土壤源热泵地下换热器分析

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第一章绪论目前，建筑能耗随人们生活水平提高越来越高，而建筑能耗提高主要在于暖通空调能耗的增加，同时暖通空调使_l}j所带来的环境污染也越来越严重⋯，面对这样严峻的问题，使得具有多重优越性的土壤源热泵利用倍受人们的重视，它是一种环保节能的绿色空调技术，供热制冷系统主要优点就是节能效果明显，可以充分利用可再生自然能量资源，具有优越的环保功能。1．1我国能源现状和挑战我国能源主要问题有以下几种情况”1；一、能源资源相对的贫乏，短期内能源的供应能够有效保证经济建设的需要，但长期能源供应将面临严重短缺；二、能源利用引起的环境污染等问题日益恶化，对环境容量的无偿占有与对环境质量的自觉维护之间产生严重失衡，导致了自然资源的生产价值与生态价值急剧背离：三、能源的利用效率低，利用质量差，存在巨大的节能潜力。目前，能源消耗主要是传统的资源，如石油，天然气，煤炭，水力和核能等等。所有这些能源除了水力，都是不可再生能源，我国生产消费更是以煤为主，长期以来在生产，消费中占据着绝对主导地位。尽管近年来煤炭所占比例略有下降，但仍保持在65％以上，并再次呈现出上升的迹象。2002年煤炭在我国能源生产、消费中的比例分别由2001年的68．6％和65．3％上升到70．7％和66．1％”1。特别在冬季，在国内的农村和部分城市几乎全部靠煤取暖。煤是各种能源中污染环境最严重的能源，只有减少城市地区煤的使用，城市大气污染问题才可能得到解决。现在各地都在采取措施控制燃煤的数量，选用电采暖，燃油或者燃气采暖等措施，但都存在运行费用高、资源不足和排放大量C02等问题。受能源、特别是一次能源与环保条件的限制。传统的燃油、燃煤中央空调方式将逐步受到制约。因此，在可持续发展理念下制定好我国的能源产业战略必须提到议事日程中来，大力研究开发新能源和洁净能源，提高能源的利用效率。热泵技术是解决当前供热、通风和空调方面能源的供需矛盾，减轻环境污染的有效而可靠的办法之一，借助热泵，可以把自然界或工业废弃低温余热变为较高温度的有用热能，供应生产和生活需要。这样就提供了一条节约矿物燃料，合理利用能源，减轻环境污染的途径。故从降低运行费用、节省能源、减少C02排放量来看，土壤源熟泵技术是一个很好的选择。随着2l世纪的到来，我国经济的快速发展，人民生活水平的逐渐提高，对生活质量的不断追求，能源的需求越来越大，能源利用以及所带来的环境问题越来越成为人们关注的焦点。另外，我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高。减少我国冬季采暖所造成的大气污染，降低供暖空调系统的能耗、节约能源是建筑节能和暖通空调工作者一直追求的目标，特别是近几年来大中城市为改善大气环境，迫切需要减少燃煤量、大力推广使用包括可再生能源的清洁能源。随着人民生活水平的提高，建筑物不仅要满足冬季采暖的要求，而且需要夏季空调降温。地源热泵供暖空调系统通过吸收大地的能量。包括土壤、井水、湖泊等天然能源，冬季从大地吸收热量，夏季向大地放出热量，再由热泵机组向建筑物供冷供热，该系统和常规的供热空调系统相比大约节能50％，是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的新型空调系统，可广泛应用于商业楼宇、公共建筑、住宅公寓、学校、医院等建筑物。为此，国家科技部和美国能源部分别代表两国政府签署了中美两国政府地源热泵合作协议，引进和推广美国先进的土壤l 东南大学硕士学位论文源热泉技术⋯。土壤源热泵技术在北美和欧洲已经非常成熟，有近几十年的历史，是一种广泛采用的供热空凋系统。针对土壤源热泵机组、地热换热器以及系统设计和安装有一整套标准、规范、计算方法和施工工艺。在美国土壤源热泵系统占整个空调系统的20％左右，是美国政府极力推广的节能环保技术[41，目前我国也在大力提倡和推广这项技术，但是目前国内这项技术不管是在设计和施工安装，还是测试技术等方面部还不规范和完善，需要进一步的探索和研究。1．2我国研究利用土壤源热泵的现实意义建筑能耗以供热采暖和空调能耗为主，因此建筑节能的重点应放在采暖和降温能耗上。土壤源热泵空调是一种使用可再生能源的高效节能、环保的工程系统，冬季向建筑物供热，夏季可以制冷，可广泛应用于各类建筑中。中国城市化的发展，将一方面迫切需要减少城市燃煤采暖造成的污染，另一方面对采暖空调降温提出更多要求，土壤源热泵技术就提供了这一问题的有效解决方案。自20世纪90年代后期，土壤源热泵空调技术在我国的研究和应用有了发展，理论和试验研究活跃，工程应用逐年增加，尤其是中国政府和美国政府将地源热泵空调技术纳入两国能源效率和可再生能源合作项目，促进了这一技术国际合作和推广应用。在我国，大量的能源消费被用于暖通空调，具调查研究约占总能耗的20％”’，因此，提高空调的性能系数能够节约大量的能源，利用热泵技术就是提高空调性能系数有效途径之一。热泵是一种可实现热量从低温物体向高温物体转移，从而达到制冷和采暖的空调设备。它所消耗的电能只是为了实现能量的转移，热量来源通常是空气、水、土壤等各种废热，可以得到几倍于输入电能的热量，是一种节能设备。地源热泵空调技术更是一种新型的节能、环保空调技术。该技术是利用地球表面浅层土壤及水源吸收的大量太阳能而形成的低品位热能资源，利用热泵原理，通过少量的高位电能输入、实现低位热能向高位热能高效转移的一种技术。冬季将地热能传递到建筑物内，夏季将建筑物内的热量传递到土壤或地下水中，实现比常规空调更高效的供热，制冷。土壤源热泵利用土壤中低位能，制热工况时，从土壤吸收热量，传入空调房间，加热室内空气；反之，制冷工况时，把室内热量捧放到地下土壤中去。从以上分析来看，利用土壤源热泵技术毫无疑问的可以解决目前我国面对的能源紧张、环境污染这些十分严峻的问题。1．3土壤源热泵的发展进程陆1土壤源热泵是一种先进的技术，它高效、节能、环保，有利于可持续发展。这项技术最先开始于1912年，瑞士ZOELLY提出了“地热源热泵”的概念。随后一段时间直至20世纪50年代，欧美各国开始了研究土壤源熟泵的第一次高潮，1946年美国开始对土壤源热泵进行系统研究，在俄勒冈州建成第一个土壤源热泵系统，运行很成功，由此掀起了土壤源热泵系统在美国的商用高潮。而土壤源热泵真正意义的商业应用也只有近十几年的历史，1985年美国安装土壤源热泵14000台，1997年则安装了45000台，目前已安装了400000台以上的土壤源热泵，并且以每年10％的速度递长。1998年美国商用建筑的土壤源热泵空调系统已2 第一章绪论经I’i剑了空凋所有餐的19％以上，其中在新建筑中Ji30％。美国卜壤源热泵I：业已经成立了由美国能源部、环保署，爱迪逊电力研究所及众多土壤源热泵厂家组成的美国土壤源热泵协会。该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。美国计划到2001年达到每年安装40万台土壤源热泵的目标，届时将降低温室气体排放l百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染物排放或种植树一百万英亩，年节约能源费用达4．2亿美元，此后，每年节约能源费埘再增加1．7亿美元。在欧洲国家里更多的是利用浅层地热资源米供热或者取暖。与美国的土壤源热泵发展有所不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，地F土壤埋盘管(埋深<400米深)的七壤源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1999年的统计，为家用的供热装置中，土壤源热泵所占比例，瑞士为96％，奥地利为38％，丹麦为27％。上个世纪70年代初，爆发了全球性的“能源危机”，能源和环境问题变得突出，在各个方面也更多的考虑节能，以可再生的地热源为能源的土壤源热泵7．iJI起了人们的重视。尤其是近年来，随着能源和环境问题的日益突出，土壤源热泵的研究和应用发展迅速，国内外的很多高校和研究机构相继开展了理论和实际应用方面的研究。特别是北欧国家如瑞典、冰岛等。欧洲先后召开了5次大型的土壤源热泵国际学术会议。瑞典在短短的几年中共安装了土壤源热泵装置looo多台套。美国在能源部的资助下rhBrookhaven，OakRidge国家试验室和Oklahoma州立大学，Louisiana州立大学等研究机构开展了大规模的研究，为土壤源热泵的推广起到了重要的作用。这一时期的主要工作是对地埋换热器的换热过程进行研究，建立了相应的数学模型并进行数值仿真。随着研究的深入，我国科研人员也对土壤源热泵开始了广泛的研究，早在50年代，天津大学热能研究所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究，1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。重庆建筑大学、天津商学院等单位对地下埋盘管的土壤源热泵也进行了多年的研究。近年，东南大学独立研制土壤源热泵地下换热器性能测试试验机组，填补了国内土壤源热泵换热器性能测试只能测试夏季工况而不能测试冬季工况的空白。同时我国土壤源热泵研究工作者在全国范围内举办了各种交流探讨会。中国制冷学会第二专业委员会主办了。全国余热制冷与热泵技术学术会议”{1988年中科院广州能源研究所主办了“热泵在我国应用与发展问题专家研讨会”1994年9月6日至8日，中国能源研究会地热专业委员会在北京召开了“第四次全国地热能开发利用研讨会”；从20世纪90年代开始，每届全国暖通制冷学术年会上都有。熟泵应用”的专题；2000年6月19日至23日，“中美地源热泵技术交流会”在北京召开，会议介绍了土壤源热泵技术，国外的应用状况和在中国的推广；2003年3月17日，山东建筑工程学院地源热泵研究所与山东建筑学会热能动力专业委员会联合发起并承办“国际地源热泵新技术报告会”在山东建筑工程学院举行，加强了国内外土壤源热泵先进技术的交流。我们有理由相信，在充分学习借鉴国外先进技术和运行经验的基础上，在各级政府的有力支持下，中国的科技界与企业界携手共进，依靠自己的力量完全有能力在不长的时间内开拓出具有中国特色的土壤源热泵产业。1．4土壤源热泵地下换热器国内外研究状况114．1国外研究现状在欧洲和北美，对土壤源热泵的研究已历经数十年，积累了大量的理论与实际应用方面的经验。早期3 东南大学硕士学位论文的传热计算模掣人多利H】分析方法，但对丁．复杂的实际问题，分析方法的计算模型往往建立在较多的简化条件之上。到日前为止，已提出的地F埋管换热器模型有30余种，所有模型均是针对土壤温度场的变化规律．其中基本理论模型有三种”1：第一种线热源模型，1948年Ingersoll和Plass等人提出了Kelvin线热源理论，该理论将地下埋管作为恒定热流的无限长线热源。由于其假设的局限性，只能近似模拟土壤实际传热过程，但是难以解决地埋换热器设计中的关键性问题，如埋管换热器管长设计，钻孔内管脚间的热冲突、长期和短期运行系统对周围七壤结构的影响、换热器进出口温度的影响等，后来在此基础上，又发展了一些传热模型：Hart&Couvillion模型，IGSHPA模型等。第二种圆柱热源模氆，1985年Kavanaugh将钻孔及内部的u型埋管视为圆柱体建立了圆柱热源模型，得到了地埋换热器周围土壤的温度分布。除了钻孔内的模型外，模型的其它假设与线热源模型相同。