地源热泵地下换热系统热响应测试及分析

2009年第37卷第8期流体机械文章编号:1005-0329(2009)08-0063-03地源热泵地下换热系统热响应测试及分析李芃,王健',陈汝东,雷刚(1同济大学,上海20009;2.华美中能科技工程公司,四川成都610042)摘要:土壤源热泵的应用具有地域特性,不仅不同地区应用情况不同,就是同一地区因地质条件的差异而有所不同所以土壤特性的测试工作十分重要。本文根据上海某展示中心项目地下换热系统测试,对地埋管换热器系统的热响应进行了测试和分析。关键词:土壤源热泵;节能;地下换热系统测试中图分类号:T051.5文献标识码:Adoi:10.3969/j.isn.1005-0329.2009.08.016Test and Analysis of Thermal Response of the Ground Heat Exchanger System Usedin the ground Source Heat PumpLI Peng, WANG Jian, CHEN Ru-dong, LEI Gang'(1. Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Huamei Zhongneng Technology Co., Ltd, Chengdu 610042, China)Abstract: The application of ground source heat pump is of geographical features, not only the application is different in thedifferent regions, but also in the same region for the different geological conditions. So the test of the soil characteristics is veryimportant. In this paper, the ground heat exchanger system design advice is provided according to a ground heat exchanger systemtest of a Shanghai Exhibition Center projectsKey words: ground-source heat pump; energy conservation; the ground heatnger system test前言以土壤特性的测试工作十分重要33),但现在测试方法和设计方法的不完善,使得系统的实际运土壤源热泵通过循环液在封闭的地下埋管中行状况并不理想,多数选择大容量的地埋管系统,流动,与地下岩土进行热量交换。对于竖直埋管,造成投资的提高及资源的浪费。钻孔深度一般为60~100m,而地温在20m之下基2006年1月1日实施的中华人民共和国国家本常年不变,年平均温度一般高于当地大气平均标准—《地源热泵系统工程技术规范》GB50366温度的2~6℃,这使得地下岩土层冬暖夏凉,可以-2005规定2,地埋管换热器设计计算宜根据为建筑空调和供热提供较多的能量。相对于空气现场实测岩土体及回填料热物性参数,采用专用源热泵,克服了室外温度与需热(冷量)相矛盾的软件进行;或根据规范附录的系列公式进行。根缺点效率大大提高。另外不受地下水和地表水据国际上通行的标准和方法,测试的目的是地资源的限制,只需占用一定的埋管空间使用更为下岩土体的热物性,应提供专业软件设计或公式灵活。手工设计地埋管换热器所需的参数。土壤源热泵地下埋管的安装需要钻孔、挖沟、为了正确进行地埋管换热器系统设计,必须灌浆等工序,初投资较高,但运行费用相对较低,搞好地下换热系统测试投资回收期多在3年之内。土壤源热泵的应用具有地域特性,不仅不同地区应用情况不同,就是2中国煤化工同一地区会因为地质条件的差异而有所不同,所YHCNMHG收稿日期:2000-20修稿日期:200007-27FLUID MACHINERYVol.37,No.8,2009上海某展示中心项目,共有4层,因地源热泵表1工程场区主要岩土层结构工程建设的需要,进行地源热泵地下换热器热交成因年代岩性层底标高换效率测试工作,以取得相关的地层热物性参数,人工堆积层杂素填土泥粘土使空调设计符合工程的需求。