理論與實(shí)踐:寒冷地區(qū)埋管式地源熱泵系統(tǒng)熱平衡分析
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
作者：鄭曉敏
埋管式地源熱泵技術(shù)是一種利用地表淺層地?zé)豳Y源的高效節(jié)能環(huán)保技術(shù)。隨著埋管式地源熱泵技術(shù)的快速發(fā)展，巖土體熱失衡問題已成為制約該技術(shù)發(fā)展的瓶頸。一般來說，在地表10 m以下的巖土體溫度可以保持長年穩(wěn)定分布：巖土體溫度變化狀況是巖土體熱量是否平衡的反映。地埋管與巖土體的傳熱過程是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，影響巖土體熱平衡問題的因素很多。國內(nèi)外的專家學(xué)者針對(duì)埋管式地源熱泵系統(tǒng)的熱平衡問題開展了大量研究二徐輝對(duì)夏熱冬冷地區(qū)某市的實(shí)際工程案例進(jìn)行了分析，認(rèn)為地源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題是由建筑的冷熱負(fù)荷決定的。馬宏權(quán)對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的武漢市某住宅小區(qū)的埋管式地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了分析，認(rèn)為影響巖土體熱失衡的兩個(gè)最主要因素是單位地埋管換熱器鉆孔深度年運(yùn)行熱凈差和地埋管換熱器的布置間距。姚靈鋒對(duì)寒冷地區(qū)的鄭州市某花卉市場的地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了分析，認(rèn)為地源熱泵系統(tǒng)熱失衡問題是由夏季累積釋熱量與冬季累積吸熱量的不平
衡率所決定的。Rottmayer S P對(duì)巖土體熱平衡與孔深關(guān)系的研究表明：當(dāng)夏季向地下釋熱累計(jì)量與冬季從地下吸熱累計(jì)量均衡時(shí)，孔深不隨運(yùn)行時(shí)間變化：當(dāng)夏季向地下累計(jì)釋熱量與冬季從地下累計(jì)吸熱量不均衡時(shí)，地埋管換熱器的熱性能下降：隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，所需的設(shè)計(jì)孔深呈對(duì)數(shù)曲線增大。Michel AB通過模擬分析認(rèn)為．巖土體的熱平衡是個(gè)復(fù)雜多變的過程，它與復(fù)雜的分層地質(zhì)差異多變的地下水含量與流速、長期運(yùn)行空調(diào)逐時(shí)負(fù)荷的變化等儲(chǔ)多微觀因素有關(guān)，對(duì)其量化分析存在理論上的困難。
我國地域遼闊，巨大的地域差異造成室外氣象參數(shù)差別較大，大部分地區(qū)的建筑物全年累計(jì)冷熱負(fù)荷不平衡。目前，未見黃土高原寒冷地區(qū)埋管式地源熱泵系統(tǒng)熱平衡問題的研究報(bào)道。本文通過對(duì)在黃土高原寒冷地區(qū)應(yīng)用的某埋管式地源熱泵系統(tǒng)的巖土體溫度進(jìn)行研究及分析認(rèn)為，不能簡單地以全年累計(jì)冷熱負(fù)荷的大小來評(píng)判巖土體的熱平衡性以及確定埋管式地源熱泵的適用性，還應(yīng)考慮巖土體的溫度恢復(fù)特性。
1試驗(yàn)簡介
埋管式地源熱泵系統(tǒng)工程位于山西省呂梁山某高速公路站區(qū)，屬于黃土高原寒冷地區(qū)。該站區(qū)總空調(diào)面積為3 500 m2，系統(tǒng)末端為風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)。地埋管側(cè)共有82口直徑為150 mm，深度為70 m的換熱井，在井深40 m左右為含水層二換熱井布置方式為等間距陣列布置，井間距為4.5 m;埋管形式采用單U型豎直埋管，U型管采用外徑為32 mm的PE管，各井內(nèi)U型埋管采用同程方式連接。
為全面測試埋管式地源熱泵系統(tǒng)的溫度變化規(guī)律，選取3x3矩陣排列的9口換熱井單元所包圍的巖土體容積為研究試驗(yàn)區(qū)域。其中，中心處換熱井定義為A井，其余8口換熱井分別定義為1~8號(hào)井。在換熱井A周圍另鉆取3口測試井B，C，D。測試井的大小、深度與換熱井A完全相同，但僅用于埋設(shè)巖土體溫度傳感器（圖1）。
