2009年第37卷第8期流體機械文章編號:1005-0329(2009)08-0063-03地源熱泵地下?lián)Q熱系統(tǒng)熱響應(yīng)測試及分析李芃,王健',陳汝東,雷剛(1同濟大學(xué),上海20009;2.華美中能科技工程公司,四川成都610042)摘要:土壤源熱泵的應(yīng)用具有地域特性,不僅不同地區(qū)應(yīng)用情況不同,就是同一地區(qū)因地質(zhì)條件的差異而有所不同所以土壤特性的測試工作十分重要。本文根據(jù)上海某展示中心項目地下?lián)Q熱系統(tǒng)測試,對地埋管換熱器系統(tǒng)的熱響應(yīng)進行了測試和分析。關(guān)鍵詞:土壤源熱泵;節(jié)能;地下?lián)Q熱系統(tǒng)測試中圖分類號:T051.5文獻標識碼: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前言以土壤特性的測試工作十分重要33),但現(xiàn)在測試方法和設(shè)計方法的不完善,使得系統(tǒng)的實際運土壤源熱泵通過循環(huán)液在封閉的地下埋管中行狀況并不理想,多數(shù)選擇大容量的地埋管系統(tǒng),流動,與地下巖土進行熱量交換。對于豎直埋管,造成投資的提高及資源的浪費。鉆孔深度一般為60~100m,而地溫在20m之下基2006年1月1日實施的中華人民共和國國家本常年不變,年平均溫度一般高于當?shù)卮髿馄骄鶚藴省兜卦礋岜孟到y(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB50366溫度的2~6℃,這使得地下巖土層冬暖夏涼,可以-2005規(guī)定2,地埋管換熱器設(shè)計計算宜根據(jù)為建筑空調(diào)和供熱提供較多的能量。相對于空氣現(xiàn)場實測巖土體及回填料熱物性參數(shù),采用專用源熱泵,克服了室外溫度與需熱(冷量)相矛盾的軟件進行;或根據(jù)規(guī)范附錄的系列公式進行。根缺點效率大大提高。另外不受地下水和地表水據(jù)國際上通行的標準和方法,測試的目的是地資源的限制,只需占用一定的埋管空間使用更為下巖土體的熱物性,應(yīng)提供專業(yè)軟件設(shè)計或公式靈活。手工設(shè)計地埋管換熱器所需的參數(shù)。土壤源熱泵地下埋管的安裝需要鉆孔、挖溝、為了正確進行地埋管換熱器系統(tǒng)設(shè)計,必須灌漿等工序,初投資較高,但運行費用相對較低,搞好地下?lián)Q熱系統(tǒng)測試投資回收期多在3年之內(nèi)。土壤源熱泵的應(yīng)用具有地域特性,不僅不同地區(qū)應(yīng)用情況不同,就是2中國煤化工同一地區(qū)會因為地質(zhì)條件的差異而有所不同,所YHCNMHG收稿日期:2000-20修稿日期:200007-27FLUID MACHINERYVol.37,No.8,2009上海某展示中心項目,共有4層,因地源熱泵表1工程場區(qū)主要巖土層結(jié)構(gòu)工程建設(shè)的需要,進行地源熱泵地下?lián)Q熱器熱交成因年代巖性層底標高換效率測試工作,以取得相關(guān)的地層熱物性參數(shù),人工堆積層雜素填土泥粘土使空調(diào)設(shè)計符合工程的需求。我們受業(yè)主委托,暗浜土、粉質(zhì)粘土進行了測試工作粉質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土-10根據(jù) IGSHPA的工程標準,地下?lián)Q熱器熱響粉質(zhì)粘土應(yīng)測試將分為兩個階段:第一階段,工程實施前的第四紀粉質(zhì)粘土測試,收集和校核基本設(shè)計參數(shù);第二階段,工程沉積層粉質(zhì)粘土一草黃色粉砂實施中的測試校核和檢驗設(shè)計參數(shù)和施工效果?；尹S色粉細砂50508本工程測試孔布置2個,采用地質(zhì)鉆機打孔青灰色粉細砂孔深105m,孔徑不小于150mm,在孔內(nèi)安裝青灰色細砂夾礫石HDPEΦ32等效U型管,深度100m測試采用專用測試儀,分別對換熱井進行地由圖1,圖2可看出水泵流量基本穩(wěn)定在溫測試,每15m一個測點,對不同深度的地層溫1.6m3/h,電功率保持穩(wěn)定為6kW。度進行測量。采用專業(yè)軟件及計算機數(shù)據(jù)采集儀記錄試驗溫度、流量、壓力時間等隨時自動存儲通逍4數(shù)據(jù)。連續(xù)測試時間不少于24h,累計時間不少于72h2.1工程擬建場地地質(zhì)條件該擬建場地位于長江三角洲入?？跂|南前第二天114040第三天11:4040緣,其地貌屬于上海地區(qū)四大地貌單元中的濱海平原類型。