我们受业主委托,暗浜土、粉质粘土进行了测试工作粉质粘土粉质粘土-10根据 IGSHPA的工程标准,地下换热器热响粉质粘土应测试将分为两个阶段:第一阶段,工程实施前的第四纪粉质粘土测试,收集和校核基本设计参数;第二阶段,工程沉积层粉质粘土一草黄色粉砂实施中的测试校核和检验设计参数和施工效果。灰黄色粉细砂50508本工程测试孔布置2个,采用地质钻机打孔青灰色粉细砂孔深105m,孔径不小于150mm,在孔内安装青灰色细砂夹砾石HDPEΦ32等效U型管,深度100m测试采用专用测试仪,分别对换热井进行地由图1,图2可看出水泵流量基本稳定在温测试,每15m一个测点,对不同深度的地层温1.6m3/h,电功率保持稳定为6kW。度进行测量。采用专业软件及计算机数据采集仪记录试验温度、流量、压力时间等随时自动存储通逍4数据。连续测试时间不少于24h,累计时间不少于72h2.1工程拟建场地地质条件该拟建场地位于长江三角洲入海口东南前第二天114040第三天11:4040缘,其地貌属于上海地区四大地貌单元中的滨海平原类型。该拟建场地内的最大勘察深度为图1水泵流量曲线105m,在此深度范围内的地基土均属第四纪松散沉积物,土壤类型主要为粘土、素填土粉质粘土、通道3淤泥质粘土和粉砂、粗砂等。该拟建场地浅部土层中的地下水属于潜水类型,其水位动态变化主要受控于大气降水和地面蒸发等,并随气候的变化而变化。114040第二天114048第三天1:4048使用专用设备进行土壤热响应试验2测试流程图2电功率曲线采用1台钻机进行测试孔井钻井取样,下管图3中未扰动土壤温度随测试深度增加而升施工,循环管接至测试仪器。弃热试验持续时间高,由10m深度处的14.4℃升至100m处的为72h。其中地下未扰动土壤原始温度采集24h;17.9℃,这是由于测试过程中模拟空调运行工况,采用1套6kW电加热器对水进行加热,再进入地通过循环水不断向地下放热所致。埋管循环,定流量1.6m3/h,48h连续不断运转采集地埋管供回水温度。2.3数据分析2.3.1工程场区主要岩土层结构如表1所示。23.2热响应测试数据采集图1~5分别为采用专业软件及计算机数据采集仪记录的试验过程中水泵流量,电功率,未扰中国煤化工动土壤温度,供回水温度和土壤探头温度变化曲CNMHG线图。图中数据随时自动存储,连续测试时间不少于24h,累计时间不少于72h图3未扰动土壤温度曲线2009年第37卷第8期流体机械65图4中供回水温度在测试开始时,升高较快,相应的图5中土壤探头温度也是在测试开始在开机的前4h内从15℃分别升高至22℃和19℃时,升高较快,在开机的前4h内从15℃升高至左右;在后面的8h内从22℃和19℃分别升高至22℃左右;在后面的8h内从22℃升高至26℃左26℃和22℃,然后基本在30℃和26℃左右,达到右,然后基本在30℃左右,达到稳定状态。这是稳定状态由于刚开机时,地下土壤温度较低,与空调的冷却水温差较大,因此导致了地下土壤温度,供回水温度迅速升高。在运行一段时间后,当地下土壤温度与空调的冷却水温差不断减小,循环水向埋管通道2周围地下土壤放热和埋管周围地下土壤向远处土通道1壤散热逐渐达到动态平衡,此时地下土壤温度,供回水温度基本稳定。114040第二天141040第三天14040图4供回水温度曲线3结论和建议3.1结论通道6、9、10、13、14(1)工程场区处于横砂河冲洪积扇的中部第四系松散沉积层厚度变化较大,在40~125m左右;(2)根据本次钻孔资料和对场区内已有工程地质资料的调查分析,按成因年代,将钻探深度114040第二天114040第三天11:40(最大孔深105m)范围内的地层划分为人工堆积层、第四系、第三系、侏罗系地层。地层岩性及各图5测试过程中土壤探头温度变化曲线土层物理性质指标统计结果如表2所示;表2地层岩性及各土层物理性质指标统计名称类型热导率W/(m·K)热扩散率(x10·m2/s)密度(kg/m)致密粘土(含水率15%)1.4~1.90.49-0.711925致密粘土(含水率5%)1.0~1.40.51-0.71轻质粘土(含水率15%)0.7~1.00.54~0.641285轻质粘土(含水率5%)0.5~0.90.65致密砂土(含水率15%)2,8-3.80.97-1.271925致密砂土(含水率5%)2.1-2.31.10-1.621925轻质砂土(含水率15%)1.0~2.1轻质砂土(含水率5%)0.9~1.9(3)综合工程场区2个测试孔地层热物性现温能的开发利用。