该模型把u型埋管的两支管脚统一为一当量单管，当量直径用deq=√而(dNU型埋管的直径)来近似代替。与线热源模型相比而言，无限大区域中的圆柱热源传热模型更符合实际，可以求解地埋管内流体平均温度以及进出口温度，因此，可以应用于地埋换热器的设计。但是，圆柱热源模型用单一当量直管代替U型埋管的处理过于简单近似，相应地产生了一些计算误差。第三种Eskilson模型是基于有限线热源的数值解建立的。EskiIson把钻孔内的热阻分为三部分：两管脚之间的热阻以及每个管脚到钻孔壁的热阻，三者之和构成了钻孔的总热阻，钻孔内传热认为是准稳态传热过程。该模型考虑了钻孔深度的影响，因此比前两种模型更加准确。但是求解过程比较复杂，后来Eskilson采用“G函数方法”对传热模型进行近似简化求解。该模型也存在一些缺陷：①不同钻孔布置的“G函数”有限，钻孔面积随钻孔深度变化。②当时间步长太小该模型得不到合理的结果。除以上三种典型传热模型外，还有如V．C．Mei模型，Helstrom模型、Muraya模型、gavuzturk的数值计算模型以及Shonder&Beck模型等在相应的文献中都有所阐述。1．4．2国内研究现状国内对地埋换热器传热理论方面的研究起步较晚，试验研究有一些，主要研究成果有：重庆建筑大学刘宪英、胡鸣明、魏唐棣等采用能量平衡法，结合V．C．Mei--维瞬态远边界传热模型，建立了浅埋竖管土壤源热泵传热模型。按径向和管长方向建立了二维温度场数学模型。其中包括单管间歇(或连续)运行传热模型、串联套管传热模型、管群传热模型。该模型得到的理论值经过验证比试验值低15％左右。湖南大学李元旦等提出了蓄热水箱式土壤源热泵系统的概念，并利用数值模拟的方法，对其夏季工况下传热特性进行了分析，分析结果表明，对于问歇运行的空调系统，采用该系统和提出的运行模式运行时，能使系统在夏季启动阶段以比较低的冷凝温度运行，以达到节能的效果。同济大学张旭等人建立了一维传热模型，山东建工学院对埋管换热器传热模型进行了一些研究，提出了U型埋管换热器中介质轴向温度的数学模型。此外，青岛建筑工程学院同瑞典皇家工学院建成了多功能热泵试验室，对竖直埋管式土壤源热泵的供冷和供热工况进行了长期的观察和测试，并用有限单元法对土壤温度场进行了理论分析。1989年，青岛建筑工程学院建立了一台土壤源热泵试验系统，先后从事了水平埋管、竖直埋管换热器的试验研究。随后，天津商学院对螺旋埋管换热器进行了研究。进入90年代以后，华中理工大学、湖南大学、重庆建筑大学先后在相应地区建立了不同形式的地下换热器，进行了大量的土壤源热泵试验研究，取得了这些地区的土壤、太阳辐射、气温等关键性参数，为土壤源热泵在我国的发展奠定了一定的基础⋯”’。以上虽然有许多的试验研究，但大多仅局限于实验室试验，规模小，测试时间短，只能测试夏季土壤源热泵换热器向地下放热的情况，对4 第一章绪论工程设计、施I：指导没有现实的意义，根据国外试验测试标准规范和成熟的经验．测试必须在现场进行，国内急需在这方面有突破，由此近年来，东南人学在土壤源热泵方面也进行了积极的研究，本人所在的课题组，针对于目前试验研究的不足，搜集多方面的资料，在国外先进的测试技术的基础上，研制一台试验测试设备，对土壤源热泵的地下换热器的换热量做了大量的测试。在工程试验方面做了大量的研究工作，对一些城市的土壤特性、导热效果进行了深入的试验研究，为土壤源热泵的设计提供了第一手的设计数据．为我国的土壤源热泵的发展起剑了积极的推动作用。1．5本文研究重点本文研究重点在于土壤源热泵换热器技术，其中包括为两个部分：l，换热器性能测试技术，2、换热器地下换热模型的理论模拟。本文主要以土壤源热泵垂直埋管u型管为研究对象，文中对对地表水热泵换热器也有试验测试，主要是为与土壤源热泵换热器性能进行比较研究。我国目前情况，土壤源热泵的设计、安装刚起步，既没有工程应用的试验测量数据，也没有任何可靠的工程设计参数，虽然有一些工程已经施工完成，但是工程的设计和施工都是建立在猜测和估计的基础上的，存在着很大的冒险性和盲目性。有些工程从安全和可靠的角度采用特大的地下换热器，结果造成工程耗资庞大，资源浪费；有些工程地下换热器太小，热泵不能正常运行，能耗升高，空调品质恶化。所有这些问题都归结为不知道地下换热器的换热情况，同时各地区土壤条件不同，换热器换热效果差异也很大，根据国外的标准和先进经验，必须对土壤源热泵换热器性能进行现场测试，因此说，建立一套完善的测试规范和试验测试设备十分必要，土壤源热泵测试技术则是十分的重要。在理论模拟方面，为了配合试验结果分析，因为试验目的是为得出到底需要埋设多少地下换热器，就现场的地面面积，是否能够满足埋设的要求，所以需要知道换热器换热的热半径，但是由于现场施工困难，对换热器周围埋设温度传感器比较困难，所以测量换热器周围温度场无法进行，针对于此，作者编写反映换热器周围温度场程序，程序运行图象能够显示热半径的长度，反映换热器周围土壤随时间和距离变化的温度曲线。5 东南大学硕士学位论文第二章土壤源热泵原理、分类和优点土壤源热泵是水源热泵将室外侧换热器埋入地下，与大地换热，靠换热器盘管中的传热工质循环流动，从地下抽取热龟或释放热鼍，利用地下的土壤温度相对稳定的特性，通过利用土壤中低位能，在冬天把低位热源中的热量转移剑建筑物内，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到供热或制冷的目的。2．1地源热泵的概述地源热泵技术是利用地球表面浅层土壤及水源吸收的大量太阳能而形成的低品位热能资源，利用热泵原理，通过少量的高位电能输入、实现低位热能向高位热能高效转移的一种技术，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到采暖或者制冷。地源热泵按照室外换热方式不同可分为三类”’：(1)土壤热交换器系统，(2)地下水系统，(3)地表水系统。土壤热交换器地源热泵(如图2．2所示)：包括一个土壤耦合地热交换器，有两种安装形式，一种水平安装，另一种以u形管垂直安装。不同的热交换器成并联连接，再通过不同的集管进入建筑中与建筑物内的水系统相连接。在北方寒冷的地区要注意在液体温度较低时，循环系统中需加入防冻液。该方案只需在建筑物的周边空地、道路或停车场打一些地耦管孔，室外水系统注满水后形成一个封闭的水循环，利用水的循环和地下土壤换热，将能量在空调室内和地下土壤之问进行转换。故该方案不需要直接抽取地下水，不会对本地区地下水的平衡和地下水的品质造成任何影响，不会受到国家地下水资源政策限制。图2．2土壤源热泵地下换热器形式图6] 第一：章}壤源热采J最理，分类和优点地F水地源热泵(如图2．3所示)：根据循环水系统。可分为两种形式，一种被称为开式系统，另一种则为闭式系统。开式地下水地源热泵系统是将地F水直接供应剑每台热泵机组，之后将井水回游地F；闭式地下水地源热泵系统是地下水和建筑内循环水之间用板式换热器分开的，地下水通过板式换热器与建筑内循环水系统进行换热，系统包括带潜水泵的取水井和回灌井。图2．3地下水地源热泵示意图地表水地源热泵(如图2．4所示)：由潜在水面以下的、多重并联的塑料管组成的地下水热交换器取代了土壤热交换器，与土壤热交换器地源热泵一样，连接到建筑内的水环路上，寒冷地区需要进行防冻处理。项目附近如果有可利用的地表水，水温、水质、水量符合使用要求，则可采用抛放地耦管换热方式，即将盘管放入河水(或湖水)中，盘管与室内循环水换热系统形成闭式系统。该方案不会影响热泵机组的正常使用；另一方面也保证了河水(湖水)的水质不受到任何影响，而且可以大大降低室外换热系统的施工费用。圈“地表水地源热泵示意图7 东南大学硕士学位论文2．2土壤源热泵的基本结构及其原理2．2．1土壤源热泵原理和结构土壤源热泵是水源热泵将室外侧换热器埋入地下，与大地换热，靠换热器盘管(或套管)中的传熟工质(一殷为水或其它水溶液)循环流动，从地_F抽取热量或释放热量，通常也称之为地源热泵。土壤源热泵技术是地F蓄能技术和高效热泵技术的完美结合。除具有一般热泵技术所具有的特性(将低位能转化为高位能)，根据环保部门的统计地能系统是高效率，有很好环保功能，占用空间小的系统，每吨热容量地能系统消耗的电力可节约1KW，另外还具有其他特点。它一般由地下换热器【高密度聚乙烯管I、冷凝器、蒸发器，压缩机、膨胀阀、水泵、板式换热器等组成；地下换热器中的冷冻剂在地下循环吸取热量或者冷量在板式换热器中与热泵机组中制冷剂交换，形成制冷、供热工况过程，流程如图所示：膨胀压缩机图2．1土壤源热泵工作原理图从图2．1上我们可以看出，除了地下换热器外，土壤源热泵空调的工作原理图和水源热泵空调是相同的，制冷剂在蒸发器、冷凝器、压缩机与膨胀阀之间循环，热泵机组获得的冷冻水或者热水连接到空调房间的末端，调节空调房间的环境“”。制冷工况，地下换热器连接的换热器为冷凝器，地下换热器吸取冷凝器中的热量，排放到地下；供热工况，热泵机组通过四通换向阀切换，冷凝器与地下换热器的热量交换，吸收地下的热量，通过热泵机组蒸发器与冷媒交换热量，达到供热的目的。土壤源热泵技术是地下蓄能技术和高效热泵技术的完美结合。除具有一般热泵技术所具有的特性(将8 第二章十壤源热袋原理，分类和优点低位能转化为高位能)．根据环保部门的统计地能系统是高效率，有很好环保功能，I一Ⅲ空间小的系统，每吨热容量地能系统消耗的电力可节约1KW，另外还具有其他特点。本文作者也主要对土壤源热泵的地F换热器进行研究，所以本文主要介绍土壤源热泵相关情况，当然其中也对南京某高校一个自然湖面也进行了地表水源换热器的测试，其试验结果和分析在后面有专门研究分析：同时，本文与实际工程一直紧密结合，在实际工程中，土壤源热泵地下换熟器普遍运用乖有埋管的方式，故本文研究基础是土壤源热泵且地F换热器埋管方式为垂直形式⋯1。2．2．2土壤源热泵的简介和分类闭式土壤源热泵系统将换热器管埋于地下，埋管形式有水平埋管和竖直埋管两种。水平埋管通常浅层埋设，开挖技术要求不高，初投资低于竖直埋管，但其占地面积大，开挖工程量大。这种形式在土壤源热泵技术的早期应用较多，现国外工程己很少采用。竖直埋管土壤源热泵系统占地面积小，受外界的影响极小，恒温效果好；施工完毕后，需要的维护费用极少，用电量小，运行成本大幅度降低。竖直埋管土壤源热泵系统是国际地热组织(IGsHPA)的推荐形式，它比较适合像我们这样人多地少的国家。如何提高钻孔效率，降低初投资中的钻孔费用是该领域研究的重点。水平埋管换热器有单层和双层两种形式，可采用U形、蛇形、单槽单管、单槽多管等形式，单层是最早也是最常用的一种形式，一般设计埋管深度为0．5m到2．5m之间；双层管系统一层约在1．2m深，另外一层在1．gm深．也就是先在1．gm深处敷设一层管道再回填到1．2m深处敷设另一层，双层敷设大幅度降低了挖掘深度和填土所需沙石量”“。垂直式地下换热器的埋管方式有很多种，一般分为三种形式，一种是u形管，最常用的，一种为套管形式的，另外一种为单管形式。垂直埋管换热器系统安照其埋管的深度又可以分为深埋管和浅埋管两种，浅埋管深度一般为8m到15m，深埋管深度由现场钻孔条件和经济条件决定，一般为33m到200m不等，在垂直埋管系统中，管道深入地下，土壤热特性不会受到地表温度影响，因此能确保冬季吸热和夏季散热之间的热平衡。土壤源热泵地下换热器各种方式如下图：水平埋管图2．7地下埋管换热器的水平形式9 东南大学硕士学位论文—●]r—-一单U管双U管套管螺旋管垂直埋管图2．8地下埋管换热器竖直形式2．2．