該擬建場地內(nèi)的最大勘察深度為圖1水泵流量曲線105m,在此深度范圍內(nèi)的地基土均屬第四紀松散沉積物,土壤類型主要為粘土、素填土粉質(zhì)粘土、通道3淤泥質(zhì)粘土和粉砂、粗砂等。該擬建場地淺部土層中的地下水屬于潛水類型,其水位動態(tài)變化主要受控于大氣降水和地面蒸發(fā)等,并隨氣候的變化而變化。114040第二天114048第三天1:4048使用專用設(shè)備進行土壤熱響應(yīng)試驗2測試流程圖2電功率曲線采用1臺鉆機進行測試孔井鉆井取樣,下管圖3中未擾動土壤溫度隨測試深度增加而升施工,循環(huán)管接至測試儀器。棄熱試驗持續(xù)時間高,由10m深度處的14.4℃升至100m處的為72h。其中地下未擾動土壤原始溫度采集24h;17.9℃,這是由于測試過程中模擬空調(diào)運行工況,采用1套6kW電加熱器對水進行加熱,再進入地通過循環(huán)水不斷向地下放熱所致。埋管循環(huán),定流量1.6m3/h,48h連續(xù)不斷運轉(zhuǎn)采集地埋管供回水溫度。2.3數(shù)據(jù)分析2.3.1工程場區(qū)主要巖土層結(jié)構(gòu)如表1所示。23.2熱響應(yīng)測試數(shù)據(jù)采集圖1~5分別為采用專業(yè)軟件及計算機數(shù)據(jù)采集儀記錄的試驗過程中水泵流量,電功率,未擾中國煤化工動土壤溫度,供回水溫度和土壤探頭溫度變化曲CNMHG線圖。圖中數(shù)據(jù)隨時自動存儲,連續(xù)測試時間不少于24h,累計時間不少于72h圖3未擾動土壤溫度曲線2009年第37卷第8期流體機械65圖4中供回水溫度在測試開始時,升高較快,相應(yīng)的圖5中土壤探頭溫度也是在測試開始在開機的前4h內(nèi)從15℃分別升高至22℃和19℃時,升高較快,在開機的前4h內(nèi)從15℃升高至左右;在后面的8h內(nèi)從22℃和19℃分別升高至22℃左右;在后面的8h內(nèi)從22℃升高至26℃左26℃和22℃,然后基本在30℃和26℃左右,達到右,然后基本在30℃左右,達到穩(wěn)定狀態(tài)。這是穩(wěn)定狀態(tài)由于剛開機時,地下土壤溫度較低,與空調(diào)的冷卻水溫差較大,因此導(dǎo)致了地下土壤溫度,供回水溫度迅速升高。在運行一段時間后,當?shù)叵峦寥罍囟扰c空調(diào)的冷卻水溫差不斷減小,循環(huán)水向埋管通道2周圍地下土壤放熱和埋管周圍地下土壤向遠處土通道1壤散熱逐漸達到動態(tài)平衡,此時地下土壤溫度,供回水溫度基本穩(wěn)定。114040第二天141040第三天14040圖4供回水溫度曲線3結(jié)論和建議3.1結(jié)論通道6、9、10、13、14(1)工程場區(qū)處于橫砂河沖洪積扇的中部第四系松散沉積層厚度變化較大,在40~125m左右;(2)根據(jù)本次鉆孔資料和對場區(qū)內(nèi)已有工程地質(zhì)資料的調(diào)查分析,按成因年代,將鉆探深度114040第二天114040第三天11:40(最大孔深105m)范圍內(nèi)的地層劃分為人工堆積層、第四系、第三系、侏羅系地層。地層巖性及各圖5測試過程中土壤探頭溫度變化曲線土層物理性質(zhì)指標統(tǒng)計結(jié)果如表2所示;表2地層巖性及各土層物理性質(zhì)指標統(tǒng)計名稱類型熱導(dǎo)率W/(m·K)熱擴散率(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輕質(zhì)粘土(含水率15%)0.7~1.00.54~0.641285輕質(zhì)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輕質(zhì)砂土(含水率15%)1.0~2.1輕質(zhì)砂土(含水率5%)0.9~1.9(3)綜合工程場區(qū)2個測試孔地層熱物性現(xiàn)溫能的開發(fā)利用。場測試結(jié)果和地層熱物性參數(shù)經(jīng)驗值,得出工程3.2建議場區(qū)巖土體熱傳導(dǎo)系數(shù)在1.2~2.3W/(m·K)(1)本次勘探成果表明,工程場區(qū)在基巖隆之間,具有良好的熱傳導(dǎo)能力各測試孔地層熱物起區(qū)之外,埋深在85m以下的地層中分布有青灰性參數(shù)(測試深度下值):根據(jù)1°井(100m)采集色細砂夾礫石層,砂礫石層具有塌陷特性,換熱孔數(shù)據(jù)計算得到土壤導(dǎo)熱系數(shù)為1.86W/(m·K);應(yīng)避免揭露該層,避免誘發(fā)塌陷。