溫度傳感器的測量范圍為-55～125℃，測量精度的一致性達(dá)到+-0.1 0C，分辨率為0.062 5℃。溫度傳感器埋設(shè)前，用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)進(jìn)行了校驗(yàn)。在本試驗(yàn)系統(tǒng)測試中，溫度測試范圍為8.87～16.55℃，因此溫度測試誤差最大值為
在換熱井A的供回水管外側(cè)分別綁設(shè)第I，Ⅱ組溫度傳感器，每組均有8個(gè)溫度傳感器，從U型管最底端（即地下70 m處）往上，每隔10 m綁1個(gè)溫度傳感器。測試井B，C，D內(nèi)所埋直管上分別綁設(shè)第Ⅲ，IV，V組溫度傳感器，綁定方式與換熱井A相同（圖2）：利用所埋的溫度傳感器對(duì)井A，B，C，D內(nèi)的巖土體溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。
試驗(yàn)的監(jiān)控為實(shí)時(shí)監(jiān)控，利用自行開發(fā)的人機(jī)友好界面的E nview監(jiān)控系統(tǒng)軟件，對(duì)整個(gè)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行可視化的監(jiān)控。監(jiān)測所得的巖土體溫度數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控機(jī)房，數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)后，再通過通訊轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)傳至電腦并自動(dòng)記錄。
2巖土體溫度響應(yīng)特性分析
在系統(tǒng)運(yùn)行前，測得換熱井A供回水管外側(cè)、測試井B，C，D各深度處巖土體的原始溫度分布（表1）。
圖3為供冷初期間歇制冷運(yùn)行的40 h內(nèi)，換熱井A供水管外側(cè)巖土體的逐時(shí)溫度。在開機(jī)初始階段1～6 h，管壁處巖土體的溫度隨時(shí)間變化得很快，達(dá)到穩(wěn)定溫度的95%，然后變化緩慢，經(jīng)過30 h后其溫度趨于穩(wěn)定，溫度波動(dòng)幅度為0.18—0.38℃，巖土體的平均溫升率為0.093 0C/h。
供冷期結(jié)束后，巖土體溫度開始恢復(fù)。圖4為停機(jī)后換熱井A供水管外側(cè)不同深度處巖土體的逐時(shí)溫度。
由表2可見，隨著恢復(fù)時(shí)間的增加，巖土體的恢復(fù)率逐漸升高，巖土體的溫度逐漸趨于原始溫度。在停機(jī)120 h后，換熱井-10，-20，-30,-40，-50，-60，-70 m處的恢復(fù)率分別為66.9%．68.9%, 67.5%, 74.4%， 76.0%， 78.2%,88.4 %，可見巖土體的溫度恢復(fù)較好。隨著恢復(fù)時(shí)間的繼續(xù)增加，巖土體的恢復(fù)率會(huì)繼續(xù)逐漸增大。此外，隨著恢復(fù)時(shí)間的增加，巖土體的恢復(fù)速率逐漸降低，巖土體的恢復(fù)能力逐漸下降，溫度逐漸趨于平緩。若以17 h計(jì)，管壁巖土體溫度場的恢復(fù)速率為0.081~0.1580C/h。巖土體前期(0<t≤17 h)的�；謴�(fù)能力約為后期(t>82 h)的80倍�？梢�，前期的，恢復(fù)能力對(duì)系統(tǒng)間歇運(yùn)行有利，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可由巖土體的恢復(fù)特性去考慮埋管式地源熱泵系統(tǒng)間歇運(yùn)行的停機(jī)時(shí)間。
3巖土體熱平衡分析
由以上分析可知：該試驗(yàn)工程的巖土體溫度響應(yīng)較快，恢復(fù)能力也較好。巖土體的恢復(fù)特性直接關(guān)系著巖土體的熱平衡問題，巖土體恢復(fù)特性越好，越利于巖土體的熱平衡。這是影響埋管式地源熱泵工程巖土體熱平衡的一個(gè)重要因素，決定了該埋管式地源熱泵系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。
