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1、地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析摘要：试验研究了两种不同回填材料地埋管换热器的热响应性能、地源热泵运行对地源温度场的作用。热响应测试 发现回填材料黄沙+膨润土的传热能力优于水泥浆+膨润土,散热能力前者高于后者11%。对某地源热泵的运行测试 发现,在地下10m地埋管井壁处土壤最高温度出现在9月初、最低温度出现在3月初,随离井距离的增加,井外测点温度 出现最值的时间延后2~3个月。数据显示,一年后井外测点地下温度场有1.9~2.2K不等的温升,升高程度随离井距 离的增加而增加。本文对优化地源热泵设计、探讨地源热泵的可持续运行具有参考价值。
2、 关键词：回填材料;地源热泵;土壤温度场 中图分类号：TK529 文献标识码: A 1 前言地埋管地源热泵技术由于其节能和环保的特 点正受到越来越多的关注。然而地埋管地源热泵 的推广需要开展对地埋管换热器存在的一些应用 和理论问题的研究,其中包括选择合适回填材料、 热泵系统对地埋管区域土壤作用时的温度变化问 题等。比较理想的回填材料,不仅具有良好的护 壁作用,还能降低埋管井与周边土壤的热阻,提高 换热器管网对地下土壤的传热性能,减少地埋管 的工程和造价,同时还能改善热泵的运行参数,提高系统的节能潜力。在热泵系统运行期间,地下 土
3、壤温度场的稳定性是关系到系统运行的可靠性 和可持续性的问题。对于夏热冬冷的华东地区, 地源热泵通过地埋管与地下土壤进行取热和散热 的双向传热作用,相对于单一制热的北方地区和 单一制冷的南方地区,华东地区为地源热泵提供 了理想的应用环境。但是,对于所有地埋管型地 源热泵来说,地下土壤温度场的稳定性问题仍然 是值得关注的大问题。热泵系统的冷热负荷对地 下的热作用很难自然取得平衡,需要调查地下温 度场的变化特性,以便制定优化的设计方案,确保系统长期稳定可靠的节能运行[1]。 目前国内对回填材料和地下土壤热平衡问题 的研究局限于计算机模拟或短期试验研究[
4、2~4], 缺少可靠的试验测量数据。本文以夏热冬冷的华 东地区为对象,采用现场测试的方法,对比研究了 两种不同回填材料对地埋管换热器传热性能的影 响;在地源热泵地埋管区域的土壤中安装温度传 感器,根据对地源热泵运行期间地下温度场的数 据采集,分析了系统运行中埋管换热器周围不同 位置处土壤温度场的变化特性。2 不同回填材料地埋管换热器的热响应测试对地埋管换热器的热响应测试采用了专门设 计制造的试验台,如图1所示。该试验台包括测 试设备、控制设备、测量设备、数据采集系统等部 分。测试设备能够模拟夏天制冷工况和冬天制热 工况,制成所需要的冷水和热水,用
5、于传热试验。 控制设备能够根据需要调节所需要的供水温度、 流量和压力。测量设备由传感器和仪表组成,用 于测量系统的温度、压力、流量等参数。控制设备 和测量设备均采用美国NI的FP模块,使用485 通信协议,实现模块与上位机之间的联系。数据 采集系统基于Labview软件平台,开发了自动化 数据采集、数据存储、安全控制的计算机程序,该 程序还具备远程控制和远程数据采集的功能。为了提高测试精度,对传感器进行了校验。 温度传感器的校验在恒温水浴中进行,采用0.1K 刻度的试验室水银温度计作为标准值,在0~ 50℃的温度区间上,间隔3K,调节获得稳定的水
6、 温后,开始读数,Labview校正程序每隔5s扫描一 次传感器的温度值,采用相邻6个扫描值的平均 值作为每个温度传感器的读数,同时记录水银温 度计的读数。在流量传感器的校正中,利用水桶和秒表,采用了称重法与体积测量法相结合,与电 子流量计的读数相对照。根据校正的结果,对每 个传感器进行曲线拟合,保证试验结果分析的精 度。选择黄沙+膨润土、水泥浆+膨润土作为两 种对比测试的回填材料,采用DN25的HDPE管 作为换热器管道,井口直径110mm,打井深度 60m,制成了1#和2#地埋管换热器,具体数据如表 1所示。热响应测试采用恒热流法,分别模拟热
7、泵的 夏季制冷工况和冬季制热工况。夏季制冷工况 时,需要测量地埋管换热器向周边土壤的散热能 力,保持换热器HDPE的水流流量和热流流量稳 定,测试48h以上,保存所有传感器的测试数据; 采用类似方法,利用热泵制成需要的冷水,模拟冬 季供热工况,测试换热器从周边土壤的取热能力。 在测试中1#井和2#井首先同时进行散热能力的 热响应测试,经过48h的稳定测试后,获得的散热 试验的运行数据(表2);然后停止测试,让地下土 壤获得一个温度恢复的过程;待地下土壤温度场 基本恢复后,开展冬季取热的模拟测试,其48h稳 定运行后的数据如表2所示。从表2可看出,
8、无论对于夏季散热还是冬季 取热,1#井与2#井在进水温度与流量均接近的情 况下,1#井的进出口温差比2#井大,因此1#井对周 边土壤的传