场测试结果和地层热物性参数经验值,得出工程3.2建议场区岩土体热传导系数在1.2~2.3W/(m·K)(1)本次勘探成果表明,工程场区在基岩隆之间,具有良好的热传导能力各测试孔地层热物起区之外,埋深在85m以下的地层中分布有青灰性参数(测试深度下值):根据1°井(100m)采集色细砂夹砾石层,砂砾石层具有塌陷特性,换热孔数据计算得到土壤导热系数为1.86W/(m·K);应避免揭露该层,避免诱发塌陷。建议进行地埋根据2”井(100m)采集数据计算得到土壤导热系管设中国煤化工数为1.98W/(m·K);很差,在地埋(4)工程场区浅层地温能综合评估表明,工管施NMH(量,可适量增加程场区的场地条件、地质条件以及地层热传导条水泥增强凝固起封孔作用避免造成深部含水件均适合采用竖直埋管地源热泵系统进行浅层地层的进一步污染(下转第48页)FLUID MACHINERYol.37,No.8,2009于2004年12月成功运转,至今已40个月,在此率基本对应,并且处于效率较高的状态能够满足期间因检修等原因又停启7次,并将两系统的热装置需要和设备的要求。并对泵体及轴承的振动水罐V-1801、V-1802的灌泵压力提高到进行了测量,均在正常范围之内,说明增大了泵体6MPa,温度提高至158℃,运转效果良好,再未出叶轮密封环与壳体密封环的间隙后泵的性能并没现过此类问题。有受到较大的影响,这种方法是成功的。增大了泵体叶轮密封环与壳体密封环的间隙后,势必会对泵的流量及效率产生影响,对二级热5结语水系统的二级热水泵P-1802A的流量、压差、功率效率进行了测量和计算,测量结果及计算结果大功率热水泵因为运转的介质为具有较高压见表2。力和温度的饱和状态下的水,并且功率高、流量表2二级热水泵测量结果及计算结果21大,操作条件苛刻,灌泵时易产生液击及泵抱轴的泵位号P-1802AP-1802AP-1802A故障,造成热水泵无法正常运行。测量时间206.2.2206.2.242002.28通过对机泵灌泵时缓慢、逐步地开泵入口阀流量(m3/)3.689×103.610-13.679×101并使水流顺畅对泵体采用分阶段缓慢升温以及工作电压(V)6000合理改变泵的结构等方法不仅成功地解决了上述作电流(A)898589.66问题,而且取得了较好的经济效益入口压力(Pa1.104×101.101×1051.102×10出口压力(Pa)2.632×102.627×10|2.629×10入口温度(℃泵的工作状况正常正常N功率(W)7.4×1037.92×103797×103[1]陈允中,曹占友,邓国强,等译.泵手册(第三版)N轴功率(W)5.52x1035.48×103551×103[M].北京:中国石化出版社,2003H扬程(Jkg)17443174.33[2]魏钟,夏英杰轻化工机器[M].北京:中国轻工业η效率出版社,1994通过测量及计算可以证明,增大了泵体叶轮作者简介:范铁生(1980-),男,本科,主要从事石化行业机械密封环与壳体密封环的间隙后,泵实际的流量与设备的使用与管理工作,通讯地址:163714黑龙江大庆市中国石泵出厂时标定的性能曲线上的效率、扬程以及功油大庆石化公司塑料厂高压二车间(上接第65页)3)在建筑基础下,采用PHC管桩多U型埋[4]国际地源热泵协会闭环地源热泵系统设计与安管,减少循环孔数量,充分利用地下空间,降低工装指南[Z]程成本;[5] Li Peng, Qiu Zhong-Zhu. Studies on refrigerating per-(4)建议采用双U25设计,采用水力分配器formance of the Ground Heat Pump with U - shaped进行流量平衡,并采用高压灌浆回填,提高系统可vertical loop of pipe[ A]. Proceedings of IntemationalSymposium on ACHR[ C]. Shanghai, 2000. 28-34靠性[6]李芃,仇中柱.垂直埋管式土壤源热泵埋管周围土参考文献壤温度场的数值模拟[J].建筑热能通风空调,2000,19(4):1-4[1]徐伟.地源热泵工程技术指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2001[2]中园建筑科学研究院.GB50366-2005地源热泵系YH中国煤化工要从事空调制冷系统统工程技术规范[S]设计同济大学制冷与热工[3]GB50189-2005.公共建筑节能设计标准[S]CNMHG