本文整理了該系統(tǒng)從2010年冬季投入運(yùn)行到2012年夏季的監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了分析。熱泵系統(tǒng)在供熱期和供冷期均采用啟停比為7：9的間歇運(yùn)行。圖5給出了在各運(yùn)行期結(jié)束時(shí)，不同深度處，換熱井A供水管外側(cè)巖土體的終溫。
從圖5可以看出，巖土體溫度接近于以年為周期正弦規(guī)律的變化，在供冷期1到恢復(fù)期2的蓄熱階段，溫度逐漸升高；在取熱階段，溫度逐漸降低．在各運(yùn)行期結(jié)束時(shí)，換熱井A的供水管外側(cè)巖土體的終溫最高值出現(xiàn)在供冷期1終了時(shí)，-10．-20， -30， -40，-50，-60, -70 m處的終溫最高值分別為14.73，15.60，14.72，15.03，15.82，16.55,15.10℃；終溫最低值出現(xiàn)在供熱期1終了時(shí)，-10，-20，-30，-40,-50，-60，-70 m處的終溫最低值分別為8.87，9.40，9.44，9.14，9.57，9.63，9.91 0C。供水管外側(cè)除了-40 m外，其他各層巖土體溫度基本隨深度增加而升高。-40 m處巖土體溫升的斜率較其他深度小，溫降的斜率較其他深
度大，其原因是-40 m左右的巖土體為含水層，含水層的回填材料的平均比熱容較大，滲流作用較強(qiáng)，熱量向周圍散失較快，導(dǎo)致該處溫度梯度較大。
由圖5可得，巖土體的溫度在供冷期1升高得較快、在恢復(fù)期2降低得也較快，這是由于該供試工程的巖土體溫度響應(yīng)快，恢復(fù)能力較好。
圖6、圖7、圖8分別給出了在各運(yùn)行期結(jié)束時(shí)，不同深度處測試井B，C，D處巖土體的終溫。
由圖6可見，同換熱井A相似，測試井B處的巖土體溫度也呈現(xiàn)以年為周期的近似于正弦規(guī)律的變化。除了-40 m深度外，其他深度處的終溫最高值出現(xiàn)在恢復(fù)期2終了時(shí)，-10，-20，-30，-50，-60．-70 m處的終溫最高值分別為11.31，11.76，11.54,11.58,11.60,11.60℃：而-40 m深度處的終溫最高值出現(xiàn)在供冷期1終了時(shí)，溫度最高值為11.99℃。這是因?yàn)?40 m左右處的巖土體為含水層，含水層滲流作用較強(qiáng)，熱量向周圍散失較快，導(dǎo)致該處在恢復(fù)期2的溫降較快。各深度處的終溫最低值出現(xiàn)在供熱期1終了時(shí)，-10，-20，-30，-40，-50，-60，-70 m處的巖土體終溫最低值分別為9.25, 9.14, 9.23, 9.43, 9.70, 9.85, 10.72℃。測試井C，D同測試井B的變化趨勢(shì)相同。
由此可以看出，換熱井和測試井的變化規(guī)律基本一致，但測試井要比換熱井的變化滯后一些，測試井的溫度變化斜率比換熱井的溫度變化斜率小，曲線較平緩，而且溫度變化幅度也要小一些，說明熱流傳遞到測試井需要一定的時(shí)間，而且蓄熱和取熱過程對(duì)換熱井的影響也要大一些。這是因?yàn)閹r土體換熱是管內(nèi)強(qiáng)迫傳熱和管外自然傳熱的一種復(fù)合傳熱過程，其熱阻主要是管外的巖土體熱阻，因此巖土體傳熱的波峰衰減和時(shí)間延遲就顯得非常明顯。
對(duì)比2010年12月10日～2011年10月27日與2011年6月13日—2012年6月9日的兩個(gè)運(yùn)行周年可知：該埋管式地源熱泵系統(tǒng)工程位于寒冷地區(qū)，建筑累計(jì)冷負(fù)荷小于熱負(fù)荷，巖土體溫度場的周年溫度均有所回升。由圖5可見，從供熱期1到恢復(fù)期1結(jié)束，與原始溫度相比，溫度場平均降低了1.42～1.52 ℃，但從供冷期l到恢復(fù)期2結(jié)束，與原始溫度相比，溫度場平均升高了0.47~0.55℃。從圖5~8也可看出，恢復(fù)期3結(jié)束后，巖土體溫度場比供冷期1開始時(shí)平均升高了0.77℃�？梢婋S著系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，充分利用巖土體的自然恢復(fù)能力，巖土體溫度場有望恢復(fù)到原始溫度場。