地源熱泵地埋管單位井深換熱量測試與分析
一、地埋管測溫/地源熱泵測溫引言
地源熱泵系統中冷/熱源采用地埋管換熱器，這種地熱換熱器與工程中通常碰到的換熱器不同，它不是兩種流體之間的換熱，而是埋管中的流體與固體(土壤)之間的換熱，屬于非穩態，涉及時間跨度很長，空間區域很大，換熱特性對地源熱泵系統性能有決定性的作用，影響著地埋管換熱器設計是否公道，進而決定了地源熱泵系統的經濟性和運行的可靠性。
對于實際工程中常用的垂直U型管地源熱泵系統，影響系統性能因素主要在于地埋管換熱器管長的設計，其設計計算主要采用《地源熱泵系統工程技術規范》中的公式：
由此可見，在換熱負荷一定的條件下U型地埋管長度主要取決于土壤層水文地質和熱物性。由于地埋管處于地下土壤中，屬地下隱蔽工程，其熱物性的丈量不能直接進行，主要是結合導熱反題目和參數估計法來確定。鑒于現場丈量的困難和地埋管鉆井內埋設的不確定性，這些參數的誤差均較大，從而*影響地埋管長度的設計正確性。現對公式(1)、(2)進行變換可得：
假如能夠獲取單位管長換熱量，則可以設計計算地源熱泵系統地埋管的容量，確定熱泵機組參數以及選擇循環泵流量與揚程等。單位管長換熱量假如選擇偏大，必然導致埋管量偏小、埋管內水的進出口溫度難以達到熱泵機組的參數要求，使得機組效率過低，熱泵的制冷、制熱量達不到建筑物需求，導致系統設計不滿足要求。反之，雖滿足要求但初投資過高，地源熱泵系統經濟性降低。由于單位管長換熱量不僅與地下土壤傳熱溫差有很大的關系，而且與地下水位的高低以及土壤中含水量的多少等諸多因素有關，因而需要對實際地源熱泵工程進行現場丈量，方可獲得較的設計參數。
二、地埋管測溫/地源熱泵測溫實驗裝置簡介
1. 實驗裝置組成
實驗裝置于2006年11月在華中科技大學建筑環境與設備綜合實驗中心建成，同年12月1日投進使用，已經完成原始地溫測試、冬季供熱工況測試。該裝置實驗臺在測試運行期間，工況穩定，運行正常。實驗系統主要有兩部分組成，其裝置配置如圖1所示。
1.1 地埋管部分
該部分主要包括地埋管換熱器、埋管側循環水泵、埋管側膨脹水箱、集水器和分水器，其管路系統與冷熱源機組相連。
地埋管鉆井共11口，編號為1～11。其中1～4號井為雙U型地埋管，5～8號井內設單U型地埋管，9～11號井為套管地埋管。鉆井深度有40m、60m和80m，鉆井直徑200mm，管內循環流體介質為水。各鉆井內埋管換熱器采用并聯方式與地埋管集水器和分水器相連，埋管換熱器頂部至室內的水平埋管沿地溝展設，地溝深0.8m，地溝寬0.5m。
1.2 冷熱源部分
該部分主要包括空氣-水熱泵機組，產生的冷、熱水作為模擬冬季和夏季工況。為防止壓縮機損壞，設置時間繼電器控制壓縮機的啟動。當接通電源后，循環水泵首先啟動運行，在時間繼電器的控制下，壓縮機延時啟動。壓縮機采用壓力控制機制，以便觀察壓縮性能夠在正常范圍內工作。出水位置裝有溫度檢測裝置以便觀察水溫控制是否達到要求。
2. 數據采集
為研究地埋管換熱器的傳熱性能及其運行規律，設置了一套測試系統，根據文獻[2][3][4]選取短的測試時間為70小時。
2.1 溫度測試
溫度是直接反映埋管換熱器傳熱性能的重要參數，主要分為三部分，分別為地埋管壁溫測試、地埋管進出口水溫測試。
① 地埋管壁溫測試
地源熱泵地埋管系統構建時，共4口鉆井(編號5～8號)分別設有單U型管，在5號、6號、8號每個單U型管沿進水支管壁的5個測點分別在埋深5m、10m、20m、30m、40m，在7號每個單U型管沿進水支管壁的7個測點分別在埋深5m、10m、20m、30m、40m、50m、60m。其余的地埋管設有活動丈量管。
② 地埋管進出口水溫測試