3土壤源热泵地下埋管形式的确定土壤热交换器所需的地面面积取决于是选择垂直方式还是水平方式，考虑原则如下””：(1)大于20冷吨小于30冷吨，对于水平热交换器，一个典型的停车场的地表面积不够。(2)大于100冷吨小于200冷吨，一个典型的停车场的地表面积不能满足垂直热交换器占地面积的要求。(3)垂直热交换器通常用在6层以下的建筑物以满足所用管道的压力要求，除非选用耐压更高的管道，然而高强度管比较昂贵且难以加工。(4)对水平热交换器，建筑高度不是问题，埋设土壤热交换器的地面面积是唯一的限制。(5)如果使用闭路水冷却器或者其他类型的散热设备，不管是垂直的还是水平的热交换器，一个典型的停车场的地表面积可满足总冷吨数的25％以上，视不同的供热供冷负荷确定散热设备以补充土壤热交换器的冷却容量。(6)许多采用土壤源热泵系统的商用或者公用项目还可考虑适合热交换器安装的其他有关地域，例如运动场、草坪和公园。(7)水管需要保温以防结露，除非水环路温度总是高于7-lO'C。除了一些有大型内区，外区的建筑，其冷负荷为主，或位于南方的建筑以外，都要考虑防冻问题。(8)热泵选择时的使用进水温度，供热时从北方地区较小的以周边区为主的建筑的．1℃到南方的13℃，供冷时从北方的32"12到南方的40℃。2．3土壤源热泵优点“帕(1)属于可再生能源利用技术地表浅层好象一个巨大的太阳能集热器，收集了47％的太阳能，比人类每年利用能量的500倍还多。lO 第二章卜壤源热泵原理、分类和优点这种近乎无限、不受地域、资源限制的能颦，是人类可以利用的清沾可再生能源。并且地能也不象太日I能受气候的影响，也不象深层地热受资源和地质结构的限制。另外土壤源热泵冬季供暖时，同时对地能蓄存冷量，以备夏用，夏季空调时，又给地能蓄存热量，以备冬用，因此说土壤源热泵是可再生能源利用技术。(2)高效节能和较低的运行费用由于土壤的热物性比较特殊，地表面lm以下，地表空气温度的日变化己不能产生什么影响了，而温度的年变化在温暖湿润的地方一般为10—15M。对冬寒夏热的地方也就在40m左右。一般在深度30—40m，底层温度基本上为恒温，它不随时间发生明显变化，至少在短期内(几年)不发生大变化。土壤温度的稳定性是水源热泵和空气源热泵所不能比拟的。传热学中，一股认为土壤温度是地表空气的年平均温度(温度发生变化的地表层)。由于土壤具有相对稳定的温度，和合适的温度范围，保证了热泵在极端温度条件下具有良好的供热、制冷效率。冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得土壤源热泵比传统空调系统运行效率要高40％，因此要节能和节省运行费用40％左右。(3)环境效益显著上世纪90年代初，在日本东京签订的《京都议定书》就世界各国温室气体排放量作出了明确规定。广泛运用土壤源热泵可有效地降低温室气体排放量。由于土壤源热泵替代锅炉的燃烧供热，没有排放污染及废气污染，不需要堆放燃料和废弃物的场地，也不需要远距离输送燃料和热量。由于不燃烧原油产品，土壤源热泵系统现场基本不产生二氧化碳。特别是夏季，它能排除空气源热泵那样的热污染现象，也能避免中央空调那样的热污染和噪声污染。它将热量有效地蓄存到地表以下的土壤中。因此说土壤源热泵既不破坏地下水资源，又无任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。它大大节约了能耗，促进了环境保护。(4)一机两用土壤源热泵系统可以完成供热制冷等一系列功能，可供暖供冷，全年冷热供应，节省投资和占地，完全可以替代传统的供热锅炉、空调制冷机和热水加热装置等设备，它特别适用于大规模建筑和公共设施。在国外大型商业大厦、学校、工业区应用相当广泛。制冷供热一体化可有效降低运行成本。这种可再生能源利用技术，高效节能且无任何污染，顺应了国际能源发展大趋势，也顺应了我国的能源与环保政策，是值得研究与大力发展的可再生能源利用方式。(5)无需除霜由于室外换热器埋入地下，因此不存在冬季除霜的问题。不影响建筑的立体美观效果．由于埋入地下的管道材料使用寿命长，如果安装不出意外的话，它不需要维修，它的使用寿命与建筑物的寿命相同。(6)对建筑更新具有历史意义土壤源热泵系统没有锅炉房，这一机械设备所需的空间可以去除；同时成功的策略是在储藏室、地下室、阁楼分别安装更小的分散型热泵单元，用更小的管网提供空调和通风。另外在房项或地面省却了难看的冷凝器t增强了建筑的吸引力，使建筑师有更多的设计选择。省却房顶或室外的设备意味着地能系统污染小，清洁，美观，额外热损失小。 东南大学硕士学位论文2．4土壤源热泵空调特点比较和运行分析2．4．1土壤源热泵中央空调与常规中央空调特点比较“5以上介绍了十壤源热泵工作原理、分类和许多的优点，可以看出来与常规空凋有许多不同，这里系统比较下土壤源热泵中央空调与常规中央空调技术特点如下表所示：土壤源热泵中央空l比较项目溴化锂吸收式直冰冷机组+燃油(气)水冷机组+电热锅{调燃机组熟水锅炉炉I机房占地面积小，；|也可不设专用机机房占地面积较濡要冷冻机房和锅需要冷冻机房和锅占地面积l房，采用小机组灵大驷房，占地面积大炉房，占地面积大活安装在各个房间l{主机25年，地埋系冷水机组15—20年燃羚水机组15．20年设备寿命lo-15年f统50年以上油锅炉lO年獗油锅炉15年利用土壤和地下水夏季冷却水消耗夏季冷却水消耗量量为循环量的为循环量的永资源消耗的热量，不消耗水1％-2％，冬季供热1％一2％，冬季供热需l％．2％，冬季供热资源需捧污补水排污补水需排污补水夏季利用电能，能效电能，能效比4～6燃油或燃气，能源比3．5～4．5，冬季燃电能，能效比3．5～能源消耗以上利用率80％油或燃气，能源利用4．5率80％无燃烧排放，无热有燃烧污染，冷却有燃烧污染，冷却塔既燃烧污染，冷却环境保护塔有一定的噪音有一定的噪音和水塔有一定的噪音和岛效应和水霉菌污染霉菌污染水霉菌污染系统组成简单，维水泵、冷却塔能耗需要制冷供热两套护量小，维护方便，大，机组冷量衰减机组和维护人员，运机组和维护人员，运行维护节能效果明显，节快，维护运行费用行维护复杂，锅炉房运行维护复杂，冬能率40％～70％高需要设置安全措施季运行费用高可分区域控制，各集中控制，不能单控制灵活性区域可单独制冷或独选择制冷或供集中控制，不能单独集中控制，不能单选择制冷或供热独选择制冷或供热制热，互不影响热可分期投资，根据投资一次性投资实际需要逐台安装12 第二章十壤源热采原理，分类和优点2．4．2土壤源热泵系统运行费用分析比较以上对土壤源热泵空调与传统空调技术特点进行了比较，下面对土壤源热泵系统夏季和冬季运行费用与其他类型空调分析比较，选取在同一地区，夏季选用一个季度，土壤源热泵系统选取垂直埋管单U型土壤源热泵空调，家用空调选取鼙挂式空气源空调，中央空凋选取连冷却塔的冷冻机组。直燃机就选用一般溴化锂直燃机，根据相同的制冷负荷和制冷时间，分析它们的能耗，最后折算成费用，其分析比较如图2．5：图2．5(某地区夏季一个制冷季，图2．5中数据以目前市场中的基本实际情况为来源1．土壤源热泵比冷水机组中央空调节省42％：2．土壤源热泵比直燃机节省46$：3．土壤源热泵比家用空调节省54％。一个季度，单位：元／盈2)由此可得出以下结论：冬季采暖情况，选用运行时间为125天，热泵系统还是选取的土壤源热泵空调，天然气采暖选取用天然气热水炉加热热水采暖，壁挂炉采暖这里选用的电加热的，电采暖选取就是市场上家用电加热辐射，根据相同的制冷负荷和制冷时间，分析它们的能耗，最后折算成费用，其分析比较如图2．6：13 东南大学硕士学位论文图2．6(某地区冬季一个采暖季，125天，单位：元／f)图2．6中数据以目前市场中的基本实际情况为来源，由此可得出以下结论：1．土壤源热泵比天然气集中采暖节省62％；2．土壤源热泵比挂壁炉供暖节省67％；3土壤源热泵比电热供暖节省69％。因此，土壤源热泵系统不论制冷还是采暖运行费用同传统方式相比，暂且不论土壤源热泵系统在使用和结构上比其它系统的诸多优越性，就其节能效果均十分显著，符合国家的能源战略。 第三辛t壤源热泵地F换热器传热模型第三章土壤源热泵地下换热器传热模型对于一些情况，运用理论分析和模拟，可以要简单便捷很多，例如地下换热器周围的温度和热半径试验测试，现场施工埋瑷温度传感器比较困难，人力、物力和工稃耗资都比较大，如果选用比较准确的换热模型，编写计算机程序，模拟地下换热器周围温度场，则要比试验方法方便的多；本章研究分析一些成熟理论换热模型，选取目前最被广泛应用的圆柱型模型，建立数值解法，利用计算机模拟换热器在土壤的传热过程中土壤的温度随时间、距离变化情况，程序可以图象化的显示热半径大小。3．1基于线源理论的传热模型目前大多数土壤源热泵传热模型都是基于线源理论的，它是Kelvin于1882年提出。线源理论就是把地下埋管换热器的中心轴线视为线热源，以该轴为中心呈辐射状向周围传热。由于线热源只有长度量，无面积量，而距线热源不同距离的各个传热面的面积在变化，因此通常以单位面积传热为基础定义的传热系数分析使用不方便；另外，在实际运用过程中，总换热量主要取决于换热器的长度；在造价上，地下埋管换热器部份的成本也主要取决于钻孔深度或土方的开挖量，而换熟器本身的成本仅占很小部分。但是由于线源传热模型已经相当成熟，这里就列出主要传热模型的理论思想“61：3．1．1IngersolllITl方法Ingersoll(1948，1954)将Kelvin“”线源理论引入到实际中，论述了在无穷介质中获得任意一点温度的问题。他假定介质在初始状态下具有相同的温度，处于一个无限长的线热源中，它们的散热量是一个常量，在零时刻接通，则管子的温度可按Ingersoll给定的如下方程式来确定：M=轰簪∥=去旭，s．t这里X=—；=2√以其中，卜在线源上任意指定距离处的地下温度，℃；T。一地下的初始温度值，℃；q一线源上单位长度散热量，W／m；r一距管子中心线的长度，毗k一大地的热传导率，吖(m·℃)；a一大地的热扩散率，W／mz：t一运行的时间，hr；当X0f=o．r>ro采用积分变换法求解此方程组，得到下面的近似计算公式：觚加南∑等老瑞式中K(x)为贝塞尔函数哆23．303．3l3．323．33驴。篙：，两丽(-1)丽J-Sk5(2而k)!而，．MV=7一{叫l’I；靠)，2)(5一t)!(t—1)!t!(2七一J)!(J一七)!。‘虽然给出分析解，但是计算起来十分的困难，贝塞尔函数还需要根据条件查表，然后再计算出来，还比较复杂，因此建立数值解法，通过计算机模拟地埋管换热器周围温度变化的情况。3．4．2基于圆柱型模型数值解法首先，离散化要拿+三挈：三彗，利用等容积法把微分方程离散成多项方程组⋯w，利用Matl曲软dr‘rdra0f件进行程序编写“1，计算换热器周围不同远处不同时间的的土壤温度(r8序见文后附件)，利用有限差分的指导思想“1，建立非稳态一维的数学模型。一维的数学思想如3．3图所示： 第三章十壤源热泉地下换热嚣传热模型t边界条件离散方程：——●S●P●——N——◆——●——◆——SPN●口s瓦一a户耳+口Ⅳ％=bn，：毕D．％：孥O，口。0：—pcA—V。AfaP=4Ⅳ+口s+口Po—SpAVb=ap0耳o+ScAV△y=j1(，Ⅳ+rs)4本文考虑土壤内无内热源，所以：aP=口Ⅳ+4s+口P0b=a冀：其中，图3．3有限差分分析图耳、瓦、瓦表示有限差分一维坐标上三个相临的温度点kⅣ，ks表示导热系数边界条件3．353．363．383．393．403．413．423．43 东南大学硕士学位论文Lo表示土壤的初始温度h．