热响应测试实例及问题分析

20l1Vol 6 No. 3席雪萍等:热响应测试实例及问题分析第6卷第3期热响应测试实例及向题分析席雪萍,孙振营天津市地质工程勐察院,天津300191)摘要:地埋管地源热泵系统开发利用前景广阔,本文尝试釆用基于圆柱热源理论的柱模型,在天津市海县团泊新城,为某竖直地埋管建设項目设计了2鉏取热和2组排热工况热响应测试试验,为地源热泵系统优化设计与节能运行,提供了必要的数据依据。同时我们还总结了热响应测试过程中应该注意的问题,为以后工作提供了建议。关键词:地源热泵:圆柱热源理论;热响应中图分类号:TK521.2文献标识码:A文章编号:1007-1903(2011)03-0049-0浅层地热能属于清洁、可再生资源。地埋管地源论;1954年 ingersoll等人对其进行了进一步的闸述热泵系统,由于量大面广,具有广阔的开发利用前景1991年经过 Derman和 Kavanaugh改进,理论更加趋现场热响应測试是地埋管地源热泵系统开发利用于完善:200l年 Bernier改进模型可用于变流量的情浅层地热能资源的首要技术程序,通过现场试验,可形;现今,还有很多学者对算法进行硏究,使得计算以掌握浅层土壤在外界热激励作用下的动态响应过程过程更为快捷,计算精度也更高。本文计算主要参考获得土壤初始温度、热物性参数以及地下换热规律了 Louis lamarche等人最近提出的改进G函数模型为地源热泵系统优化设计与节能运行提供必要的数据计算公式如下。依据。地下换热量q(W/m)是根据流量和进出口温差获得本文采用基于圆柱热源理论的柱模型,在天津市的,即静海县团泊新城,为某竖直地埋管建设项目设计了2组取热和2组排热工况热响应测试试验,测试结果得H到了专家认可,并且与室内热物性参数测试结果基本致。同时我们还总结了热响应测试过程中应该注意对于钻孔内稳态传热过程,满足:的问题,为以后工作提供了建议。t -tB=qRD1测试原理热响应试验在理论上可以归结为在一定热流边界条件下的非稳态传热问题,其数学模型包括基于线热(3)源理论的线模型和基于圆柱热源理论的柱模型。与线在钻孔传热分析中,G函数定义如下:热源模型相比,圆柱热源模型考虑了埋地换热器内部流体换热在内的整个钻孔传热热过程,以及回填影响、1-=n2G(,月(4)不均匀热流、热短路等诸多因素,更加能够准确反映中国煤化工埋地换热器与周围岩土的真实换热状况。本文采用基GltCNMHG+ ercudz-D-D于圆柱热源理论的柱模型。1947年 Carslaw和 Jaeger首次提出了圆柱热源理(5)201l2011第6卷第3期技术应用Vo1. 6 No. 3√m2+r(y√P2+1)-B数(WmK),K为循环介质与U形管内壁的对流换热y2(2+1)-y202系数(Wm2K),D为地埋管两根管子的中心距(m,t为平均土壤初始温度(℃C),rb为钻孔半径(m),τ为计B算时间(s),α为热扩散系数(m2/s),λ为土壤热导率(WmK),e为误差函数,Gt)为G函数。Dn=√B2+ler√P2+1)-0.0erk(y)+为了计算方便,求解G函数及换热实验结果处理2+4yr(y√B+4)-r(-0.s(e"+ep"均通过编制程序来完成。B(7)2测试装置其中:B=/H,t=1,=H,y=3/2F测试装置主要由控制主机和测量系统两部分组成主机部分的结构原理见图1所示。其中加热功能主要由上可知,只要通过土壤换热实验获得了地下换依靠盘管加热器,冷却功能由压缩机、冷凝器、膨胀热量q和流体平均温度之间的关系,就可以进一步阀和蒸发器组成的封闭制冷循环来完成。测量参数主通过参数估计法来获得土壤的导热系数。要包括进出口温度以及流量,其中温度通过Pt1000型铂电阻测量,测量精度为0.1℃;流量通过电磁式流量计测量,测量精度为0001m3/h。RF(B)(8)在本次地下换热实验中,埋地换热器的平均流体温度变化范围为25~32℃和5~10℃,这与地源公式中;m为质量流量(kgs),cn为定压比热(J热泵系统的实际运行工况基本接近。在实验过程中kgK),H为埋地换热器的有效深度(m),t和t分别先后测定埋地换热器的取热和排热能力,并且通过地为进口/出口水温(℃),t为流体平均温度(℃C),且下换热量随流体平均温度的线性变化的拟合方程来r=(t+t)2b为钻孔壁温度(℃),R为钻孔总热阻(mK/确定测试数据的有效性。一般要求回归系数R2大于W),d,为埋管内径(m),d,为埋管外径(m),d为钻孔0.85~0.90范围,否则表明测试结果严重偏离线性关直径(m),λ埋管管壁导热系数(W(mK),λ钴孔回系,则需通过方差分析确定补做试验工况,以保证测填材料导热系数(w(mK),λ,埋管周围岩土的导热系试数据的可靠性。