全部地埋管進出口處均設有溫度測點，丈量水溫。
溫度測點布置的測溫元件為Pt100，輸進轉換采用多功能熱工數據采集系統，本數據采集系統是由硬件傳感器接口箱和微機操縱軟件兩部分組成。
2.2 流量測試
流量測試包括地下埋管側管路系統和用戶側管路系統中循環流體的測試。測試儀表為經標定的轉子流量計，1號鉆井的丈量范圍160～1600 L/h，精度1.0級，被測介質溫度范圍0～120℃，壓力≤0.6MPa。其余的為100～1000 L/h，精度1.0級，被測介質溫度范圍0～120℃，壓力≤0.6MPa。
三、地埋管測溫/地源熱泵測溫地埋管單位井深換熱量測試結果與分析
影響地埋管單位井深換熱量的因素較多。但在實際工程設計中，對于給定的建筑可以人為操控的因素主要表現在地埋管系統的幾何尺寸、管內流體熱物性和流速、埋管類型等。限于篇幅，本文根據冬季的地源熱泵單位井深換熱量的測試結果主要討論地埋管進水溫度、流量和埋管類型對單位井深換熱量的影響，實驗井選取為1號井、8號井、9號井、10號井，深度分別為60m、60m、80m、60m。
3.1 流量對單位井深換熱量的影響
實驗中8號井的進口水溫保持10℃不變，在不同流量的工況下，單位井深換熱量的變化趨勢大體相同，隨流速的增大而增加，如圖2所示。在流量從800L/h變化到1000L/h，單位井深均勻換熱量從48.6w/m增加到57.8w/m.，這主要是由于隨著流速的增加，U形管中的湍流就會更強烈，管內水和管壁的對流換熱系數也就會變大，*導致換熱量的增加。但相應的地埋管出口水溫卻相應的降低了0.2℃，過度增大地埋管內流量將會導致地埋管出口水溫達不到熱泵機組的性能參數要求。而且隨著流速的不斷增大，水流經U型管的壓力損失必然會增加，這*增大了循環水泵的揚程。因此地埋管換熱器設計中應選擇合適的流量。
3.2 地埋管類型和管長對單位井深換熱量的影響
圖3為不同類型地埋管在保持進口水溫10℃、流量1000L/h不變的情況下對單位井深換熱量的影響。可以看出，隨著實驗的進行，換熱量的變化趨勢大體相同，但套管(9號井、10號井)和雙U型管(1號井)相應的單位井深換熱量39.6 W/m、39.9 W/m、40.2 W/m相對于單U型管(8號井)的33.6W/m要高出不少。這也受到此井在此之前已經在保持進口水溫8℃條件下運行了70小時導致單位井深換熱量的影響。其中9號井井深(80m)固然大于10號井(60m)，總井深換熱量也高于后者，但單位井深換熱量反而低于后者，這說明總井深換熱量并非是井深的線性關系，管井也并非越深換熱量就越大。因而實際工程設計當中在既定的客觀條件下選擇合適的地埋管類型和深度，當然也可能由此而進步埋管投資。
圖3 不同地埋管類型的單位井深換熱量
3.3進水溫度對單位井深換熱量的影響
從圖2、圖3中可以看出，8號井在相同的實驗條件下只將地埋管進口水溫從8℃進步到10℃，單位井深的換熱量就有明顯的降低。還應該看到的是，當冬季水溫較低，固然可以使換熱得到加強，減小換熱器的設計容量，但同時相應的的熱泵主機換熱條件卻變得惡劣，熱泵機組的COP值會變低，甚至不能正常工作。這就需要在實際工程設計當中根據熱泵機組的出口水溫設計合適的地埋管系統。
四、地埋管測溫/地源熱泵測溫結語
根據本文對地源熱泵系統換熱能力的冬季實驗研究和分析，可以得到如下結論：
1)地埋管進口水溫對單位井深換熱量的影響較大，應根據熱泵機組實際出水溫度確定地埋管系統的設計，而不應片面的以為某一進水溫度下單位井深換熱量具有普遍適應性。
2)地埋管類型和管長影響著單位井深換熱量。
3)地埋管內水的流量對單位井深換熱量有影響，且會引起埋管的出口水溫的變化，從而導致熱泵機組的性能，同時考慮到管內阻力，應設計選取公道的流速。
