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    關(guān)鍵詞：地源熱泵；U型管；地埋管換熱器；換熱性能

    0引言

    地源熱泵是一種從土壤、地下水等淺層資源中提取熱量的高效、節(jié)能、環(huán)保的供熱(冷)系統(tǒng)，是目前可以利用的對(duì)環(huán)境最友好和最有效的供冷、供熱方式。影響地源熱泵系統(tǒng)性能的因素很多，其中地埋管換熱器的合理設(shè)計(jì)是當(dāng)前地源熱泵技術(shù)推廣的難點(diǎn)。地埋管換熱器有水平和垂直兩種埋管方式，目前應(yīng)用較多的是單u型管和雙u型豎直地埋管換熱器。本文研究了單U型和雙U型地埋管換熱器換熱性能，對(duì)地埋管換熱器進(jìn)出口水溫、能效系數(shù)進(jìn)行了分析，為在設(shè)計(jì)時(shí)如何選擇地埋管換熱器形式提供理論依據(jù)，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)既節(jié)約初投資，又達(dá)到最好的換熱效果。

    1試驗(yàn)研究現(xiàn)場(chǎng)概況1試驗(yàn)研究現(xiàn)場(chǎng)概況測(cè)試地點(diǎn)：四川省綿陽市。測(cè)試時(shí)間：2013年11月。鉆井?dāng)?shù)目：兩口。鉆井參數(shù)：鉆井直徑為100mm、鉆井間距為4m、鉆井深度為8Om。地埋管參數(shù)：U型地埋管管材為高密度聚乙烯管，其導(dǎo)熱系數(shù)為0．42W／(m·K)，單u管外徑為32mm，內(nèi)徑為26mm；雙u管外徑為25mm，內(nèi)徑為19mm。回填參數(shù)：采用中粗河沙進(jìn)行回填，密度為1019．1kg／m，導(dǎo)熱系數(shù)0．45W／(Ill·K)。管內(nèi)流體參數(shù)：水，密度1000kg／m。，比熱4187J／(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)0．585w／(m·K)。巖土構(gòu)成：?jiǎn)蜺鉆井巖土構(gòu)成如圖1所示，雙u鉆孔巖土構(gòu)成與單u鉆孔基本一致。地下巖層以泥巖和砂巖為主，并有較大的縫隙存在，且由于鉆孔區(qū)域臨近涪江，鉆探勘察探明地下水較豐富，兩鉆井靜止水位均為5m左右。

    2測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)由巖土熱物性測(cè)試儀、銅一康銅熱電偶、膨脹水箱、流量傳感器、溫度傳感器組成。其中巖土熱物性測(cè)試儀中包含有保溫水箱、電加熱器和循環(huán)水泵。在系統(tǒng)供水水管上分別安裝溫度傳感器和流量傳感器用以測(cè)量供水溫度和水流量；在系統(tǒng)回水水管上安裝溫度傳感器，用以測(cè)量回水溫度；在7個(gè)不同鉆井深度隨管埋人銅一康銅熱電偶，用以測(cè)試初始地溫。所有采集數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)經(jīng)處理后輸出。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示，各測(cè)試儀器參數(shù)見表1。為確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性，試驗(yàn)前對(duì)溫度傳感器和流量傳感器進(jìn)行了標(biāo)定和校正，系統(tǒng)連接完成后對(duì)水平連接管段等外露管段進(jìn)行了保溫。

    3測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果

    3．1初始地溫下管回填等一系列成井工序完成至少48小時(shí)后，鉆井內(nèi)溫度恢復(fù)至與周圍巖土溫度基本一致，此時(shí)方可開始測(cè)量初始地溫，利用預(yù)先在7個(gè)不同的鉆井深度埋入的溫度傳感器分別對(duì)兩個(gè)測(cè)孔的初始地溫進(jìn)行了26小時(shí)的連續(xù)測(cè)試，測(cè)試期間室外空氣平均溫度約為25％，測(cè)試得出初始地溫如圖3所示，其值取7個(gè)深度溫度的平均值。單U管測(cè)試井原始地溫為l7．6℃，雙U管測(cè)試井原始地溫為17．69％，兩者相差僅0．09％，可認(rèn)為兩者原始地溫相同。3．2地埋管換熱器能效系數(shù)地埋管換熱器換熱能力用能效系數(shù)E表示：

    式中

    為研究地埋管不同埋管形式下的地埋管換熱器能效系數(shù)，對(duì)單U、雙U兩種地埋管換熱器的換熱情況進(jìn)行了58小時(shí)連續(xù)測(cè)試。測(cè)試時(shí)，加熱水箱中的電加熱器對(duì)兩個(gè)測(cè)試系統(tǒng)給定6kW的恒定加熱量，被加熱后的循環(huán)水經(jīng)過循環(huán)水泵運(yùn)送至地埋管換熱器，再通過地埋管換熱器向周圍土壤放熱，經(jīng)過放熱后的循環(huán)水再次回到加熱水箱中，如此往復(fù)循環(huán)。地埋管供回水溫度、流量等測(cè)試數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄，記錄時(shí)間間隔為l0分鐘。各工況測(cè)試參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見表2；測(cè)試期間地埋管換熱器溫度變化情況如圖4所示；能效系數(shù)隨時(shí)間的變化情況如圖5所示。