吩表示N、S点传热半径覆表示距离问距△f表示时间间距根据离散化后的多项方程组，利用Matlab编写比较方便，图象化处理也更为简便，程序运行产生图形如图3．4、3．5所示：(1)放热情况：q=40W／m时，连续放热I()00h，土壤的起始温度为18"C，换热器周嗣土壤温度场的变化曲线：图3．4放热时温度场模拟图从图3．4可以看出，运行1000小时的情况下，在放热量为40W／m时，靠近换热器的土壤温度约32℃，而在距离换热器2．5米处，温度没有变化，即热半径约为2．5m，理论上说明在管井间距5米，连续取热40多天，没有热干扰，换热器的取热量仍然可以达到单位每米40w。同时，从图中还可以看出，运行的时间越短，温度场曲线斜率越大，靠近换热器的温度低，这些都说明模拟符合实际工作工况。(2)取热情况：q=40W／m时，连续取热1000h，土壤的起始温度为18"C，换热器周围土壤温度场的变化曲线： 第三章十壤源热泉地下换热器传热模型图3．5取热时温度场模拟图从图3．5可以看出，运行1000小时的情况下，在取热量为40W／m时，靠近换热器的土壤温度约3"C，甚至接近2℃，我们可以判断换热器内液体温度要低于2℃，指导我们在这样情况下(连续运行1000小时，取恒热流40W／m)，换热器内液体需要防冻，而在距离换热器2．5米处，温度没有变化，仍为土壤温度18"(2左右，即热半径约为2．5m，理论上说明在管井间距5米，连续取热40多天，没有热干扰，换热器的取热量仍然可以达到单位每米40w。同时，从图中还可以看出。运行的时间越短，温度场曲线斜率越大，靠近换热器的温度越高，这些都说明模拟符合实际工作工况。程序编写中，土壤的导热系数和热扩散系数是可变量，根据不同地区不同土壤物性而不一样，已知量是换热器单位每米导热量，以及土壤的初始温度，这两个已知量实际就是圆柱型模型两个边界条件，程序运行所得图中，分别模拟了散热、取热模型和它们5、25、240、500、750、1000小时的时间里换热器周围土壤的温度场情况，程序可以灵活模拟换热器周围的温度场，对各个地区，不同的土壤条件，不同的季节。程序只要知道针对于当地的土壤的导热系数，导温系数，土壤当时的原始温度这些客观的参数，然后根据试验得出的换热器的换热量，进行是取热和还是放热情况判断，时间的间隔和温度场距离间隔可以自主选择，同时模拟时间也可以自主设定，本程序使用比较方便的；程序能有效反映热半径的大小，对换热器埋设距离具有指导意义，是工程施工的有力的依据，能够有效防止相邻管井的相互热干扰，程序初始条件要使用试验测试的换热量，反过来程序的结果与试验测试数据结合起来，是土壤源热泵的设计分析基础和依据，同时，程序解决了现场对换热器周围埋设大量温度传感器困难的难题，解决了这个无法试验测试的这个问题，因此说本程序和试验测试是相辅相成的，不可分割的，是一个有机的整体。存在的唯一不足之处，由于没有试验结果，程序运行结果没有办法比较。m■目芒∞口P卓》 东南大学硕士学位论文第四章土壤源热泵换热器性能测试试验系统土壤源热泵换热器性能测试十分必要，它是工程设计、施工安装依据，在国外已经有很成熟试验测试技术，但对于我们国家发展土壤源热泵技术不能也无法照搬硬套国外的技术，国内在试验测试技术研究方面还不成熟，存在一些测试仅能测试换热器向地F放热情况，远达不剑测试规范和测试要求，为填补这项空白，我们课题组自行研发一套试验设备，能够自动采集和保存试验数据，精确度高，既可以模拟夏季工况，即放热试验，也可以模拟冬季工况，即取热试验。4．1试验台设计土壤源热泵地下换热器性能测试试验台系统主要由三部分组成：地下换热器、现场试验机组以及通过RS485与其连接的工控机。本试验台具有温度调节、流量调节、数据采集等方面的功能。试验台设计主要从流量、恒热流控制为设计出发点，选择水泵、控制器等。试验设备系统以工控机为核心，通过RS-485通信线与试验台连接，实现对试验台远程的控制和数据采集等，其中软件系统起十分重要的作用。试验通过模拟夏季和冬季空调工况，即对土壤进行放热和取热试验，测试土壤源换热器性能，指导设计和安装。工控机采用P．IIIPC机，数据采集接口采用美国M的Measurement＆Automation和严华ADAM-4000的模块；测试试验台由一台空气源热泵机组、前置加热器(两个，分别为4KW和2KW)、后置加热器(由可控硅控制，量程为0--12KW)、水泵(通过变频器进行控制调节的)、流量计、温度传感器、阀门、管路、一些电气设备等连接组成，设计测试温度区间为5-5012；埋地换热器系统一般为单u型管或者w型管，管材一般选择PE型，埋管形式主要为井埋管，也有桩埋管形式，管中回填材料一般为混凝土和膨润土或者黄沙。测试试验台和地下换热器实物图如图4．1、图4．2所示： 第泅章十壤源热采换热器件能测试试验系统图4．1测试试验台图4．2地下换热器及接头4．2试验台控制系统和数据采集系统数据采集的结果主要满足试验要求的需要，数据测点如试验台系统流程图4．4上所示，还有工程前期埋入土壤中的一些温度传感器。测量信号主要就是：温度传感器、流量传感器、压力传感器；温度传 东南大学硕士学位论文感器是热电阻，流昔传感器选川结构轻巧、反麻灵敏、测缱精度高的涡轮流精传感器”I；数据采集软件系统是采埘labview语言由专业人员编写的程序，本软件能够对数据进行自动采集和存储，每隔一段时间采集一次数据，每隔规定时间自动存储一次数据，并且能够完成必要的控制操作和数据库储存工作。本试验台数据采集系统先进性在于时时采集和自动保存数据，精确度高。控制系统主要是上位机通过RS485连接线远程控制现场试验台。包括水泵的变频器的频率，前置加热器的开关，后置加热器的输入电压，热泵机组的电源开关和涡旋压缩机及变频压缩机的开与关；为满足不同管径不同流速的测试要求，试验台配置是变频器驱动的高压水泵，能够为DN25和DN32的换热器提供0．4-3m／s流速的稳定循环水流；试验最根本要求应J{j恒热流加热或者取热，所以通过控制系统配备的PID程序，对循环水流进行恒热或者恒温方面的控制。试验台上主要安装三块美国NI的Measurement＆Automation的模块，分别是AIO模块，DIO模块，RTD模块；AIO模块主要控制变频器的频率和可控硅加热器的输入电压，同时采集流量计和压力表的数据；DIO模块就是控制热泵机组开启开量，试验台前置加热器的开关最：RTD模块主要负责采集试验台上进出试验台管路上水温，热泵前后的水流温度，水泵进口水流温度以及试验台周围的环境温度。另外工控机还可以连接其他一些模块，例如温度采集模块，温湿度采集模块等等，数据采集和试验台控制系统流程如图4．3所示：4．3软件介绍啪1圈4．3控制系统流程图LabVIEW是一种图形化的编程语言[G语言]。与VisualC++、VisualBasic、LabWindows／CVI等编程语言不同，LabVIEW用图标，连线和框图代替传统的程序代码，并且LabVIEW所运用的设备图标与科学28 第阳章土壤源热泉换热器件能测试试验系统家、【1翟'J6ffJ常J{j的大部分【割标基本一致，这使得编稚过程和思维过群{}常地相似。G语言是一种适合应用丁．任何编程任务、具有扩展函数库的编程语言。和Basic或C语言一样，G语言定义了数据模型、结构类型和模块调用语法规则等编程语言的基本要素，在功能完整和应用灵活性上不逊于任何高级语言，同时G语言丰富的扩展函数库还为用户编程提供了极大的方便。这些扩展函数库主要面向数据采集、GPIB和串行仪器控制以及数据分析、数据显示和数据储存。G语言还包括常_l{j的程序调试工具，例如允许设置断点、单步调试、数据探针和动态显示执行流程等功能。G语言与传统编程语言最大的差别在于编程方式，一般高级语言采用文本编程，而G语言采用图形化编程方式。G语言的典型代表LabVIEW是带有可扩展函数库和子程序库的通用程序设计系统。它提供了用于GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、数据分析、显示和存储的应用程序模块。LabVIEW可方便地调用Windows动态链接库和用户自定义的动态链接库中的函数；LabVIEW还提供了CIN[CInterfaceNode]节点使得用户可以使用由C或c++语言[如ANSIC]，编译的程序模块，使得LabVIEW成为一个开放的开发平台。LabViEW还直接支持动态数据交换[DDE]、结构化查询语言[SOL]、TCP和UDP网络协议等。此外，LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够很方便地设置断点，动态地执行程序来非常直观形象地观察数据的传输过程，以及方便地进行调试。LabVIEW的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯．诺伊曼计算机体系结构的执行方式了。传统的计算机语言[如C语言]中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替；从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式[DataFlowMode]，这种方式确保了程序中的函数节点[FunctionNode]只有在获得它的全部数据后才能够执行。也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统、计算机等因素的影响。LabVIEW的程序是数据流驱动的。数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出．只有当它的功能完全时才是有效的。这样，LabVIEW中被连接的方框图之间的数据流控制着程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。从而，可以通过相互连接功能方框图快速简洁地开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行。4．4试验台工作原理试验分两个过程：模拟夏季空调制冷工况(换热器放热)和模拟冬季空调取暖工况(换热器取热)。换热器放热试验是通过现场试验机组中加热器加热热水在换热器中循环，向地下放出热量，模拟夏季空调工况冷凝器向外放热。换热器取热试验是通过现场试验机组中制冷机制冷水在换热器中循环，从地下土壤吸热，模拟冬季空调工况冷凝器从外界取热。地下换热器通过水泵与试验机组连接，试验机组的加热器和热泵制热水和冷水，运用水泵使其在地下换热器中循环，热水在地下换热器中放热，冷水在地下换热器中取热，分别来模拟夏季工况和冬季工况。试验操作流程，首先连接好强电线路、水管路，和通讯线路以及各传感器与模块的连接。然后进行加压排气，捧气过程水泵变频器调至50}Iz，通过膨胀水箱不断补水，观察水泵进出口压力表，直到压力差达到稳定值，膨胀水箱内水体积保持一定，则说明管路摔气完毕。试验正式开始，在labview界面上，点击至manualon，根据试验水管路流量设定，调节水泵变频器的模拟量输入，如果是进行放热试验，根29 东南大学硕士学位论文据地F换热器的尺寸，开启加热器(其也为模拟鼙输入控制)，如果是进行取热试验，根据地F换热器的尺寸，开启热泵空调机制冷。试验台所制的热水或冷水通过水泵在换热器与试验台之问循环，循环热水为放热试验，热水通过地下换热器向土壤放热，循环冷水为放热试验，热水通过地下换热器向土壤取热，根据循环水的放热量或者吸热量计算单位井深的放热量或者取热量。试验台系统工作流程图如下图4．4所示：图4．