建議進行地埋根據(jù)2”井(100m)采集數(shù)據(jù)計算得到土壤導(dǎo)熱系管設(shè)中國煤化工數(shù)為1.98W/(m·K);很差,在地埋(4)工程場區(qū)淺層地溫能綜合評估表明,工管施NMH(量,可適量增加程場區(qū)的場地條件、地質(zhì)條件以及地層熱傳導(dǎo)條水泥增強凝固起封孔作用避免造成深部含水件均適合采用豎直埋管地源熱泵系統(tǒng)進行淺層地層的進一步污染(下轉(zhuǎn)第48頁)FLUID MACHINERYol.37,No.8,2009于2004年12月成功運轉(zhuǎn),至今已40個月,在此率基本對應(yīng),并且處于效率較高的狀態(tài)能夠滿足期間因檢修等原因又停啟7次,并將兩系統(tǒng)的熱裝置需要和設(shè)備的要求。并對泵體及軸承的振動水罐V-1801、V-1802的灌泵壓力提高到進行了測量,均在正常范圍之內(nèi),說明增大了泵體6MPa,溫度提高至158℃,運轉(zhuǎn)效果良好,再未出葉輪密封環(huán)與殼體密封環(huán)的間隙后泵的性能并沒現(xiàn)過此類問題。有受到較大的影響,這種方法是成功的。增大了泵體葉輪密封環(huán)與殼體密封環(huán)的間隙后,勢必會對泵的流量及效率產(chǎn)生影響,對二級熱5結(jié)語水系統(tǒng)的二級熱水泵P-1802A的流量、壓差、功率效率進行了測量和計算,測量結(jié)果及計算結(jié)果大功率熱水泵因為運轉(zhuǎn)的介質(zhì)為具有較高壓見表2。力和溫度的飽和狀態(tài)下的水,并且功率高、流量表2二級熱水泵測量結(jié)果及計算結(jié)果21大,操作條件苛刻,灌泵時易產(chǎn)生液擊及泵抱軸的泵位號P-1802AP-1802AP-1802A故障,造成熱水泵無法正常運行。測量時間206.2.2206.2.242002.28通過對機泵灌泵時緩慢、逐步地開泵入口閥流量(m3/)3.689×103.610-13.679×101并使水流順暢對泵體采用分階段緩慢升溫以及工作電壓(V)6000合理改變泵的結(jié)構(gòu)等方法不僅成功地解決了上述作電流(A)898589.66問題,而且取得了較好的經(jīng)濟效益入口壓力(Pa1.104×101.101×1051.102×10出口壓力(Pa)2.632×102.627×10|2.629×10入口溫度(℃泵的工作狀況正常正常N功率(W)7.4×1037.92×103797×103[1]陳允中,曹占友,鄧國強,等譯.泵手冊(第三版)N軸功率(W)5.52x1035.48×103551×103[M].北京:中國石化出版社,2003H揚程(Jkg)17443174.33[2]魏鐘,夏英杰輕化工機器[M].北京:中國輕工業(yè)η效率出版社,1994通過測量及計算可以證明,增大了泵體葉輪作者簡介:范鐵生(1980-),男,本科,主要從事石化行業(yè)機械密封環(huán)與殼體密封環(huán)的間隙后,泵實際的流量與設(shè)備的使用與管理工作,通訊地址:163714黑龍江大慶市中國石泵出廠時標定的性能曲線上的效率、揚程以及功油大慶石化公司塑料廠高壓二車間(上接第65頁)3)在建筑基礎(chǔ)下,采用PHC管樁多U型埋[4]國際地源熱泵協(xié)會閉環(huán)地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計與安管,減少循環(huán)孔數(shù)量,充分利用地下空間,降低工裝指南[Z]程成本;[5] Li Peng, Qiu Zhong-Zhu. Studies on refrigerating per-(4)建議采用雙U25設(shè)計,采用水力分配器formance of the Ground Heat Pump with U - shaped進行流量平衡,并采用高壓灌漿回填,提高系統(tǒng)可vertical loop of pipe[ A]. Proceedings of IntemationalSymposium on ACHR[ C]. Shanghai, 2000. 28-34靠性[6]李芃,仇中柱.垂直埋管式土壤源熱泵埋管周圍土參考文獻壤溫度場的數(shù)值模擬[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2000,19(4):1-4[1]徐偉.地源熱泵工程技術(shù)指南[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001[2]中園建筑科學(xué)研究院.GB50366-2005地源熱泵系YH中國煤化工要從事空調(diào)制冷系統(tǒng)統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S]設(shè)計同濟大學(xué)制冷與熱工[3]GB50189-2005.公共建筑節(jié)能設(shè)計標準[S]CNMHG