207 竖直双u型管与土壤换热量现场测试研究

《207 竖直双u型管与土壤换热量现场测试研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、竖直双U型管与土壤换热量现场测试研究天津大学环境科学与工程学院金楠尹亮亮张诚朱能摘要地源热泵系统用于建筑采暖和空调，是一种高效、经济和绿色的方式。地源热泵系统设计的关键是确定地埋管与土壤之间的换热量，本文建立测试设备系统，采用现场测试的方法确定此换热量。测试中加热和冷却水箱中的水，并通过水泵使水在地埋竖直双U型管和水箱中循环。通过测量U型管进出口水温和循环流量计算地埋管与土壤之间的瞬时换热量，得出换热量随冷、热负荷变化规律，并将稳定传热阶段的换热量平均值作为推荐的地源热泵系统工程设计值。此测试研究基于现实的工程项目，对推广地源热泵系统的应用有实际的意义。关键词地源热泵地埋双U型管换热量

2、现场测试1介绍热泵系统可用于建筑供暖和空调，其优点是一套系统冬夏两用并且不受热力管网的限制。空气、水和土壤都可以作为热泵系统的换热源。土壤具有几乎全年恒定的温度，并且冬季土壤温度比空气高，夏季比空气低。所以地源热泵相对于空气源热泵有优势。土壤随处都有，其浅层（小于120米）既可作为换热源，而且不需抽取地下水。因此地源热泵相对于使用深层地下水的地水源热泵有更容易应用和环保的优点。地源热泵在采暖模式中使用土壤作为吸热源，在空调模式中使用土壤作为冷源。因其相对空气源和水源热泵的优良特性，地源热泵的应用越来越广泛。使用地源热泵有助于减少化石燃料的使用量，从而减少碳排放量。【1】这是实现可持续发

3、展目标的有效手段之一。高密度聚乙烯（HDPE）材质的竖直双U型管常被用作地源热泵系统的地埋换热器。高密度聚乙烯的U型管具有结构简单、耐用、抗腐蚀的特点。竖直敷设U型管比水平敷设占用空间小，在我国地源热泵工程中是主要应用方式。双U型管并行连接可以比单U型管获得更高的传热量。如何确定竖直双U型管与土壤之间的热流量是地源热泵工程的关键问题。Kavanaugh和Rafferty【2】阐述了竖直地埋换热器设计的复杂性。在工程中很难即经济又准确的得到所有相关的参数，包括地质构成、土壤物性和伴随传热的土壤中水份的传质，分析地下传热过程所需的信息往往不足。虽然有经验数据和公式来估算热流量，也可以用数值

4、计算来得到热流量【3】，但这些方法都因缺乏准确的相关参数依据而不够精确。然而通过现场测试的方法【4】，我们可以避开确定传热相关参数的复杂问题，并且得到竖直双U型管与土壤之间的真实热流量。测试结果是当地地源热泵工程设计直接而精确的依据。2测试方法图1是测试设备系统简图。测试中使用电加热器加热水箱中的水模拟夏季空调工况，使用人造冰冷却水模拟冬季供热工况。水箱中的水通过水泵进入双U型管，并与土壤换热，然后返回水箱，如此循环。测试持续40小时左右，双U型管进出口水温分别由Pt100铂电阻温度计测量。温度信号传至数据采集器，经处理后再传给笔记本电脑，用课题组自行开发的软件记录。管内流量由便携式超

5、声波流量计测量。双U型管与土壤之间的换热量由公式（1）计算得到：Q=ρCpG⊿T；（1）Q-地埋竖直双U型管与土壤之间的换热量，W；ρ-水的密度，Kg/m3；Cp-水的质量比热，W/Kg℃；G-水的流量，m3/h；⊿T-双U型管进出口水温差，℃。1.现场总闸箱2.测试配电柜3.配电板4.电闸(五个3KW和一个1KW)5.可调变压器6.水箱(1mX1mX1m)7.电加热器8.管道水泵9.便携式超声波流量计10.HDPE双U形管11.电线12.PP-R水管13.Pt100铂电阻温度计14.数据采集装置15.数据记录笔记本16.信号线图1.测试设备系统简图配电柜所提供的总电量为16KW，分为

6、六把闸，其中五把3KW的闸连接水箱中的五个电加热器，一个电加热器由可调变压器控制，可以调节该电加热器的加热量。还有一把1KW的闸连接水泵。我们测试了两种工况，分别代表空调工况和供热工况。在空调工况测试中，电加热器把水箱中的水加热到26至40℃，这是夏季地源热泵冷却水的温度。在供热工况中，使用人造冰把水箱中的水冷却到10至4℃，这是冬季地源热泵热源水的温度。在测试完空调工况后72小时再进行供热工况测试，这样可以保证土壤温度得到恢复，两种测试工况之间不会有热干扰。总管内水流量为3.96到4.46m3/h，地埋管竖井深120m，U型管公称直径为DN32。3结果和分析根据公式（1）可以计算出双

7、U型管与土壤换热的瞬时热流量，单位井深平均热流量随时间变化的曲线见图2。从图2中可以看出，热流量在前30分钟锐减，随后进入传热的相对稳定阶段，热流量在50到100W/m之间振荡。在图中，609分钟到1200分钟热流量有上升趋势，这是因为在这一阶段水箱加热量增大，U型管进口水温上升。在实际运行中U型管进口水温上升是空调负荷增大引起的，也就是说，在空调负荷增大时土壤也会相应吸收更多的热量来保证冷负荷供应。1200分钟后随着水箱加热量下降，U型管传热