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单U型地埋管热响应测试及换热特性分析(2)

时间:2011-01-04 19:23来源:未知 作者:冲锋 点击:
采用如上方法测试得到了3个孔土壤初始温度,孔1为19.63℃,孔2为19.62℃,孔3为19.42℃。钻孔不同深度土壤初始温度如图2所示。 图2.不同深度土壤初始温度

采用如上方法测试得到了3个孔土壤初始温度,孔1为19.63℃,孔2为19.62℃,孔3为19.42℃。钻孔不同深度土壤初始温度如图2所示。

图2.不同深度土壤初始温度
由孔1、孔3地温测试数据可以看出,大地10m以下的地温都比较稳定,温度范围是19.2~20.0℃,波动温度仅为0.8℃,以深层土壤作为热泵的热源和热汇,可以获得较高的运行性能系数。而孔2测试的地温沿岩土深度方向由17.7℃上升到了21.0℃,说明在钻孔结束后48小时,钻孔内温度还未完全恢复到大地初始温度。故应该根据钻孔的深度、钻孔工艺和地质条件,在钻孔完毕后,让其放置足够长时间,待钻孔内温度恢复到土壤初始温度后再对钻孔进行初始地温测试。
3.2不同加热量的水温响应
对3个钻孔进行不同加热量的热响应测试,其进出口水温和进出口水温差随加热时间的变化如图3、图4所示。

图3.U型管进出口水温随测试时间的变化

图4.U型管进出口水温差随测试时间的变化
由图3、图4可知,在加热的前10h内进出口水温及温差迅速上升,10h后进出口水温及温差上升趋势逐渐减缓。地埋管对土壤放热量越大,水温上升速度越快,稳定后水温高,水温继续升高的幅度也大,热泵运行效率越低,且系统运行稳定性也差;换热量过小,地埋管进出口水温差小,换热量也小,没有充分利用到土壤的换热能力,系统投资也大。所以过大或过小的换热量都不利于地源热泵系统的长期高效运行。在地埋管传热稳定后,孔1、孔2及孔3的传热温差分别为7.81℃、5.08℃和3.41℃,且孔2水温比较利于地源热泵的高效运行,说明孔2的45W/m换热量下地源热泵系统能够长期高效运行,而如果地源热泵是间歇运行的,则换热量可以选取比45W/m大的值。
3.3 地埋管传热分析
根据图3、图4的水温变化可以看出,U型管与周围土壤的换热分为两个阶段:钻孔内传热不稳定阶段和钻孔外传热稳定阶段。
在测试刚开始10h内,传热主要在钻孔内部进行,钻孔内与周围土壤传热温差较小,热量主要用于钻孔内循环水、回填材料及管壁的温升。管壁和回填材料热容量较小,受热后迅速升温,导致水温也迅速上升,且加热量越大,温度上升越快。在测试10h之后,钻孔内与周围土壤的温差增大,钻孔内的热量向钻孔外热容量较大的土壤传递而释放,水温升高趋势减缓,钻孔内外达到一个传热稳定阶段,传热以向钻孔外传递为主。而钻孔周围土壤由于热量积累也有一个缓慢的温升,所以U型管进出口水温也有比较小的上升趋势,且加热量越大,温度上升越快,越不利于热泵长期高效运行。如果钻孔内材料导热系数越大,热量向钻孔外释放的能力越强,水温升就越慢,更有利于热泵长期高效运行。
3.4不同加热时间的土壤导热系数
随着岩土热响应试验测试时间的增加,舍去测试前面10h的数据,计算得到的土壤导热系数如图5所示。

图5.不同加热时间的导热系数
从图5看出,在测试进行30h之内,钻孔内传热处于非稳态传热,导致测试出来的导热系数不稳定。随着测试时间的增加,导热系数逐渐减小,在测试进行40h之后趋于稳定,所以采用线热源模型,热响应测试至少要进行40h才能得到稳定合理的计算结果。孔1及孔2的岩土多为砂岩,导热系数较大,孔3的岩土多为含水量较低的黏土,导热系数较小。孔3由于加热量较小,达到稳定传热的时间较长, 测试得出的导热系数偏小,在孔1和孔2的加热量下,导热系数变化规律一致,得出的导热系数较为准确。最后得到孔1、孔2和孔3的导热系数分别为2.97、2.83和1.67W/m•K。
由于热泵机组只有运行在一定的进出口水温范围内才是高效的,所以热响应测试的加热量应使水温稳定后与热泵机组运行的温度范围一致才是合理的,所以孔2的测试结果是比较准确合理的。
4.结论
(1)对重庆地区3个钻孔进行了热响应测试,采用线热源模型计算出导热系数为:孔1岩土导热系数为2.97W/m•K;孔2岩土导热系数为2.83W/m•K;孔3岩土导热系数为1.67W/m•K。
(2)地埋管对土壤放热量越大,水温上升速度越快,稳定后水温高,水温继续升高的幅度也大,热泵运行效率越低,且系统运行稳定性也差;换热量过小,地埋管进出口水温差小,换热量也小,没有充分利用到土壤的换热能力,系统投资也大。所以过大或过小的换热量都不利于地源热泵系统的长期高效运行。45W/m换热量下地源热泵系统能够长期高效运行,而如果地源热泵是间歇运行的,则换热量可以选取比45W/m大的值。 (责任编辑:冲锋)
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