4试验台工作流程图在试验的过程中，数据的扫描每lO秒钟一次，6个小时保存一次文件，文件的形式以二进制的形式保存，所以试验结束需要数据处理，把保存的二进制文件通过编制的labview程序读取出来，得出试验时时记录的数据，温度、流量、压力等数据，通过这样读取找出稳定工况的试验数据，在EXCEL中编写了简单程序，包括流速计算，总热量计算，水平管热损失计算，单位井深热量计算等等，只要输入测试所得到的稳定试验数据，就可以得出所需要计算的结果。基本的数据处理方法如下⋯⋯：l、井埋管的地下换热器总的换热量Q【l(w】Q=GC，p(t2一tI)4．1G——管中的水流量，m3／hGl_水的比热，kJ／kg．℃p——水的密度，kg，otl——管进口水温度，℃t厂管出口水温度，℃2、每米井深的单位换热量q[w／m】口：—QxlOO—O-qo4．21fqo——置于地面上的水平连接管与外界的热量损失，wl——井的深度，m30 第四章}壤源热泉换热器什能测试试验系统3、利川线热源模颦住卜壤物性等已知的条件F，根据进回水温筹平均值和规范标准规定时间，计算出土壤的导热系数^，反过来利用导热系数求取要求规定的进出口温度F的换热量‘‘⋯，分析如下。根据式3．2，这里为改为：mf)=q广4a‘d。U一‰4．3公式4．3变化为：M)=南E-云)4．4其中E一为积分指数：毛c岳卜-nc等一y其中c等跳V是欧拉矧v=o．研zm，。．s这里假定管半径与井半径相同(r=h，)，管与井之间存在热阻R，则方程4．3可写为：w，。南m争M+嗟i。．。把土壤原始温度To提取出来，令L=T(ro，f)+To即Tf为管进出口平均温度，则式4．6为：弓2南㈨等M+q参怕4，将4．7简化：0=kln(t)+n4．8其中n为常数，与土壤初始条件和物性有关。这里通过已知进出El的温差，和测试时间t，求出k值，然后求出土壤导热系数名：丢4．94破下面是根据测试管进出口温度分析的土壤导热系数情况：管进出口温度如图4．5所示(横向坐标时间值，纵向坐标温度值)，黑色线进口温度，兰色线出口温度。3l 东南大学硕士学位论文图4．5进出水温度曲线图利用给出的进出口温度，可以绘出曲线如图4．6，进而计算导热系数^值。图4．6土壤导热系数拟合曲线图从上图可以得到土壤导热系数^的值约为IA2W／m／K左右，这样根据获得的^值，反过来代入线热源公式，对于规定任意的管进口温度，可以求出在标准的时间内单位管井的换热量。4．5试验台误差分析任何科学试验都必须借助于一定的试验装置和测量手段来完成，误差理论指出：凡是测量和试验，无论试验装置多么精密，也必然存在误差，测量水平的不断提高，只能使误差逐渐减小，不可能使误差为零，只有充分考虑并尽量减小试验误差的影响，才能得到真正有价值的试验结果。本节以换热器放热量为例进行误差分析。32 第四章十壤源热泉换热器什能测试试验系统一、误等分析的基本原理根据测量误差出现的规律可知：测量值可能有三种误差，即随机误差、系统误差和粗大误差。粗人误差是指明显地歪曲了测量结果的误差，大多是由于测量者粗心大意造成的。在试验过程中只要按一定的程序认真测量、记录，粗大误差是可以避免的，故在此不讨论。随机误差是指在相同测鼙条件下，对同一被测量进行多次测量，由丁二受到大量的，微小的随机因素的影响而产生的绝对值大小和符号没有一定的规律且无法简单估计的测龟误差，这类误差一般用统计理论米进行估计。系统误差是指在相同测量条件下，对同一被测量进行多次测壁，误差的绝对值和符号保持不变或按一定规律变化，这类误差称为系统误差。系统误差可分为己定系统误差和末定系统误差。对于已定系统误差，在某些条件下测鼍时测量值的残差基本上均为某一固定的符号，当测量条件发生变化时，误差值也改变符号，所以在一般情况下是比较容易消除的．而未定系统误差的大小和方向是未知的。因此，本文只对试验装置的随机误差和系统误差中的未定系统误差进行估计。”。本试验通过各传感器测得基本参数温度、流量等，再根据关系式计算得到换热器的放热量。这里换热量是计算得到的，属于间接测量，间接测量与直接测量之间存在一定函数关系，在直接测量中，测量误差就是被测量的误差；而在间接测量中，测量误差是各个测量值误差的函数。因此，研究间接测量的误差也就是研究函数误差，函数误差计算就是研究函数中误差的传递问题。l、函数系统误差计算公式：口=±窆i=l黾aXla．，。式中，0--间接测量值的系统误差：里——各个误差的传递系数；峨谚——直接测量值的系统误差。2、随机误差的计算公式；艿=±式中，万——间接测量值的标准误差：疋——直接测量值的标准误差。3、试验结果综合误差：￡=±(伊+J)式中，￡——综合误差。二、换热器放热量误差分析由式4．1得：Q=GCep(t2一‘)l、换热器进出口温度测量误差4．1l4．12 东南大学硕士学位论文(1)未定系统误差进同水温度都是采_I}j热电偶测量，在试验前进行标定试验，可以近似认为热电偶和水银温度计测鼙值具有相同的精度，精度为O．02，水银温度计最小分度为0．1℃，量程为0-．50。C。则：气=+-2x(O．02x50xO．1)=±o．2℃(2)随机误差水银温度计的分度为±O．I'C，读视误差为±0．05℃，则：冗=+√0．052+o．052=±o．0707℃2，换热器放热量误差分析(1)未定系数误差由式4．10和式4．1得岛=±(面aQ，'B。把式4．I具体数值(这里选取试验测试中任意一组数值)代入得：岛=±觚，气=±—990—x4．丽18x广O．6xO．2(2)随机误差由式4．11和式4．1得皖=±鼹藏=±o．137把式4．1具体数值(这里选取试验测试中任意一组数值)代入得；3、换热器放热量的综合误差白=±(铭+岛)=±(o．137+0．048)=如．1854、换热器放热量的相对误差鲁=而+-0．185×100990x48x00％=控．6％D．1．6×l‘’’⋯。3600=如．048从以上误差分析结果来看，本试验台测试数据具有比较高的精度，测试的换熟器放热量能够反映土壤源热泵换热器性能。 第五章土壤源热泉换热器件能测试研究第五章土壤源热泵换热器性能测试研究土壤源热泵系统是向大地或者是把大地作为热交换器来传送热量的，影响这个传热过程的主要因素有两个：一是传热面积(如管长和直径)；一是大地的热工特性。对于给定的热负荷和冷负荷，热交换器的长度取决于大地的热工性能，因此，对于研究或者设计土壤源热泵，我们最起码要先了解大地的热工性能和影响它的诸多因素。5．1地温测试5．1．1土壤温度变化的一般状况总体上看浅层土壤温度有冬暖夏凉的周期性规律。根据文献土壤的日变化特点是地表的温度，在日出时升高，在午后13：00、14：00达到峰值而后下降。通过计算土壤表层的温度日变化深度小于I米；以年为周期看土壤温度变化，我国大部分地区地表气温从三月份开始上升，七、八月份以后达到最高。土壤温度则相对有一个延迟周期，通过传热学计算，地表下15米以下的土壤到达最高温度在十一月份以后，而最低温度则出现在四月份以后。在达到相当深度以后，土壤温度就终年不变，这种温度终年不变的土层，在高纬度地区出现在25m深处，在中纬度地区出现在15m-20m处。土壤中的水分可视为稀薄溶液：同时土壤中存在一定量的盐份，从常规看，盐溶液的冰点均低于O'C，因此土壤冻结应略低于O'C”“。5．1．2-I-壤物理参数⋯1影响土壤温度的地理参数有：纬度，海拔，坡面。纬度高则吸收太阳辐射小，温度偏低；纬度低吸收太阳辐射高，地表温度高。一般地，高山的土壤温度低于平地的温度，而向阳面的温度一般也高于阴面的温度。土壤热物性影响参数有密度p，含水率w，空隙比e，饱和度sr，比热cp，导热系数k⋯1。(1)含水率．．，：mo-mdx100％5．Im口式中，mo，md一千土t天然土质量，Kg当水充满土壤空隙时，为饱和土，该参数与空隙比有关∞水的体积含量加岂蚶慨式中，K，E一水和土壤的体积，岔：(3)在土壤的热物性的诸多参数中。土壤的导热系数最为重要。你定义式为：k=m，q磊式中，q-法线方向热流通蹙，w／m2，at／an一法线方向的温度梯度，K／m5．25．3 东南大学硕士学位论文已有的研究表明⋯，士壤的导热系数和t壤的密度，含水率，空隙度和饱平¨度有关。土壤物性参数对土壤换热能力、蓄热能力具有决定性作用。5．1．3大地初始温度的确定大地的初始温度是土壤源热泵地F换热器性能测试基础，其值必须在测试之前确定，这里首先介绍计算法确定地温，后文有专门试验进行一些地区地温测试。由文献[36]，地温T(t，z)随地层深度和时间的变化，可按下式计算：m'z)却即-Z噍os(甜一z×层)s．a式中T——从地表面温度年波幅出现算起的时间，h：z——从地表面算起的地层深度，Ⅲ；T(T，z)——在T时刻，深度Z处的地温，℃；Tm～年平均地表温度，℃；As——地表面温度年周期性波动频率，℃；。——温度年周期性波动频率，1／h；∞=2Ⅱ／T=0．000717卜温度年波动周期，h，T：8760a——大地导温系数，m2／s。按上式5．4计算的初始温度，还应加上地面条件温度附加值T。，一般光秃地面T。为0，树木杂草地面T。为1’2"C。一般地层深度每深30m地温升高I*C，为此，上述结果还应该加上地层深度附加值(z／30)℃。因此，初始地温计算式为：舢却AJe壤cos(研一层)+嘉瞄该计算式5．5经文献[37]验证，其计算值与实测值的最大偏差为-1．87"C，平均偏差为-0．19"(2，说明此公式计算初始地温是可行的。5．1．4南京某地区地温测试结果第一组测试l、测试对象测试一个地基桩中分别30米，12米、5米的地下温度，另外在地下lo米、5米的土壤温度，被测试土壤表面的温度。2，测试原始资料测试时间2005年12月19日至20日，测试时的大气温度一3—6℃；桩中回填材料为细沙。3、测试图表 第五章1．壤源热泉换热器抖能测试研究图5．14、测试说明和结果分析chO--桩下30米一温度20．1℃，ch!一桩下5米一温度16．5"C，ch2～桩下12米～温度17．4"C，ch3～地下5米一温度17．3"C，ch“环境平均温度一温度4．4℃，ch5～地下10米一温度18．3℃。从试验结果和当时施工情况来看，桩内埋敷12m和5m的两个温度传感器可能埋设深度不够，其余基本反映地下土壤的温度状况。第二组测试1、测试对象测试地下lO米、5米的土壤温度，两地埋管水平管段的平均温度，被测试土壤表面的温度。2、测试原始资料测试时间2005年12月20日一21日测试期间大气环境温度：一3-6℃3、测试图表图5．24、测试说明和结果分析chO-I水平管段温度一温度13．27℃，chl一地下10米一温度18．40℃。ch2．2水平管段温度～温度12．57"C，37 东南大学硕士学位论文ch3一地F5米一温度17．IO'C。ch4．-,环境平均温度一温度5．3。C。第三组测试l、测试对象埋设在车库下土壤深度为lOm的6个测量温度点。2、原始资料测试时间2005年12月24日，测试时的犬气温度一3—9℃。3、测试图表图5．34、测试说明和结果分析chO=17．45℃，chl=17．40℃，ch2：16．97℃，ch3=17．23℃，ch4=17．27℃，ch5=17．35℃。根据上述各测点的平均值可以推断，地下lOm处的土壤温度应该为17．2—17．4"C，试验结果分析看ch2的16．9712可能是埋设深度误差造成的。5．1．5南通某地区的地温测试l、测试对象管井下30米和60米的土壤温度，与PE管一起埋设。2、原始资料测试时间2006年8月1日，测试时的大气温度30一35℃；3、测试图表 第五章土壤源热敏换热臻"能测试坍究图5．44、测试说明和结果分析灰色线一测量深度30米，温度约17．