不同深度的地埋換熱孔換熱功率分析

陳海波等:閹瀑威的她惟換熟孔換熟功卓勺析第12卷第6期不同深度的地埋換熱孔換熱功率分析陳海波,高亮,李向寶1,陳治法(1.天津地熱勘查開(kāi)發(fā)設計院,天津3002502.北京市地質(zhì)工程公司,北京100039)摘要:本文介紹了在天津地區同一個(gè)試驗場(chǎng)中,同一臺巖土熱物性測試儀,在外界溫度相差不明顯的條件下,對60、80、100、120和150m,5種工程上常用深度的單U、雙U型地埋管進(jìn)行測試。數據表明,同樣深度的雙U埋管的取熱量比單U埋管取熱量高9.91~37.75%,同樣深度的雙U埋管的排熱量比單U埋管排熱量高0.9~35.6%而120m雙U埋管試驗得出的熱導率為最大。由此得出換熱孔無(wú)論是單U埋管,還是雙U埋管,排熱量還是取熱量,適宜深度為100~120m的結論。關(guān)鍵詞:地源熱泵;熱物性測試;換熱器;換熱功率中圖分類(lèi)號:TU995.2文獻標識碼:A文章編號:1009-282X(2011)06-0028-031簡(jiǎn)介成。圖1是主機部分的結構原理圖,其中加熱功能地源熱泵現場(chǎng)熱響應試驗是利用地埋管換熱系主要依靠盤(pán)管加熱器,冷卻功能由壓縮機、冷凝器統采用人工冷(熱)源向巖土體連續加熱(制冷)并記膨脹閥和蒸發(fā)器組成的封閉制冷循環(huán)來(lái)完成。測量錄傳熱介質(zhì)的溫度變化和循環(huán)量來(lái)測定巖土體的熱參數主要包括進(jìn)出口溫度以及流量等,本次試驗采傳導熱性能的試驗。埋地換熱器的地下?lián)Q熱特性實(shí)用HQ一L1恒溫法巖土熱響應測試儀。其中,溫度驗是開(kāi)發(fā)利用淺層地熱能資源的一個(gè)首要技術(shù)程測量精度為0.1℃,流量通過(guò)電磁式流量計測量,流序。開(kāi)展地下?lián)Q熱特性實(shí)驗的重要目的在于通過(guò)現量啟動(dòng)值為0.0073m3/h,分辨率為0.001m3/h,精場(chǎng)鉆孔實(shí)驗,掌握淺層土壤在外界熱激勵作用下的度1%累計熱量分辨率0.001mJ。恒熱流測試儀動(dòng)態(tài)響應過(guò)程,從而獲得土壤初始溫度、熱物性參數流量在0.5~2m3/h范圍內,精度0.1級,即1%,溫以及地下?lián)Q熱規律,為進(jìn)一步的地源熱泵系統優(yōu)化度探頭精度為A級,即0.05級,0.5%考慮儀表誤設計與節能運行提供必要的數據依據。差熱量值計算誤差可控制在1%以?xún)?分辨率為據進(jìn)行淺層地熱能資源開(kāi)發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境影響分±1%及溫度測量誤差不應大于±2不應大于通過(guò)建立天津淺層地熱能監測中心獲取動(dòng)態(tài)數001m3/h。滿(mǎn)足規范要求的流量測量誤析及熱泵系統節能評價(jià),為地源熱泵系統科學(xué)、合理、正常的運行提供基礎數據,建立起天津市淺層地+熱能資源開(kāi)發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境影響預警系統,實(shí)現本市淺層地熱能資源的科學(xué)管理和可持續開(kāi)發(fā)利用。U型管[PID回填材料2現場(chǎng)熱響應實(shí)驗原理2.1測試儀器1現場(chǎng)熱響應試驗測試原理圖現場(chǎng)熱響應試驗與測試就是熱響應測試儀器對1.保溫水箱;2測試儀殼體;3.換熱器;4.循環(huán)泵;5加熱器;定深度測試孔進(jìn)行不同熱負荷排熱和取熱試驗6.蒸發(fā)器;7.控制器;8.壓縮機;9.膨脹閥門(mén)試驗平臺主要包括恒熱流加熱器、流量傳感器、溫度10.冷凝器;11.冷卻風(fēng)機傳感器、循環(huán)水泵換熱器以及數據采集系統等組22試驗原理成。實(shí)驗儀器主要由控制主機和測量系統兩部分組現場(chǎng)熱響應試驗過(guò)程為:首先,將測試儀的水路收稿日期:2011-08-11作者簡(jiǎn)介:陳海波(1985-),2007年畢業(yè)于石家莊經(jīng)濟學(xué)院環(huán)境工程專(zhuān)業(yè),天津地中國煤化工也熱能及地熱物探工作,Tel:13502186130YHCNMH2011年12月地質(zhì)裴各循環(huán)部分與待測換熱器相連接,形成一個(gè)閉式環(huán)路;于24h然后,通過(guò)啟動(dòng)管道循環(huán)水泵,以驅動(dòng)環(huán)路流體開(kāi)始(2)在獲取初始平均溫度后,開(kāi)始對回路中的傳循環(huán)。待系統進(jìn)出口溫差為零時(shí),開(kāi)始啟動(dòng)電加熱熱介質(zhì)加冷或熱負荷。