11钻孔5回填材率7 PID中国煤化工图1埋地换热器试CNMHG水箱;2—测试仪壳体;3——埋地换热器循环泵:5—加热器:6—蒸发7——一控制器;8—压缩机;9——膨胀阀:10—冷凝器:11——冷却风机20112011Vol 6 No. 3席雪萍等:热响应测试实例及问题分析第6卷第3期3热响应测试表1换热孔地下换热实验结果一览表进口温度出口温平均流量换热量(1)场地条件5.051.0248-33.81建设项目位于天津市静海县团泊新城规划区内取热-m7.5110.361.0197-28.21拟建物为1~3层的连排商业楼,换热系统供给建排热24.1621.56037531.99筑面积为33000m2,竖直地埋管拟釆用双U管,孔排热28,21.0168径260mm,深度100m;场地地势平坦,地面标高15~2.34m;地面无植被、排水沟和电信电缆;地层为第四系松散沉积层,岩性以粉质粘土和粉砂为主,0。0土质不均,平均密度2021kgm3,平均含水量242%,基本处于饱和状态;浅层地下水水位埋深一般在竖6=gmmp1.0~20m,水位动态为降水渗入蒸发型,同时受人工开采的影响:地下水以垂直越流运动为主,水平径流02410121416182022缓慢(2)热响应试验设计(a)取热工况-根据工程特点和工程地质、水文地质条件,在地埋管拟建场地相近位置布置一个Φ108mm取样孔-进口乱度和一个φ260mm热响应测试孔,钻探、取样、实验、水压试验和测试均按有关规范严格操作。原状取样已孔用于査明岩土体结构,做常规物理力学试验以及不同岩性土层的热物性参数。热响应测试孔成孔后下U型管前,进行视电阻率和自然电位测井,划分咸淡水界面;测井完成后埋设DN32双U型HDPE(b)取热工况Ⅱl埋地换热器,回填为原浆材料;通过循环法获得测试地点的土壤初始温度;采用恒温法对换热孔实施2进1温度换法盐组取热和2组排热工况试验,以反映埋地换热器的实际工作性能(3)热响应测试热响应测试共分为3个工况:空转、取热和排热024681012141618202224工况。空转工况用于测试土壤的平均温度,取热工况和排热工况用于测试土壤换热能力(c)排热工况-在不开启加热或制冷装置条件下,而仅依靠循环泵来维持地埋管换热器环路循环,经过12小时后,测得土壤的初始温度稳定为15.18℃,换热孔进行了2组取热和2组排热工况,测试结果见表1和图2所示。取热工况下,随着进口温度的进口溢度减小,地下换热量呈逐渐增大趋势;对于排热工况随着进口温度的增加,地下换热量呈逐渐增大趋势。“+-”符号代表传热的方向,其中“-”代表由土壤向V中国煤化工埋管传热,“+”代表由埋管向土壤传热CNMHG图2换热孔地下换热特性实验结果图201l2011第6卷第3期技术应用Vo1.6 No. 3根据表1绘制出地下换热量q随埋地换热器管内性变化,实验室分析误差,现场试验效果和模型误差。流体平均温度的变化关系(见图3)。一般而言,曲线斜率越大,土壤的热传导性能越好,地下换热量越大5问题分析本次换热孔地下换热量满足以下实验方程q=4.0973t6268(R=0.9972)在试验过程中,以下事项必须引起注意:通过以上方程,即可以掌握埋地换热器在不同运用于室内岩士热物性参数测试的土样建议采用三行温度下的地下换热量,从而为地源热泵系统的进管单动取样器,这样可以长时间保持土样的水分,保步优化设计提供指导依据。根据上述实验数据与方程,证试验的精准度;若采用普通敞口取土器,土样在运计算获得土壤导热系数输和待检过程中可能严重失水,造成土样不饱和,使3=149±005W(m℃)(10)得室内热物性参数测试结果严重偏小,经过失败实例调查,有的结果甚至偏小50%以上。天津大部分地区岩性以粉质粘土和粉土为主,因50k=4.097,-B2.68gR=0.9972此用于电阻率测井的换热孔,施工时要进行护壁处理,30否则钻孔可能很快淤实或塌井,造成测井的测绳无法夏季工况顺利下入。本次工作中,原本打算在取样孔中完成电阻率测井,由于没有护壁,完成钻探30分钟后,电阻10原始姓温率测绳放入不到5m就无法继续地埋管的长度是预先设计好的,换热孔钻探深度冬季工况比试验要求深度不能大于0.5m,否则埋管后,在重力202530作用下埋管可能严重下沉,甚至管口低于地面高度,流体平均温度(℃)给试验带来不便。经过失败实例调查,当钻探深度大图3地下换热量随管内流体平均温度的变化关系图于地埋管长度时,地埋管下入后,有时采取了固定措施,都无法阻止地埋管下沉,严重时甚至无法将管再次提起4结论地埋管原浆回填一定要按照规范严格执行,反对为了偷工减料,直接用稀泥浆回填,否则将严重影响本文基于圆柱热源理论,进行了某建设项目的热试验效果。根据失败实例分析,这种用稀泥浆回填的孔,响应试验,为地源热泵系统优化设计与节能运行提供定时间后多半地面会产生塌陷,而且试验结果偏小必要的数据依据本文是在现场热响应测试实际工作中的粗浅认识根据室内岩土热物性参数测试和土工试验结果分希望与其他学者和工作人员共同探讨,在地源热泵系析,取样孔平均导热系数1.58w(mK);地层综合热统硏究领域取得进步。