    4試驗(yàn)結(jié)果與分析

    4．1供回水水溫分析由表2可知，單U管地埋管換熱器供回水平均溫度為28．49／25．45oC，溫差為3．04oC；雙u管地埋管換熱器供回水平均溫度為27．95／25．30℃，溫差為2．65℃。雙u型地埋管換熱器供回水平均溫差小于單u型地埋管，從溫差講，單u型地埋管換熱器要優(yōu)于雙u型。而雙U型地埋管換熱器回水溫度低于單u型地埋管，在制冷工況下，冷凝器的效率隨回水溫度的降低而升高。由此可知，在其余條件相同的情況下，雙u型地埋管機(jī)組效率應(yīng)高于單u型地埋管，與已有研究結(jié)論相同。從圖4可以看出，單u管地埋管換熱器與雙u管地埋管換熱器供回水溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致。整個(gè)測(cè)試周期內(nèi)，供回水溫度隨時(shí)間持續(xù)升高。測(cè)試初期，供回水水溫變化最大，這是由于土壤的導(dǎo)熱系數(shù)很小，通過地埋管傳至土壤的熱量不能迅速的傳出，使U型管周圍的土壤溫度急劇上升，供回水水溫隨之變化也較大。一段時(shí)間后，供回水溫度變化速度減緩，系統(tǒng)運(yùn)行基本穩(wěn)定，但尚還不能達(dá)到傳熱平衡，此為換熱過渡階段，系統(tǒng)從開機(jī)到過渡階段用時(shí)約為10個(gè)小時(shí)。有研究表明，換熱器與系統(tǒng)之間的傳熱達(dá)到平衡所需時(shí)間約為90天。

    4．2地埋管換熱器單位井深換熱量分析由式(1)計(jì)算得出單u型地埋管換熱器單位井深換熱量為71．93W／m，單位管長(zhǎng)換熱量為35．86W；雙u型地埋管換熱器單位井深換熱量為80．67W／m，單位管長(zhǎng)換熱量為20．15w。在相同規(guī)格的鉆井內(nèi)，雙u型地埋管換熱器布置了兩組u型管，而單u型管換熱器僅布置了一組。雖然雙u型地埋管換熱器熱短路現(xiàn)象較單U管嚴(yán)重，但雙u管的循環(huán)水流量為2．08rn／h，大于單u管1．65rn／h，換熱面積理論上也是單u管的1．56倍。因此，雙u型地埋管單位井深換熱量仍然大于單U型地埋管換熱器，鉆井利用率也更高。

    4．3地埋管換熱器能效系數(shù)分析由式(1)計(jì)算得出單u管平均能效系數(shù)為0．28，雙U管平均能效系數(shù)為0．37。圖5為單u型管換熱器、雙u型管換熱器單位井深換熱率隨時(shí)間的變化。系統(tǒng)運(yùn)行初期，能效系數(shù)最大，隨著時(shí)間逐漸減小。這是由于系統(tǒng)運(yùn)行初期，土壤溫度更加接近初始地溫，地埋管換熱器的傳熱量接近理論傳熱量。隨著時(shí)間的增加，土壤不斷吸收存貯熱量使得土壤本身的溫度上升，地埋管換熱的傳熱量與理論傳熱量差距增大，能效系數(shù)減小。如果系統(tǒng)采用間接運(yùn)行形式，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)土壤溫度升高，能效系數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間下降；而系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，土壤溫度逐漸恢復(fù)，能效系數(shù)再次升高。因此，間接運(yùn)行可提高能效系數(shù)。

    5結(jié)論1)在其他條件相同情況下，單u型地埋管換熱器供回水溫差大于雙u型地埋管換熱器、回水溫度高于雙U型地埋管換熱器，從溫差講，單u型地埋管換熱器要優(yōu)于雙u型；但從回水溫度講，雙u型地埋管換熱器熱泵機(jī)組運(yùn)行效率要高于單u型地埋管換熱器。2)在負(fù)荷一定情況下，單u型地埋管換熱器單位井深換熱量小于雙u型地埋管；單位管長(zhǎng)換熱量大于雙u型地埋管；雙u型地埋管換熱器鉆井利用率較單u型高，使用雙u型地埋管換熱器在同樣負(fù)荷情況下可減少鉆井?dāng)?shù)量，但會(huì)增加管材使用量，對(duì)于地質(zhì)堅(jiān)硬、鉆孔打井費(fèi)用比較高的地區(qū)和埋管區(qū)域受限制場(chǎng)所，可以考慮使用雙u型地埋管。3)本工程中單U型地埋管換熱器平均能效系數(shù)為0．28，雙U型為0．37。整個(gè)運(yùn)行過程中，雙U型地埋管換熱器能效系數(shù)大于單u型；隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)問的增加，埋管周圍土壤溫度升高，能效系數(shù)減小。因此，問接運(yùn)行有利于土壤溫度恢復(fù)，可提高整體能效系數(shù)。