一、引言
地源熱泵系統中冷/熱源采用地埋管換熱器，這種地熱換熱器與工程中通常碰到的換熱器不同，它不是兩種流體之間的換熱，而是埋管中的流體與固體(土壤)之間的換熱，屬于非穩態，涉及時間跨度很長，空間區域很大，換熱特性對地源熱泵系統性能有決定性的作用，影響著地埋管換熱器設計是否公道，進而決定了地源熱泵系統的經濟性和運行的可靠性。
對于實際工程中常用的垂直U型管地源熱泵系統，影響系統性能因素主要在于地埋管換熱器管長的設計，其設計計算主要采用《地源熱泵系統工程技術規范》中的公式：
由此可見，在換熱負荷一定的條件下U型地埋管長度主要取決于土壤層水文地質和熱物性。由于地埋管處于地下土壤中，屬地下隱蔽工程，其熱物性的丈量不能直接進行，主要是結合導熱反題目和參數估計法來確定。鑒于現場丈量的困難和地埋管鉆井內埋設的不確定性，這些參數的誤差均較大，從而*影響地埋管長度的設計正確性。現對公式(1)、(2)進行變換可得：
假如能夠獲取單位管長換熱量，則可以設計計算地源熱泵系統地埋管的容量，確定熱泵機組參數以及選擇循環泵流量與揚程等。單位管長換熱量假如選擇偏大，必然導致埋管量偏小、埋管內水的進出口溫度難以達到熱泵機組的參數要求，使得機組效率過低，熱泵的制冷、制熱量達不到建筑物需求，導致系統設計不滿足要求。反之，雖滿足要求但初投資過高，地源熱泵系統經濟性降低。由于單位管長換熱量不僅與地下土壤傳熱溫差有很大的關系，而且與地下水位的高低以及土壤中含水量的多少等諸多因素有關，因而需要對實際地源熱泵工程進行現場丈量，方可獲得較的設計參數。
二、實驗裝置簡介
1. 實驗裝置組成
實驗裝置于2006年11月在華中科技大學建筑環境與設備綜合實驗中心建成，同年12月1日投進使用，已經完成原始地溫測試、冬季供熱工況測試。該裝置實驗臺在測試運行期間，工況穩定，運行正常。實驗系統主要有兩部分組成，其裝置配置如圖1所示。
1.1 地埋管部分
該部分主要包括地埋管換熱器、埋管側循環水泵、埋管側膨脹水箱、集水器和分水器，其管路系統與冷熱源機組相連。
地埋管鉆井共11口，編號為1～11。其中1～4號井為雙U型地埋管，5～8號井內設單U型地埋管，9～11號井為套管地埋管。鉆井深度有40m、60m和80m，鉆井直徑200mm，管內循環流體介質為水。各鉆井內埋管換熱器采用并聯方式與地埋管集水器和分水器相連，埋管換熱器頂部至室內的水平埋管沿地溝展設，地溝深0.8m，地溝寬0.5m。
1.2 冷熱源部分
該部分主要包括空氣-水熱泵機組，產生的冷、熱水作為模擬冬季和夏季工況。為防止壓縮機損壞，設置時間繼電器控制壓縮機的啟動。當接通電源后，循環水泵首先啟動運行，在時間繼電器的控制下，壓縮機延時啟動。壓縮機采用壓力控制機制，以便觀察壓縮性能夠在正常范圍內工作。出水位置裝有溫度檢測裝置以便觀察水溫控制是否達到要求。
2. 數據采集
為研究地埋管換熱器的傳熱性能及其運行規律，設置了一套測試系統，根據文獻[2][3][4]選取短的測試時間為70小時。
2.1 溫度測試
溫度是直接反映埋管換熱器傳熱性能的重要參數，主要分為三部分，分別為地埋管壁溫測試、地埋管進出口水溫測試。
① 地埋管壁溫測試
地源熱泵地埋管系統構建時，共4口鉆井(編號5～8號)分別設有單U型管，在5號、6號、8號每個單U型管沿進水支管壁的5個測點分別在埋深5m、10m、20m、30m、40m，在7號每個單U型管沿進水支管壁的7個測點分別在埋深5m、10m、20m、30m、40m、50m、60m。其余的地埋管設有活動丈量管。
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