測試過(guò)程中冷或熱負荷和流器來(lái)加熱環(huán)路中的流體。隨著(zhù)換熱器進(jìn)口水溫的不量基本保持恒定(波動(dòng)范圍在士5%以?xún)?,逐時(shí)記錄斷升高,其熱量通過(guò)管壁與土壤之間的傳熱過(guò)程逐回路中傳熱介質(zhì)的流量和進(jìn)出口溫度漸釋放到地下土壤中,同時(shí)使土壤溫度也逐漸升高(3)現場(chǎng)熱響應試驗時(shí),恒熱流排熱試驗:地埋最終管內流體溫度和土壤溫度維持在一種動(dòng)態(tài)的熱管進(jìn)口溫度分別為20℃和35℃兩種工況的排熱試平衡狀態(tài)。然后,增大加熱功率,系統將重復上述傳驗,每個(gè)工況溫度恒定后,觀(guān)測時(shí)間不少于24h熱過(guò)程,直至達到新的平衡狀態(tài)。在整個(gè)流體加熱(4)每次加冷或熱負荷停止后,繼續觀(guān)測回路的循環(huán)過(guò)程中,通過(guò)計算機采集系統記錄進(jìn)/出溫度、進(jìn)出口溫度,直到地層初始溫度為止。流量和加熱功率等參數,與此同時(shí)地下溫度的變化(5)現場(chǎng)熱響應試驗時(shí),進(jìn)行氣溫觀(guān)測情況也會(huì )自動(dòng)記錄下來(lái)。2.4測試結果分析通過(guò)現場(chǎng)熱響應試驗模擬冬、夏季熱泵實(shí)際運在現場(chǎng)熱響應試驗過(guò)程中,先后測定換熱器的行工況測量進(jìn)/出儀器的流量進(jìn)/出溫度和時(shí)間,取熱和排熱能力并且通過(guò)地下?lián)Q熱量隨流體平均依據不同負荷測試,最終求得:換熱孔的熱導率每溫度的線(xiàn)性變化的擬合方程來(lái)確定測試數據的有效延米吸熱量和排熱量(W/m)。性。一般要求回歸系數R2大于0.85,如測試結果現場(chǎng)熱響應試驗在理論上可以歸結為在一定熱嚴重偏離線(xiàn)性關(guān)系,則需通過(guò)方差分析確定補做實(shí)流邊界條件下的非穩態(tài)傳熱問(wèn)題。其數學(xué)解析主要驗工況,以保證測試數據的可靠性有兩種模型:1)基于線(xiàn)熱源理論的線(xiàn)模型;2)基于圓柱熱源理論的柱模型。本次調查中現場(chǎng)熱響應試驗3試驗場(chǎng)測試結果采用了柱熱源數學(xué)模型。為分析在相同地質(zhì)條件下不同埋管類(lèi)型、埋管對于地下?lián)Q熱量q(W/m)而言,它是根據流量深度對地埋管換熱系統換熱量的影響本次工作建和進(jìn)出口溫差獲得的,即設地埋管現場(chǎng)熱響應試驗場(chǎng)。試驗場(chǎng)共施工60m÷m2(t-t2)(1)單U、雙U,80m單U、雙U,100m單U、雙U,120m單U、雙U,150m單U、雙U10個(gè)現場(chǎng)熱響式中;m為質(zhì)量流量,p為定壓比熱容,H為換熱器應換熱試驗孔(見(jiàn)圖2),采用相同技術(shù)要求和施工的有效深度,和t分別為進(jìn)口/出口水溫(℃)。工藝,獲得試驗數據見(jiàn)表1及圖3和圖4。對于鉆孔內穩態(tài)傳熱過(guò)程滿(mǎn)足tr-to9檢*口。60雙U式中:tr為流體平均溫度,且tr=(t+t)/2,t為鉆孔壁溫度,R6為鉆孔總熱阻,其計算可參見(jiàn)有關(guān)文0雙U80雙U10探頭150雙U及同孔探頭獻80單U在鉆孔傳熱分析中,G函數定義如下:4-4=a(E,合)(3)式中:t為平均土壤初始溫度綜合(1)~(3)式可以看出,通過(guò)圓柱熱源模型解決鉆孔與土壤傳熱問(wèn)題的一個(gè)重要手段是求解G函數,從而獲得地下?lián)Q熱量和土壤的熱導率。圖2調查區試驗場(chǎng)內現場(chǎng)熱響應試驗點(diǎn)位量2.3測試程序(1)在測試埋管安裝完48h后進(jìn)行現場(chǎng)熱響應從表1測試數據和圖3圖4看出,單U埋管與雙U埋管的排熱量、取熱量相差很大;同樣深度排試驗的無(wú)負荷循環(huán)測試,獲取地層初始平均溫度。熱量差值0.54溫度穩定后(變化幅度小于0.5℃),觀(guān)測時(shí)間不少中國煌取熱量差值3.61~12.61WYHa一取熱量差CNMHG陳海波等:不震的地惺換熱孔換熱功阜析第12卷第6期表1試驗場(chǎng)現場(chǎng)熱響應試驗結果表排熱量取熱量熱導率目50深度(w/m)(W/m)(W/(mc)回填材料單U雙U單U雙U單U雙U單U|雙U單U管60663276.3239.0348.911.711.73細砂細砂8065.1271.4361.161.43細砂細砂70901101301501700059.46687533.446.01深度(m)12060241.6185145191.231.54細砂細砂圖4取熱量隨埋管深度關(guān)系曲線(xiàn)圖15061.962.4436.4140.021.531.65U埋管,還是雙U埋管,排熱量還是取熱量適宜深度為100~120m雙U埋管70嘲60參考文獻:單U埋管[1]朱家玲,等.