從理論上講，全年累計(jì)冷熱負(fù)荷差異較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致巖土體溫度的升高或者降低，造成其溫度不斷偏離原始溫度，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響也越大，不利于系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，一般情況下土壤溫度降低1℃，制取同樣熱量的能耗要增加3%~5%。但是，實(shí)際上若充分考慮巖土體溫度場的自我恢復(fù)能力及恢復(fù)時(shí)間，埋管式地源熱泵系統(tǒng)是有可能持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的。由此可見，地埋管側(cè)的冬夏總換熱量的差值不是影響巖土體熱平衡的唯一原因，單純地以全年累計(jì)冷熱負(fù)荷是否相等來判斷巖土體的熱平衡是值得商榷的。對(duì)應(yīng)用在不同氣候區(qū)、不同建筑的埋管式地源熱泵系統(tǒng)，對(duì)大地的釋熱量、吸熱量、巖土體的溫度響應(yīng)特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)后，才能得到合理的結(jié)論。
4結(jié)語
通過對(duì)應(yīng)用在黃土高原寒冷地區(qū)的埋管式地源熱泵實(shí)驗(yàn)工程長期運(yùn)行下的巖土體的溫度場進(jìn)行研究分析，得出以下結(jié)論。
機(jī)組開機(jī)1～6 h，管壁處巖土體的溫度隨時(shí)間變化得很快，達(dá)到穩(wěn)定溫度的95%；30 h后，其溫度趨于平穩(wěn)，巖土體的溫升率為0.0930C/h。
機(jī)組停機(jī)82 h后，巖土體的溫度基本趨于穩(wěn)定。巖土體的恢復(fù)率隨恢復(fù)時(shí)間的增加而增加，但恢復(fù)速率隨恢復(fù)時(shí)間的增加而降低。巖土體前期(O<t≤17 h)的恢復(fù)能力約為后期(t>82 h)的80倍�？梢姡捌诘幕謴�(fù)能力好對(duì)系統(tǒng)間歇運(yùn)行有利。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可由巖土體的恢復(fù)特性決定埋管式地源熱泵系統(tǒng)間歇運(yùn)行的停機(jī)時(shí)間。
對(duì)不同氣候區(qū)的不同建筑的埋管式地源熱泵系統(tǒng)，單純地從全年累計(jì)冷熱負(fù)荷是否相等來判斷巖土體的熱平衡是值得商榷的。建議從全年累計(jì)冷熱負(fù)荷平衡和巖土體的溫度響應(yīng)特性兩個(gè)角度進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而確定埋管式地源熱泵的適用性，以保證埋管式地源熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。
本文的研究工作是初步的，還須進(jìn)一步研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性、間歇運(yùn)行的啟停比對(duì)巖土體熱平衡的影響。
5摘要：
以黃土高原寒冷地區(qū)埋管式地源熱泵系統(tǒng)工程為平臺(tái)，進(jìn)行了為期兩年的供熱、恢復(fù)、供冷長期試驗(yàn)。在 間歇制冷工況下，對(duì)換熱井內(nèi)巖土體的溫度響應(yīng)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果顯示，開機(jī)30h后，巖土體溫度趨于穩(wěn)定，溫度波動(dòng)幅度為0.18～0.38℃；停機(jī)82h后，巖土體溫度基本恢復(fù)穩(wěn)定，溫度下降范圍僅為0.06—0.19℃。通過對(duì)T程巖土體熱平衡分析發(fā)現(xiàn)，單純地以全年累計(jì)冷熱負(fù)荷的差異來判斷巖土體的熱平衡是值得商榷的，建議從全年累計(jì)冷熱負(fù)荷平衡和巖土體的溫度響應(yīng)特性兩個(gè)角度進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而確定埋管式地源熱泵的適用性，以保證埋管式地源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果可為黃土高原寒冷地區(qū)埋管式地源熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供參考。