扩散率为0.35×10m2/s;利用电阻率测井,得出咸淡水界面在埋深5m处:在当前测试季节下,土壤的平参考文献均初始温度为15.18℃;垂直地埋管孔深100m,孔径260mm,采用双U型管换热器,利用原浆回填,换热1] A new contribution to the finite line- source model for孔取热工况下换热量为-2821~33.81W/m,排热工 geothermal boreholes. Lamarche L, Beauchamp E. Energy况下换热量为31.99~4262W/m,土壤平均导热系数 and Buildings.2007,39(2):188~1981.49±0.05W/(m℃)。[2 Impdy of thermal中国煤化工对比室内岩土热物性参数测试和现场热响应测试test forof ground source heat结果,两者偏离6%,满足试验要求。产生偏差的因素CNMHpumpgying Qi Renewable主要包括钻孔取样、封装及运输过程中引起的土样物Energy.35(2010):727~73320112011Vol6 No. 3席雪萍等:热响应测试实例及问题分析第6卷第3期3]涂爱民,董华等,基于圆柱源理论模型的U型埋管换[4]赵军,段征强等.基于圆柱热源模型的现场测量地热器的模拟研究.太阳能学报,200627(3)260~26下岩土热物性方法.太阳能学报,2006,27(9)934~936Research on Example of Thermal response Test and Its problemsXueping Sun Zhenyin(Tianjingute of Geological Engineering, Tianjing 300191)designed two heat-extraction and two heat-injection thermal response tests which are based on cylindrical heatsource theory for some vertical buried tube building project in Tianjin Tuanbo New City. The tests provideimportant data for optimal design and energy-saving operation. The test results are accepted by experts, andconsistent with parameters of thermal properties in laboratory. At the same time, we summarizes problems whichneed taking care in thermal response test processes. And it can supply invaluable opinions and suggestions infuture workKeywords: Ground source heat pump; Cylindrical heat source theory; Thermal response test项高精度多手段区域工程地质成果显示北京11个规划新城适宜建设本刊讯(滕艳段金平)4月13日,记者从通过评审的《北京规划新城前期区域工程地质勘查评价报告》中获悉,北京市∏Ⅰ个规划新城的工程地质条件及场地稳定性较好,适宜于场地建设。中国科学院院士李廷栋等专家认为,项目成果总体达到国际领先水平,不仅为北京市建成现代化、国际化大城市提供了重要地质依据,而且对全国其他大城市建设及城市地质工作也具有重要借鉴价值。《北京规划新城前期区域工程地质勘查评价》项目由北京市地勘局承担,包括《北京规划新城及重大工程前期区域工程地质勘查(顺义、通州、亦庄)》和《北京大兴等8个规划新城前期区域工程地质勘查》两个子项目和11个专题项目,总经费6050.97万元。据该项目是北京首次开展的大范围、高精度、多手段新城区域工程地质勘查工作,旨在通过在北京顺义、通州、亦庄、大兴、房山、门头沟、昌平、密云、怀柔、平谷、延庆11个规划新城开展前期基础地质、环境地质和工程地质调查,对规划新城范围内可能存在的各种地质问题进行详细研究和评价,提出科学合理的防治措施,保证新城建设的安全,并为新城规划提供科学依据。历时4年攻关,项目组对1个规划新城的工程地质条件、地质灾害危险性、建设场地稳定性、工程建设适宜性、地下空间开发利用条件等,进行了勘查评价研究,认为11中国煤化工牛及场地稳定性较好,适宜于场地建设,并获得多项成果。CNMHG