地熱能開(kāi)發(fā)與應用技術(shù)[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006507090110130150170深度(m[2]天津市地質(zhì)礦產(chǎn)局天津市地質(zhì)環(huán)境圖集[M].北京:地質(zhì)出版社,2000.圖3排熱量隨埋管深度關(guān)系曲線(xiàn)圖[3]天津市地質(zhì)礦產(chǎn)局天津市水文地質(zhì)環(huán)境圖系[M北值最大,換熱孔深為120m,取熱量差值次之;同樣深京:地質(zhì)出版社,2000度的雙U埋管的取熱量比單U埋管取熱量高9[4]王曉偉蘇登超地源熱泵系統施工技術(shù)概述門(mén)工程~37.75%,同樣深度的雙U埋管的排熱量比單U建設與設計,2000(4)埋管排熱量高0.9~35.6%,而120m雙U埋管試[5]丁勇李百戰盧軍等地源熱泵系統地下埋管換熱器驗得出的熱導率為最大。綜上所述換熱孔無(wú)論是單設計(2)J].暖通空調,2005(11)Analysis on the Heat Exchange of Pipes Buried at Different DepthCHEN Haibo', GAO Liang, LI Xiangbao, CHen Zhifa(1. Tianjin Geothermal Exploration Development Institute, Tianjin 300250, China;2. Beijing gelogical Engineering Company, Beijing 100039, China)Abstract: This paper introduces tests using single and double U-shaped buried pipes in five usual depth of60m, 80m, 100m, 120m and 150m. The test was carried out by using the same soil thermal properties meas-ure apparatus in the same test field of Tianjin and at less variation of external temperature. The datshowed that the absorbed heat of the double U-shaped buried pipe is higher than the single U-shaped busied pipe by 9. 91--37. 75%, the discharged heat of the double U-shaped buried pipe is higher than the sin-gle U-shaped buried pipe by 0.9-35.6%, and the thermal conductivity of the double U-shaped buried pipethe highest. All the analysis shows that optimum depth of single and double U-shaped buried pipe is 100-120mKey Words: ground source heat pump; thermal properties measure; heat exchangers; heat exchanging rate(上接第39頁(yè))商以前所使用鉆頭的4到5倍。因此, Drillcorp公Drillcorp公司在一個(gè)還剩250m即將完工的鉆孔內司立即訂購了20個(gè) Excore鉆頭來(lái)完成剩余的1萬(wàn)開(kāi)始第一個(gè) Excore鉆頭的試驗。通常,鉆工需要在米鉆進(jìn)任務(wù)那個(gè)鉆孔更換三次以上鉆頭,起下鉆桿柱最少需要試驗結果是:前1萬(wàn)米的鉆頭平均壽命為60~6個(gè)小時(shí)。70m,班次進(jìn)尺為30m;后1萬(wàn)米的鉆頭平均壽命達然而,使用一個(gè) Excore鉆頭就鉆到孔底,因此280~300m,班次進(jìn)尺為54m。鉆進(jìn)速度提高了不需要更換鉆頭,并且該鉆頭在另一個(gè)鉆孔還繼續80%鉆頭壽命提V凵中國煤化工鉆進(jìn)了52m。鉆頭的使用壽命長(cháng)達302m,為該承包(顏純文選評CNMHGb. 2011)