6"C，黄色线一测量深度60米，温度约17．312。5．2某地区土壤源热泵换热器性能测试5．2．1试验概况试验地点是在华中某地区，试验日期8．19-8．25，环境温度30℃。其地下换热器主要参数如下；l#井，单U，打井36m，埋管35m，连接试验台的小流量计(1．2m3／h)。水平连接管长度2x17m，回填材料黄沙。2#井，w管，打井35m，埋管34．5m，连接试验台的大流量计(6m3／h)。水平连接管长度2×15m，回填材料黄沙。管径DN32X2．9，内径26．2。两井间距4m。地质资料：从测试井的打并情况看来，施工现场的地质构造是：O～4米粉质粘土，4～10米沙土层，10米以下强风化岩石。表5．1试验井埋管的施工和安装数据试验选用的井埋管缟号1号井(u型)2号井(w型)埋管垂直深度【m】3534．5垂直埋垂直管总长70138管段度【m】回填材料黄沙 东南大学硕士学位论文安装方法自然F管EI然F管井口直径“O150fmmlPE管外径【mml32内径【mmJ26．2距离lml1715连接管总长3430连接管度【m】保温材料橡树保温套．厚度20mm5．2．2水平管与空气的传热计算模型试验的过程中，地下换热器与试验机组之问有一定的距离，这段PE管虽然包有保温材料，但是与空气还是有一定的换热量，这部分不属于地下换热器与土壤的换热量，故应该是热损失，这部分热量要从总换热量中去除，因此从理论上分析计算这部分换热量，于是建立下列的模型，并且把这些计算模型输入EXCEL文档，馒计算起来方便快捷。水平管与空气的单位管长传热量采用下列计算公式参考文献【28】【381：坷：{t∑8--Rtf(供水管热量损失)，．。’【下t^--tf(回水管热量损失)总热阻【IlLl(，w】：∑R=墨+足+足+R5．7管内热阻【m．KIW]： 第五章t壤源热泉换热器什能测试研究足=——-二一13．14D。h^：丝兰=鎏堡Re=．u．．．．．．D．——Re=104～1．2x105,Pr=0．7—120时：5．8Nu=0．023心”n”腮={：三{舅耄橥篡；当lk=2300—106，Pr=1．5—500时：^k=。．。-z(Re。-87-280，Pro。[-+(孚)；](苦)0“恐=瓦1tn(封s．，玛=甄1h(剖s加尺．=—————二———一5．11’3．14xDbxh_空气秸度，Dn-PE管内径，Dw-PE管外径，Db．保温层外径，o进水温度(℃)·o回水温度(℃)，tr空气5．2．3散热试验散热试验是模拟夏天的空调运行工况，空调系统通过制冷设备把各房间的热量抽取出来，通过地埋管换热器排向地下土壤，因此，地埋管换热器在夏天的功能犹如一般空调的外机。测量地埋管在夏天的散热功能，就是根据空调运行所对应的冷凝温度，制成一定温度的热水，通过循环水泵使热水在埋设的PE管中以一定的速度流动。热水的温度高于地下土壤的温度，在PE管的流动过程中，把热量传导到土壤中去。地埋管的传热功率就是计算循环水的实际散热功率。5．2．3．1散热试验的总传热量表5．2是井埋管散热试验的总结果，其循环水在井埋管中的进出口温差和传热量是由u型PE管换热器和水平连接管共同作用的结果。4l 东南大学硕士学位论文表5．2：散热试验结果和总传热母1静，回填(黄沙)2f，回填(黄沙)进水温度回水温度流量隐传热量进水温度回水温度流量I总传热量[℃]lm’／111fkW】[℃]【m‰l【kw】37．8536．51．15l2．1437．9536．151．1352．36试验中流量与管内流速的对应关系为：J#井流量I．15Im‰对应于管外径32mm管内流速O．59m／s，捕井流量1．135m3／h对应于管内流速0．58m／s。5．2．3．2散热试验中水平管的影响上述试验得到的传热量为每个井埋管的地下埋管传热量和水平管散热量的总和。为了计算垂直段单U井埋管的传热能力，必须对水平段连接管道的传热影响进行理论分析．具体的计算模型在5．2．2中“水平管与空气的传热计算模型”中作了详细介绍。在对水平连接管道进行传热分析过程中，对理论传热模型做了工程简化。假定水平连接管道只与周围空气发生传热，橡树保温材料与连接管道接触良好，没有接触热阻，PE管的导热系数为0．43W／m．K，橡树材料的厚度为20nun，导热系数为0．037W／m．K，橡树保温材料与周围空气的传热是传热系数为5W／m2．K的自然对流。应用传热模型，根据散热中管内水流的流量和温度，就可以计算出水平管在各种工况下的平均散热能力，计算数据见表5．3：表5．3：水平连接管的传热量分析水平{水平管进水段水平管回水段连|环境传热量[W／m温月传热量管道温度温月[℃][w／Ⅲ][℃]3037．1．536．：1．3l肼埋{53037．t．536．1．22#井埋{5根据理论计算，连接管道与30"C的环境空气的传热量约为IW／m左右，随着管内流体温度的升高和环境空气温度的降低而增大。5．2．3．3散热试验中垂直埋管传热能力的分析计算井埋管垂直段单u井的传热能力，需要将表5．2中的总传热量扣除表5．3中水平管的传热量。表5．4列出了两个井埋管在两种不同工况下的单位深度换热量。表5．4：井埋管垂直段的传热量分析1号井埋管垂直段传热性能分析2号井埋管垂直段传热性能分析进水温度流量进出口温差散热量进水温度}流量妊出口温差散热量[℃]【m‰l[K][W／m井深1[℃]lIm3／hi[K]l【w，m井深】37．851．1511．3560．637．951．1451．867．9比较i#和2#两个井埋管换热器，在循环水流量为1．151m3／h(流速O．59m／s)和进水温度为37"C左；E42 第五錾f：壤源热泵换热器件能测试研究时，在相近的进水温度的情况F．1号井比2号井单位散热黯少，因为2号井是w管。5．2．4取热试验取热试验应用于冬天的热泵供热工况。在冬天，土壤源热泵以地下土壤作为热源，通过埋没的地埋管换热器从地F土壤层收取热量，再输送剑各个房间。测餐地埋管冬天的传热功能，就是根据热泵运行所对应的蒸发温度，制成一定温度的冷水，通过循环泵驱动冷水在埋．垃的PE管中以一定的速度流动，由于PE管内循环水的温度低于周围土壤的温度，冷水在PE管中的流动过程中，从土壤里吸取热量，温度升高。地埋管的取热试验就是根据循环水在PE地埋管中流动过程中从土壤中吸取的热量，来确定地埋管在取热过程中的传热能力。5．2．4．1取热试验的总效应下表是井埋管取热试验的总结果，其循环水在井埋管中的进口、出口温差和传热量是由单u型PE管换热器和水平连接管共同作用的结果。表5．5：取热试验结果和总传热量一1舞．回填(泥浆+膨润土)2#。回填(泥浆+膨润土)进水温度回水温度流量憾传热量进水温度回水温度流量憾传热量[℃]【m3／hI[kWl[℃][m3／hl[kWJ9．310．65I1．1761．8529．310，851．J892．05试验中流量与管内流速的对应关系为：流量1．176m3／h对应于管内流速0．615m／s。流量1．189m‰对应于管内流速0．622m／s。5．2．4．2取热试验中水平管的影响和放热试验一样，应用传热模型，根据散热中管内水流的流量和温度，就可以计算出水平管在各种工况下的平均散热能力，计算数据见表5．6：表5．6：水平连接管的传热量分析水平{水平管进水段水平管回水段连{环境传热量[W／m温月传热量管道温度温月[℃]【w／m][℃]304．O10．‘3．7l肼埋{9．：5304．010．3．7z#井埋{9．：5根据理论计算，连接管道与30"C的环境空气的传热量约为4W／m左右，随着管内流体温度的升高和环境空气温度的降低而增大。5．2．4．3取热试验中井埋管垂直段传热能力分析表5．7比较了两个单u型井埋管换热器的传热性能，在两种不同进水温度和循环水流量工况下，发生在垂直段的循环水温差和单位井深传热量。43 东南大学硕士学位论文表5．7：井螂管乖疽段的传热性能分析l号井埋管垂直段传热性能分析2号井埋管垂直段传热性能分析进水温度流量陋出口温差陬热量进水温度流量陋出口温差啤热量Eoc]【m3，111[K][W／m井深】[℃]【m‰l[K]l[W／m井深19．31．1761．355l，O9．31．189I．5557．85．2．5试验数据图表5．2．5．1散热试验图表进水温度=37℃左右，循环水流量=1．15Im3／h和1．135m3／h左右 兰至至三竖塑銎墨堡垫堡竺丝型彗竺壅图5．55．2．5．2取热试验图表进水温度9℃左右，流量1．176m3／h和I．189m3／h左右 东南大学硕士学位论文图5．6图5．5，5．6中，在温度曲线中(图上显示只是截取达到稳定状态下l小时温度变化曲线)，●“1．2-in【℃l”是与最大流量为1．2m3／h流量计相连接的、井埋管进水温度：●“6_in【℃r是与最大流量为6m3／h流量计相连接的、井埋管进水温度：●“1．2_out【℃r是与最大流量为1．2m3／h流量计相连接的、井埋管回水温度；●“6in【℃】”是与最大流量为6m3／h流量计相连接的、井埋管回水温度；●“WPump_in【℃】”是循环水泵的进口温度：●“HP_out【℃】”是热泵的出水温度。在流量曲线中，●“lfl【m3／h]”是与最大流量为1．2m3／h流量计相连管道的循环水流量；●。6玎fm3／h]”是与最大流量为6m3／h流量计相连管道的循环水流量；在压力曲线中，●“Pin【MPa]”是井埋管的进水压力；●“PoutfMPa】”是井埋管的出水压力：5．2．6试验结果总结本试验比较了相同回填材料和施工方法对井埋管传热性能的影响，选择了(1号35m井深和2号34．5m井深)l挣井为单u型井埋管和错井为w型井埋管作为研究对象，l号井与2号井都采用黄沙作为回填材料，就散热和取热两种不同运行模式，分别选用了两个不同温度和流量，进行了系统的试验研究。在消除了水平段连接管道的传热影响后，得到了每个井垂直埋管部分的传热性能参数，总结如下：在散热运行模式下，l#井埋管具有的散热能力为60．6[W／m井深1左右：2#井埋管具有的散热能力为67．9[W／m井深】左右；循环水在井中的进出口温差随着流量的降低而变大。在取热运行模式下，1#井的单U型井埋管具有的取热能力为51．0{W／m井深1左右；2#井的w型井埋管具有的取热能力为57．8[W／m井深l；循环水在井中的进出口温差随着流量的降低而变大。这里试验研究发现，w型井埋管在相同条件下是单U井埋管散热能力的1．12倍左右，取热能力的46 第丘章土壤源热泉换热器性能测试研究13倍左右．数值比较其余地l≤测试有所偏小，可能是同填黄沙时没有充满w管井所致。从试验数据中和土壤结构来看，本地区适合采用土壤源热泵。5．3不同类型地源热泵换热器的传热性能比较p91利用地表岩土或者水源作为热泵的冷源或者热源的地源热泵为建筑物进行供冷或者供热，已经成为近年来国内外建筑节能的技术热点⋯’*l,4zl。而地源换热器的传热性能和运行可靠性又是这类节能技术成功与否的关键。由于地表的地质构成、水文特性，物理特性等方面的参数各不相同，相应的传热性能就会随之改变，因此在不同地区制着的地源换热器的传热性能就会变化。按照地表地质构造的不同，地源换热器可以分成不同类型，这里研究了三种地源换热器：粘土型、岩石型和地表水型。对于每一种类型来说，地质构造和地理位置大相径庭，传热性能也会发生很大变化。5．3．1粘土型换热器试验与结果试验打井80米，没有岩石，在地下0．5米处就出现了地下水。制作两个地埋管单U管换热器，一个井深80m，采用DN32rmⅢ的PE管，另一个井深60m，采用DN25mm的PE管，回填材料均是水泥+膨润土+黄沙。