xì)砂細(xì)砂70901101301501700059.46687533.446.01深度(m)12060241.6185145191.231.54細(xì)砂細(xì)砂圖4取熱量隨埋管深度關(guān)系曲線圖15061.962.4436.4140.021.531.65U埋管,還是雙U埋管,排熱量還是取熱量適宜深度為100~120m雙U埋管70嘲60參考文獻(xiàn):單U埋管[1]朱家玲,等.地?zé)崮荛_發(fā)與應(yīng)用技術(shù)[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006507090110130150170深度(m[2]天津市地質(zhì)礦產(chǎn)局天津市地質(zhì)環(huán)境圖集[M].北京:地質(zhì)出版社,2000.圖3排熱量隨埋管深度關(guān)系曲線圖[3]天津市地質(zhì)礦產(chǎn)局天津市水文地質(zhì)環(huán)境圖系[M北值最大,換熱孔深為120m,取熱量差值次之;同樣深京:地質(zhì)出版社,2000度的雙U埋管的取熱量比單U埋管取熱量高9[4]王曉偉蘇登超地源熱泵系統(tǒng)施工技術(shù)概述門工程~37.75%,同樣深度的雙U埋管的排熱量比單U建設(shè)與設(shè)計(jì),2000(4)埋管排熱量高0.9~35.6%,而120m雙U埋管試[5]丁勇李百戰(zhàn)盧軍等地源熱泵系統(tǒng)地下埋管換熱器驗(yàn)得出的熱導(dǎo)率為最大。綜上所述換熱孔無論是單設(shè)計(jì)(2)J].暖通空調(diào),2005(11)Analysis on the Heat Exchange of Pipes Buried at Different DepthCHEN Haibo', GAO Liang, LI Xiangbao, CHen Zhifa(1. Tianjin Geothermal Exploration Development Institute, Tianjin 300250, China;2. Beijing gelogical Engineering Company, Beijing 100039, China)Abstract: This paper introduces tests using single and double U-shaped buried pipes in five usual depth of60m, 80m, 100m, 120m and 150m. The test was carried out by using the same soil thermal properties meas-ure apparatus in the same test field of Tianjin and at less variation of external temperature. The datshowed that the absorbed heat of the double U-shaped buried pipe is higher than the single U-shaped busied pipe by 9. 91--37. 75%, the discharged heat of the double U-shaped buried pipe is higher than the sin-gle U-shaped buried pipe by 0.9-35.6%, and the thermal conductivity of the double U-shaped buried pipethe highest. All the analysis shows that optimum depth of single and double U-shaped buried pipe is 100-120mKey Words: ground source heat pump; thermal properties measure; heat exchangers; heat exchanging rate(上接第39頁)商以前所使用鉆頭的4到5倍。因此, Drillcorp公Drillcorp公司在一個(gè)還剩250m即將完工的鉆孔內(nèi)司立即訂購了20個(gè) Excore鉆頭來完成剩余的1萬開始第一個(gè) Excore鉆頭的試驗(yàn)。通常,鉆工需要在米鉆進(jìn)任務(wù)那個(gè)鉆孔更換三次以上鉆頭,起下鉆桿柱最少需要試驗(yàn)結(jié)果是:前1萬米的鉆頭平均壽命為60~6個(gè)小時(shí)。70m,班次進(jìn)尺為30m;后1萬米的鉆頭平均壽命達(dá)然而,使用一個(gè) Excore鉆頭就鉆到孔底,因此280~300m,班次進(jìn)尺為54m。鉆進(jìn)速度提高了不需要更換鉆頭,并且該鉆頭在另一個(gè)鉆孔還繼續(xù)80%鉆頭壽命提V凵中國(guó)煤化工鉆進(jìn)了52m。鉆頭的使用壽命長(zhǎng)達(dá)302m,為該承包(顏純文選評(píng)CNMHGb. 2011)