摘要：以长三角某地区地源热泵实际工程为试验平台，模拟了地源热泵地埋管换热器。取放热实际运行工况，分析了地埋管换热器与周围土壤之间的换热状况，确定了该地源热泵系统地埋管换热器的实际换热量。为工程设计提供了参考。
Abstract: with the long triangle of a certain area in the ground source heat pump real engineering test platform, and simulated the ground source heat pump buried tube heat exchanger. Take heat release actual operation condition, analyses the heat exchanger and between soil around the heat transfer condition of, make sure the area ground source heat pump system of the heat exchanger actual change of heat. Provides the reference for the engineering design.
地源热泵系统的技术日益成熟,在国外已经得到了广泛的应用，目前在国内大力推行节能减排的形势下，地源热泵系统也得到大力的推广，但由于不同地区的地质、气候等条件存在很大的差异,对地源热泵系统的空调的运行效果有极大的影响，故应针对不同的地区的实际工程进行测量试验，为该地区的地源热泵系统的工程设计提供技术数据。本文以长三角地区某个典型地源热泵空调系统为研究对象，进行了模拟实际地源热泵地埋管换热器运行工况下的地下岩土的热响应测试，分析了地埋管换热器与周围土壤之间的换热状况,确定了该地源热泵系统地埋管换热器的实际换热量,为此地源热泵空调系统的设计提供了工程参考。
1.工程介绍以及试验方案
本项目建筑面积近1800 m2，拟采用地源热泵系统。测试孔为两个，分别采用双U25型PE管下管，埋管深度80米，采用5%膨润土和95%黄沙回填。埋管之间在埋管上每隔十米绑定温度探头，用来测量地下土壤的温度分布。
2.热响应测试装置介绍
采用自主设计的热响应测试系统完成测试,该系统既能进行放热试验,又能进行吸热试验。整个系统包含电加热系统、制冷系统、循环系统、数据采集系统。
1) 电加热系统:采用电加热管,最大加热功率6 kW ,可以根据试验孔深度采用可控硅调整加热功率。
2) 制冷系统:选用了1台风冷冷水机,额定制冷量9 kW，压缩机采用变频技术，可以根据试验孔的深度调整制冷量。
3) 循环系统:包括保温水箱、循环水泵、管道、过滤器、阀门等。
4) 数据采集系统:采用GPRS远程采集系统，采集数据包括地埋管进、出口温度，压力,水箱水位,循环流量,加热器功率等。流量计采用电磁流量计。温度测量采用Pt100 铂电阻温度传感器。
3.测试数据分析
3.1 地下岩土初始温度
在模拟取放热工况之前，系统水泵开启，观察地埋管内流体进出口温度的变化，达到稳定时的埋管出口温度即可认为是地下岩土的初始温度。
本工程中：1#测试井的出口温度为18.5℃，2#测试井的出口温度为18.1℃，工程区土壤温度18.3℃。
3.2 地下岩土热物性参数
土壤的平均导热系数λ5是综合地下换热器埋深范围内的其他因素的综合系数。根据线热源理论，埋管换热介质的平均温度和时间的对数成线性关系，将二者函数关系拟合成一条直线，得到斜率K和截距，根据以下公式计算出岩土的综合导热系数：
q
λ5=--------
4πK
式中： q————恒功率加热时埋管每延米的换热量
K————拟合曲线的斜率
表1给出了岩土的热物性参数：
表1 岩土热物性参数汇总
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导热系数[W/(m·℃)] |
热容[kJ/(m3·℃)] |
钻孔热阻[(m·℃) /W] |
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1#双U |
1.87 |
2311.53 |
0.2476 |
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2#双U |
1.92 |
2365.67 |
0.2658 |
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平均值 |
1.89 |
2338.60 |
0.2567 |
3.3 模拟夏季放热工况测试结果
稳定工况测试是通过模拟地埋管换热器的实际运行工况，测定地埋管换热器在该运行工况下的实际换热能力的测试方法。
本次测试对1#、2# 测试孔模拟夏季运行工况，采用恒功率加热，地埋管换热器进水温度设定为35 ℃,流速控制在0.6m /s，模拟时间采用规范规定的最低时间48个小时，图1和图2分别给出了1#和2#井48小时内地埋管进出水温的变化曲线，可以看出48小时内，进出口水温变化已趋于稳定。表2 给出了模拟夏季工况的地埋管放热量。
表2 模拟夏季工况的地埋管放热量
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1#埋管 |
2#埋管 |
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单位长度的放热量[W/m] |
60.2 |
61.3 |
3.4 模拟冬季取热工况的试验结果
测试对1#,2# 测试孔模拟冬季运行工况，采用恒功率制冷，地埋管换热器进水温度设定为7 ℃,流速控制在0.6m /s,模拟时间采用规范规定的最低时间48个小时，图3和图4分别给出了1#和2#井48小时内地埋管进出水温的变化曲线，可以看出48小时内，进出口水温变化已趋于稳定。表3给出了模拟冬季工况的地埋管放热量。
表3 模拟冬季工况的地埋管取热量
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1#埋管 |
2#埋管 |
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单位长度的取热量[W/m] |
52.1 |
51.3 |
4 结论
采用自主开发的地源热泵热响应测试装置对长三角某地源热泵工程项目的两口测试井进行了地下岩土的热响应测试，得到如下结论。
1) 项目场地地下岩土的初始平均温度为18.3℃;
2) 项目场地地下岩土的导热系数为1.89 W/(m·℃);
3) 项目场地1#埋管单位长度放热量为60.2 W/m，单位长度取热量为52.1 W/m;
4) 项目场地2#埋管单位长度放热量为61.3 W/m，单位长度取热量为51.3 W/m;
5) 单位孔深吸放热量只能作为参考,深化设计需要按规范进行详细计算。
参考文献
[1] GB50366-2005 (2009 版)，中国建筑工业出版社，地源热泵系统工程技术规范[S].
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文章名称：
长三角某地区岩土热响应测试
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