为了测量地下土壤的原始温度，在地埋管附近埋设了两个温度传感器，深度分别是60m和30m。地埋管传热试验开始前，先对地下土壤进行了测量，测得地下60m和30m深处的土壤温度分别是17．7℃和17．4"C。试验研究是在5月份进行的，测试期间环境温度的昼夜变化区间是26℃一32"C。图5．7记录了试验台6个小时的散热试验过程中的温度曲线，其中黑线是地埋管进水温度，红线是地埋管的回水温度，兰线是试验台的环境温度。试验一共进行了大约50小时，图5．7记录的6小时试验中，地埋管进出口水温逐渐升高的速率比较快；6小时后循环水的逐渐升高的趋势依然存在，但是水温变化速率逐渐减小；距离试验开始18小时以后，循环水温度升高的趋势变得非常小。可以认为，在该试验中，地埋管内循环水温度达到稳定所需要的时间是18小时。土壤源换热器循环水温度达到稳定后，进水温度为37．60"C，回水温度为34．45"C，水流量I．332m3／h，分析得到发生在地埋管换热器中的传热负荷为每米井深60W，按照单U管的管长计算，每米管长30W。 东南大学硕士学位论文图5．7粘土型地埋管传热试验中的温度变化曲线5．3．2岩石型换热器试验与结果试验打井60米，表层是沙土，深层为全风化、中风化、微风化岩石。制作两个地埋管单U管换热器，l#井深30m，采用DN25mm的PE管，回填材料是混凝土；2#井深60m，采用DN25mm的PE管，回填材料是水泥浆+膨润土。为了测鼍地下土壤的原始温度，在地埋管附件埋设了一个温度传感器，深度分别是60m。地埋管传热试验开始前，先对地下土壤进行了测量，测得地下土壤温度分别是17．2"C。试验研究是在3月份进行的，测试期间环境温度的昼夜变化区问是0℃-13℃。试验一共进行了大约50小时，图5．8记录了试验台的散热试验开始过程中的温度曲线，图5．8记录的试验中，地埋管进出口水温逐渐升高的速率比较快；l小时后循环水的逐渐升高的趋势依然存在，但是水温变化速率逐渐减小；距离试验开始5小时以后，循环水温度升高的趋势变得非常小。可以认为，在该试验中，地埋管内循环水温度达到稳定所需要的时间是7小时。土壤源换热器循环水温度达到稳定后，进水温度为37．05℃，回水温度为34．32℃，水流量0．86m3／h，分析得到发生在地埋管换热器中的传热负荷为每米井深“．7w，按照单U管的管长计算，每米管长22．35W。图5．8岩石型地埋管传热试验中的温度变化曲线48 第五章1：壤源热泉换热器什能测试郇f究图中：黑色线——l#换热器进口温度，兰色线——l#换热器出El温度红色线——2#换热器进口温度，粉红色线——2#换热器出口温度。5．3．3地表水换热器试验与结果对于地表水水源热泵，水池或湖泊的面积及深度对系统供冷性能的影响要比对供热性能的影响大，在八月份，湖水或河水的温度应低于80F，这就意味着在南方其深度应为15—20ft，南方的深水湖的夏季水温在45～50F之间时，如果热负荷的要求能够满足，那么就不会带来任何问题。一般说来，如果水池和湖泊的深度小于10ft，水体就不会由于温度差异而产生分层现象，且用于供冷时其散热能力并不比使用室外空气冷却的方式强。浅水池或湖泊的热负荷不应超过15冷吨，英亩水面或其水体不应产生温度分层现象。对于温度分层明显的深水湖，其热负荷的最大值应不超过80冷吨，英亩。冬天，地表水的平均温度会显著F降，由于地表水上覆盖的冰层可以限制温度的下降，但泉水和风会阻碍冰层的形成，因此会对此产生很大的负面影响，地表水必须保持足够高的温度以避免在热交换器中出现大量的结冰“’。地表水换热器的试验研究选在南京地区的一个湖中进行。该湖有水面300亩，夏季平均水深4m，冬季平均水深3m，最深处10-12m。蓄水量50000m3。三个换热器，管长均为200米，外径DN32的PE管，l#为抛管(管子拉直抛入湖中)，2#为螺旋管，3#为盘管，1#换热器制成间距为lm的u型管，水平安置在水面下2m处；2缑热器制成螺旋状，四圈串联连接起来，安置于水面下2米；3#换热器水平螺旋起来，每圈都固定在一起，安置于水面下2米。换热器的具体尺寸见图5．9。试验研究是在9月份进行的，测试期间环境温度的昼夜变化区间是19℃一29℃。 东南大学硕士学位论文试验结果数据如表5．8：图5．9地表水热泵换热器布置图表5．8地表水热泵三种类型换热数据放热试验取热试验抛管盘管螺旋管抛管盘管螺旋管●进水温度℃33．9433．7l35．8515．7115．949．29出水温度℃27．1028．2921．5l22．1920．22进出水温差6．846．6l7．56．5．80-6．25—10．93湖水温度℃22．8022．7022．4022．5022．80流量Qm3／h1．5781．5521．5721．J791．20l1．160流速vm／s0．826O．8120．8230．6t70．6290．607总换热量KW12．5311．9lt3．807．948．7214．72 第五章十壤源热泉换热器抖能测试耐『究539lO管l壬m2002()o200单位管长换62．59．6903970435873．6l热量w／m6696O这里选取2井换热器，介绍其中一个敞热试验·该试验的白天和晚上都是晴夭，气温变化区间为20-25"C．昼夜湖水水面F5cm的温度变化区间为22．％23．3"C，r午3点最高，凌晨6点最低。湖血下2m深处的水温稳定在22．5"C左右，图5．10湖水中水平U型管换热器传热试验中的温度变化曲线试验台对U型管换热器进行恒热流散热试验．换热器中水的流量调节到I．179m‰，对应于管内循环水的流速0,617m／s,图5．10显示了4个小时的试验过程中换热器进出口水温的变化情况。从图4所示曲线可以看出，热泵机组启动后，人约用了30分钟．换热器进水温度就从试验前的23．5"C上升到32．3"C，升高8．8K，达到稳定状态，其中进水温升的96％是在前面20分钟内完成的，这显示了在地表水换热器的运行中的一个特性，换热器中循环水达到稳定状态的时阃很短。回水温度在试验开始后的5分钟，从23．5"C下降23．0"C：在以后的25分钟上升到25．2"C；回水温度的动态时间也是大约30分钟，30分钟后回水温度曲线趋丁平稳。图5．10中显示的换热器回水在开始5分钟内出现的温度下降，是u型管换热器中的密封水造成的；5分钟后从试验台最先流出加热水才返回到试验台的出水口．促使同水温度逐渐升高。试验开始30分钟以后．换热器的进出口水温就达到稳定。在以后的长达24小时的昼夜连续试验中，湖面温度有0．6K的变化，在9．8kW恒热流的加热作用下，试验台的进出口水温保持不变。相对于22．6"C的湖水，换热器进水侧与湖水的温差维持在9．7K，而回水侧管内外的温差稳定在2．6K，换熟器进出口温差达到7．1K．相对于9．SkW的传热量，在进水温度为32．3"C时，水平U型管的单位管长换热量可以达到49W左右。5．3．4试验结果比较与分析上述3种地源换热器的换热量散热试验发生在不同地点、不同时『日J，进水温度与流量也有些差别但是对3者的比较可以反映地游换热器的传热性质差异。5l 东南大学硕士学位论文比较换热器内循环水温达剑荩本稳定所需耍的时问，地辰水换热器达到稳定的速度比t壤源换热器要快得多。地表水换热器在试验开始半小时I』j循环水温达到稳定；而枯土型地埋管换热器内的循环水在试验启动后18小时才趋于稳定，岩石型地埋管换热器内的循环水在试验启动后7小时也才能趋于稳定。比较传热能力，地表水换热器单位管长散热每比土壤源换热器大。地表水换热器单位管长散热量为49W．而粘七型地埋管换热器的单11；)=管长散热莓为30W，以上两者比较是在外径都是32mm，流鼍也是在大致相当的情况下(I。50in‘／h和1．33m’／h)进行比较的，对于岩石犁埋管换热器的单位管长散热鼍为22．35W，这里的换热器管外径是25mm，流量是0．86m1／h。5．4不同试验测试结果与分析以及热短路研究5．4．1不同试验土壤源热泵换热器性能测试结果与分析土壤源热泵虽然在欧洲、美国、日本等发达国家普遍应用，而且技术很成熟，但是对于我国的自然条件，不同地区的土壤的热物性不同，因此对不同地区的土壤条件进行地下换热器性能测试十分必要，作者把在国内不同地区测试情况数据进行总结。各地区试验背景和资料介绍：试验一，打井深98m，没有岩石；试验两口井，均为单u管，井深98m，管外径32mra，其中1#井水平距离试验台距离30m，另2#井水平距离试验台距离35m，回填材料均是水泥+膨润土+黄沙；选2#井试验数据作为比较材料，测试时的环境温度为29℃左右；试验日期2006．6．13—2006．6．24。试验二，打井深116m，0-53m泥质叶岩。53m--56m未风化，56m-76m强风化，76m～80m破碎岩石，80m-96m硅质岩，96m-104m破碎带，104m—116m也是破碎带。试验两I=l井，管外径25m，其中l#井为单u管，水平距离试验台距离30m，另2#井w管，水平距离试验台距离35m，回填材料均是水泥浆+膨润士。测试时的环境温度为15℃左右。试验日期2006．4．2-2006．4．9。试验三，地质条件主要为岩石，O一3lm，淤泥基粉质粘土；32--42m，粉质粘土：42--43m，含沙层；44--46m，基岩，强风化；47—51m，中风化；51以后，微风化。试验两口井，均为单u管，管外径25M，其中1#井深30u，水平距离试验台距离14．1m，回填材料均是混凝土．另2#井60m，水平距离试验台距离lOm，回填材料均是水泥浆+膨润土。选2#井试验数据作为比较材料，测试时的环境温度为10"C左右。土壤温度在18．8。试验日期2006．3．14-2006．3．20。试验四，地质条件主要为泥沙为主，试验两13井，埋管形式均为单u管，管外径25m，井深均为60m，1#井回填材料是黄沙+膨润土，下管方式是自然下管，水平距离试验台距离26．2m，2#井回填材料是水泥+膨润土，下管方式是采用两管之间支撑下管，水平距离试验台距离22．鼬。选2#井试验数据作为比较材料，测试时的环境温度为7．9"C左右。土壤温度在17．3"C。试验日期2006．2．17—2006．2．22。试验五，打井深80m，没有岩石，在地下0．5m处就出现了地下水。试验两El井，均为单U管．但是l#井80m，管外径32m，水平距离试验台距离20m，另2#井60m，管外径25mm，水平距离试验台距离15m，回填材科均是水泥+膨润土+黄沙。选l#井试验数据作为比较材料，测试时的环境温度为27"C左右。试验日期2006．5．29—2006．6．9。 第五葶一士壤源热泉换热器什能测试研究试验人，打井最深90m，=口井，l#井：0—2．5m枯七，2．5-3．4m卵石，3．4-32m枯七，32—61m中风化泥岩，61—66m微风化灰岩，66—80m未风化泥岩．2#井：0-31．8m枯土，31．8-51m中风化泥岩，51-56m中风化灰岩，56—63m微风化泥岩，63-68m未风化灰岩，68—80m未风化泥岩。3#井：0-31．5m枯土，31．5-37m中风化泥岩，37—42m中风化灰岩，42—58m中风化泥岩，58—66m微风化灰岩，66-90m未风化泥岩。试验三口井，均为单u管，管外径25mm，但是l#井80m，下管形式自然下管，水平距离试验台距离16m，2#井80m，水平距离试验台距离14m，下管形式两PE管紧紧捆绑下管，3#井90m，水平距离试验台距离19m，下管形式自然下管，回填材料均是泥浆。选l#井试验数据作为比较材料，测试时的环境温度为26"C左右。试验日期2006．9．23—2006．10．3。试验七，打井两口，l#井，单u，打井36m．埋管35m．水平连接管长度2×17m，回填材料黄沙；2#井，w管，打井35m，埋管34．5m，水平连接管长度2×15m，回填材料黄沙。管外径DN32X2．9，内径26．2。从测试井的打井情况看来，施工现场的地质构造是：O～4m粉质粘土，4～lOm沙土层，IoIIl以下强风化岩石。选l#井试验数据作为比较材料，测试时的环境温度为30"C左右。试验日期2006．8．19—2006．8．25。表5．9各试验结果试验四五，、七地质条件泥七岩石泥土岩石始管深【m】98105110608035资管外径[mm】3225322532料埋管形式单UW单U进水温度【℃136．937．237．3637．0534．5937．635．3537．85回水温度【℃】32．732．130．6834．3230．9034．4531．836．5热流量[n_13／hl1．155O．82lO．845O．86O．8131．332O．8l1．15I试总传热量5．6l4．846．532．7243．684．853．332．14验【KW]单位放热量56．845．457．245．057．859．641．360．6【W／m井深】进水温度【℃】7．44．35．357．036．49．29．3回水温度【℃】10．958．9lO．67．6l9．258．711．9IO．65热流量[m3／hl1．393O．8lO．8120．8420．8581．3650．8l1．176试总传热量5．774．3465．92．2192．223．6622．55l1．852验【KW】单位取热量57．44l52．836．437．o44．731．551．O【W／m井深】试验结果分析：表格中试验数据对于土壤源热泵的研究人员和设计人员能够提供一定帮助。l、试验二同地区，在试验条件相同的条件下．仅埋管形式一个为单u，另一个为w型，其换热量不同，单u管的单位放热量45．4W／m井深，w管的单位放热量57．2WIm井深，单u管的单位取热量41．OW／m井深，w管的单位放热量52．8W／m井深，w型井埋管在相同条件下是单U井埋管散热能力的53 东南大学硕士学位论文1．26倍左右，取热能力的J．29倍左右。2，试验五的试验是先进行取热试验后进行的放热试验，其余地区都是先进行放热试验后进行的取热试验，从上表中看出试验的单位取热量比其余地区同条件的情况下小的多。5、从上表中可以看出在管外径32ram，流速在0．8m／s的情况下，散热量一般保持在55W／m井深左右，取热量一般在45W／m井深左右。管外径25rrun．流速在0．8m／s的情况F，散热量一般保持在45W／m井深左右，取热量一般在35W／m井深左右。4、试验均是在工程施工现场进行．测试条件和环境有时十分恶劣，总有一些无法改变的干扰因素影响测试，还有一些不确定因素，例如，回填材料填充如何，管井实际深度是多少等等，因此对试验结果有一定的影响，但是基本反映客观事实，能够真实的反映出换熟器换热的真实效果。5．4．2关于热短路的试验研究无论是对土壤源热泵的换热器理论研究中，还是在工程施工过程中，PE管之间的热短路一直都是十分关注的问题，理论上PE管靠在一起，相互之间换热，存在着热损失，换热器与地下土壤换热受到影响，这种现象就叫做热短路：在实际的工程施工过程当中，不可能精确到PE管之间完全不靠在一起，这是不现实的，也就是说实际工程中地下换热器肯定存在热短路。针对于热短路问题，试验取最不利情况(地下换热器形式单U，把两跟PE管紧紧捆绑一起下管，)和另一种就是正常施工下管的状况，然后进行试验比较。试验地点在武汉某地区，打井两口，两口井间距5米，其中一口井(定义为l#井)施工下管方式为自然下管，另外一口井(定义为2}#井)施工下管方式为将鼯跟PE管紧紧捆绑一起下管，地下换热器主要参数：l#井，单u，井深80m，水平连接管长度2×16m，回填材料泥土，自然下管；2#井，单u，井深86111，水平连接管长度2X19m，回填材料泥土，两PE管紧紧绑在一起下管。地质资科：1#井：O-2．5m粘土，2．5-3．铀卵石，3．4-32m粘土，32—61m中风化泥岩，61-66m微风化灰岩，66-80m未风化泥岩。2#井：0-31．8m粘土，31．8-51m中风化泥岩，51—56m中风化灰岩，56-63m微风化泥岩，63-68m未风化灰岩，鹋一80m未风化泥岩。试验结果如下表5．10：表5．10熟短路试验结果比较放热试验取热试验管井进水回水流总传单位进水回水流总传单位编号温度量热量放热温度量热量取热量1#井35．3531．80O．813．3341．39．211．9O．8l2．55l31．52#井35．3532．400．792．7434．09．211．50．792．0725．6试验研究发现，在相同条件下，自然下管是捆绑下管散热能力的1．215倍左右，取热能力的1．23倍左右，文献[431套管式换热器的热短路理论热损失为8％。从以上的数据看，热短路对地下换热器的换热量具有明显的热损失，因此，在土壤源热泵的地下换热器的施工过程中，尽量注意避免PE管靠在一起，而形成热短路，造成换热器的换热损失。54 第五常’：壤源热泵换热器n能测试研究这里需要特别说明的是，本章所研究的试验测试结果，均是侄时问达到测试要求，温度稳定的情况下所计算出来换热量，严格上应该利用第四章的试验原理，求出土壤导热系数，反过来把不同换热器进口温度情况下的换热量计算出来，这一步骤没有做，因为本章获得的试验数据，在标准的时问内，达到稳定的状态F，而且换热器进121温度满足测试要求，就没有必要再反过来求此时的换热量，如果要求其他进口温度下的换热量，根据这些数据按照测试原理的步骤，先求出士壤导热系数，然后反代进去即可求出换热最。本章着重分析了土壤源热泵地下换热器性能测试研究，结果和分析，简单比较了三种不同类型的地源热泵换热性能，对热短路做了一定研究，对各个地区换热性能进行了总结。这些主要都是通过试验测试，对不同形式的土壤源热泵的，不同地区的，不同类型的地下换热器的换热性能进行测试，获得大量的试验数据，由于我国土壤结构各地区均不相同。这些数据对于当前我国土壤源热泵工程应用刚刚起步的条件下则十分重要，为地埋管的设计起到重要依据和指导意义，也为以后土壤源热泵理论研究打下良好的基础。 东南大学硕士学位论文6．1本文主要结论第六章结论与展望本文从我国能源背景，土壤源热泵的工作原理、分类、特点开始介绍，叙述土壤源地F换热器各种传热模型，主要介绍土壤源地下换热器测试试验设备和原理，以及对试验结果的总结和分析，整理了大量的各地区的试验数据。相信这些试验数据对于以后进行土壤源热泵地下换热器研究或者是对土壤源热泵设计人员是珍贵数据和宝贵第一手资料，除了以上各章总结的结果除外，这里另外还有两点值得提出：1、桩埋管和井埋管的比较南京地区某高层住宅小区使用土壤源热泵空调系统，地下换热器就是埋于住宅结构桩中，用黄沙作为回填材料，桩的深度30m，由于桩深度浅，地下换热器用双u管的形式：同时，为了备用怕夏季的换热量不够，另外打了110口井，根据同一时间同一地点，对这两种埋管形式进行测试，作出比较，桩埋管流量在0．9m3／h，散热试验，在进水温度35．82℃，回水温度31．05"C，总散热量4．88KW，每米井深散热量110．8W，取热试验，在进水温度5．50"C，回水温度9．77℃，总散热量4．42KW，每米井深散热量83．4w；井埋管散热试验。流量0．813m3／h，在进水温度34．59℃，回水温度30．90℃，总散热量3．68KW，每米井深散热量57．8W：取热试验，在进水温度7．03℃，回水温度9．25℃，总散热量2．22KW，每米井深散热量37．Ow：虽然井埋管中用的是单u管形式，桩埋管是W管形式，理论研究中W管换热量(包括取热和放热)是单u管换热量的1．2倍，在上面的试验研究发现，W型井埋管比单u型井埋管散热能力约大26％，取热能力约大29％。但是从以上的数据来看，桩埋管的换热量要比井埋管的换热量大的多。2、不同回填材料对换热量的影响不同回填材料对地下换热器与土壤换热量有很大的影响，在杭州某地区的试验，两口井相隔距离4m，其中一口井回填混凝土，另一口井回填水泥浆+膨润土，试验研究发现，回填材料是混凝土的传热性能优于水泥浆+膨润土：采用混凝土作为回填材料的井埋管具有的散热能力为60[w／皿井深]左右，取热能力为48～51[w／m井深]；采用水泥浆+膨润土作为回填材料的井埋管具有的散热能力为45[W／m井深]左右，取热能力为36～38[w／m井深]：故采用混凝土作为回填材料井埋管的单位散热能力比采用水泥浆+膨润土作为回填材料井埋管大30％左右，其单位取热能力大27％左右。以上比较都是在规定时间内，管进回温度大致相同的情况下试验测试的结果。6．2本文的不足与展望虽然作者在试验方面做了大量的研究工作，但是在下面几个方面仍然需要做大量的工作：1、本文的试验都是在恒热流的情况下进行的，依靠试验台能够精确采集各类传感数据基础上，在达到测试时间的情况下，温度稳定情况下获得的数据，但仅求出在这样情况下管井的单位换热量，对于通过求出土壤导热系数，然后反过来求换热量，由于时间仓促，对于不同管进口温度下换热量没有来得及 第六章结论’』展镬计算，这里jj保存F试验数据，这些I：作以后还需认真仔细完成。2、试验测试做了大量的【作，如上所述，分别在上海、南京、武汉、长沙、杭州．苏州、无锡，盐城等地区，做了大量的试验研究，但是在理论这块需要拓展，例如土壤传热模型深入分析，数值模型建立．计算机程序编写(例如地F换热模型两维，三维情况)等工作还需要进一步的加强。3、试验中现场许多不可预测的人为因素干扰试验，一些试验数据微有偏差，另外．对丁=打井的原始资料，例如，管井确切深度，各种层面土壤地质资料，这些以后的试验测试需要详细准确，还有打井的回填材料对地下换热器的换热性能影响比较大，不同的回填材料对换热影响很大，前面也有叙述，所以对回填材料的情况也要认真对待。总体上，土壤源热泵是一种环保节能的空凋方式，虽然它仍然存在许多问题，例如初投资大、施工困难、埋地换热器受土壤物性影响较大、连续运行时热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度的影响而发生波动及土壤导热系数小而导致埋地换热器的面积较大等不足之处，另外，目前国内土壤源热泵机组的设计，安装、运行、维护等各个方面还没有成型的行业标准和规范；但是由于土壤资源广泛，在目前和将来，土壤源热泵是最有前途的节能装置和空调系统，是国际空调和制冷行业的前沿课题之一，也是地能利用的重要形式。我国政府大力提倡发展节能型社会，土壤源热泵已经得到广大研究工作者对其进行深入的研究，探索其关键性的技术““1。目前，世界各国都比以前更加关注能源、环境及可持续发展问题，而传统的以燃煤为主的能源结构也越来越满足不了当前形势发展的需要。因此，要实现经济的可持续发展，就必须尽可能地利用清洁、可再生能源，而土壤源热泵因其节能性、环保性及运行的稳定性而成为一个很好的选择。有政策的鼓励，同时，经过多年的研究与发展，土壤源热泵在技术上也趋向成熟，而且通过大量的实践证明：土壤源热泵的确具有节能、环保、资源可再生、舒适安全，性能稳定等优点。目前，在地下土壤中广泛存在着可为我们所利用的大量能源资源，且在数量上近乎无限，不受地域资源的限制，如能通过设计合理的土壤源热泵加以利用，则必将为缓解世界各国所面临的全球性问题做出很大贡献，在不远的将来，随着国富民强，经济实力的提高和生活水平的进步，研究和技术人员的努力，土壤源热泵因其节能性、环保性将成为2l世纪最有发展前途的供暖空调系统装置之一，它一定有更加广阔的前景。