土壤源热泵应用中关键技术的探讨

1土壤源热泵应用中关键技术的探讨报告人：杨卫波(博士）扬州大学能源与动力工程学院2011年10月25日于南京TEL：13665227437E-mail:[e-mail]二O一一年中国制冷学会学术年会2z地下岩土热响应测试z土壤热平衡问题及其设计z地下埋管换热器传热模拟z地下埋管设计与施工z系统运行能效测评报告提纲3™测试必要性根据《地源热泵系统工程技术规范》规定，地埋管地源热泵地下换热器设计前应进行热响应测试。其主要目的是：（1）获得埋管现场土壤热物性参数，为地下换热器的设计与优化提供依据；（2）获得地下埋管的单位埋深换热能力，为埋管长度的初步估算及其布置提供参考（注意：单位埋深换热能力不能作为最终设计依据注意：单位埋深换热能力不能作为最终设计依据）；（3）为地源热泵系统长期运行后土壤温度的变化及土壤热平衡问题的计算分析与校核提供数据。地下岩土热响应测试4™测试参数与方法¾测试参数•土壤导热系数•土壤容积比热容•钻孔热阻•土壤原始温度•地埋管综合传热系数或等效传热热租¾常用方法9查询土壤地质手册9取样测值法9探针法9现场热响应探测法将以某一流经地埋管换热器内的流体介质与大地初始温度每相差1℃，通过单位长度换热管，单位时间所传递的热量定义为地埋管换热器综合传热系数K。传热反问题+参数优化技术5™现场热响应测试原理¾恒热流法¾恒温法国际地源热泵协会（IGSHPA）推荐的标准方法，基于恒热流线热源模型。利用数学模型反演可得到岩土体综合热物性参数，但不直接提供单位埋深换热量。近期国内出现的一种测试方法，进水温度和流量为某一定值，可直观获得每延米换热量。有文献报道：还可利用数学模型反演岩土体的导热系数及地埋管换热器的综合传热系数。In-situTRT?6恒热流法恒温法7™数据处理方法¾数据处理：¾传热模型：解析解：线热源或柱热源模型数值解：以计算传热学为基础，有限元、有限差分数据拟合（斜率法）：综合导热系数参数优化：解析解、数值解；可以得到多参数：导热系数、钻孔热阻、土壤容积比热容等8™数据处理方法参数估计流程图参数估计法计算结果9™测试报告编写1.测试工程概况2.测试原理与方法3.测试地块地质构成4.钻孔难易程度分析5.土壤原始温度（未扰动温度）6.土壤热物性参数（土壤有效导热系数、土壤容积比热容、钻孔热阻等）7.不同进口温度下地埋管换热能力计算8.地埋管流动阻力测量9.长期运行动态模拟（土壤热平衡校核计算）10™测试不确定度（影响因素）¾数据处理方法（模型）¾测试孔的结构（孔径、埋管形式、深度及回填等）¾测试时间长短¾加热功率的选择¾电压不稳定性¾连接管道冷热损失¾测试仪器的精度¾断电间断时间长短¾地下水渗流11土壤热平衡问题及其设计™土壤热平衡的重要性¾系统长期高效稳定运行的关键¾系统生态环保的关键地下土壤温度在完成一个运行周期后能够自我恢复，从而保证其作为理想热源的“恒温”特性，保证系统长期运行在理想的冷热源温度下。9地温梯度变化会影响到大地热流，从而对地表生态系统带来难以预测的影响。9热失衡会导致土壤温度的逐年持续升高或降低，引起生物种类的重新分布，最终影响到整个区域生态环境的变化。12-6-4-202464.85.05.25.45.65.86.06.26.4COPEvaporatingtemperature/℃545658606264665.05.15.25.35.45.55.65.75.85.96.0COPCondensingtemperature/℃Figure1.VariationofCOPofheatpumpFigure2.VariationofCOPofheatpumpwithevaporatingtemperaturewithcondensingtemperature13™土壤热平衡问题的由来冷热负荷差异——导致埋管取放热量不平衡，引起土壤冷热堆积。9设计问题——缺乏有效的调控措施。9施工问题——施工缺乏有效的衔接与监督，施工人员专业知识不足，导致施工与设计脱节。9运行管理——不按设计要求进行调控。人为因素：客观因素：14™土壤热平衡问题的影响因素¾取放热不平衡率050010001500200025003000350015202530354045Temperature/℃OperationTime/dT1T2T305001000150020002500300035001416182022242628303234Temperature/℃Operationtime/dT1T2T305001000150020002500300035001214161820222426283032Operationtime/dTemperature/℃T1T2T305001000150020002500300035001012141618202224262830T1T2T3Temperature/℃Operationtime/d夏季单季运行放取热比值1.8放取热比值1.5放取热比值1.2供冷为主型150500100015002000250030003500-20-15-10-50510Temperature/℃Operationtime/dT1T2T30500100015002000250030003500-4-20246810121416Operationtime/dTemperature/℃T1T2T30500100015002000250030003500-2024681012141618Temperature/℃Operationtime/dT1T2T3050010001500200025003000350024681012141618Temperature/℃Operationtime/dT1T2T3冬季单季运行取放热比值1.8取放热比值1.5取放热比值1.2供热为主型16¾地下水渗流地下水渗流对土壤温度场的影响501001502002503003504005010015020025030035040018192021222324252650100150200250300350400501001502002503003504001818.51919.52020.52121.517¾土壤释热率与土壤类型05010015020025030035017181920212223温度/℃黏土砂土砂岩运行时间/d05010015020025030035016171819202122温度/℃运行时间/d释热率=51.3%释热率=63.5%释热率=76.2%释热率=92.9%不同释热率下半径r=1m处土壤温度随时间变化不同土壤类型下土壤温度随时间变化18™土壤热平衡设计¾设计依据全年累积排、取热量比ral：全年向地下土壤的总排热量与其总取热量之比。当ral=1当ral=1地下岩土年平均温度保持不变地下岩土年平均温度保持不变Q排=Q取QQ排排==QQ取取当ral1当ral1Q排Q取QQ排排QQ取取地下岩土年平均温度逐年升高地下岩土年平均温度逐年升高当ral1当ral1Q排Q取QQ排排QQ取取地下岩土年平均温度逐年降低地下岩土年平均温度逐年降低目标：地下换热区域温度不变19历年累积排、取热总量曲线历年负荷总量累积曲线1、4－平衡型2－累积排热型3－累积取热型历年累积排取热量Q/GJral≈1的工程：冬季开始供热使用，然后在夏季制冷，全年冬夏季取排热总量相等，负荷总量变化曲线为曲线①。反之，夏季开始制冷使用，然后在冬季供热，则为曲线④。20据地下累积排热量和取热量的平衡状况和我国不同地域气候特点、不同功能的空调房间和不同运行方式，提出以下9种设计方案：方案1地埋管+热泵机组方案方案11地埋管地埋管++热泵机组热泵机组方案2地埋管+热泵机组+冷却塔方案方案22地埋管地埋管++热泵机组热泵机组++冷却塔冷却塔方案3地埋管+热回收热泵机组方案方案33地埋管地埋管++热回收热泵机组热回收热泵机组方案4地埋管+热回收热泵机组+冷却塔方案方案44地埋管地埋管++热回收热泵机组热回收热泵机组++冷却塔冷却塔方案5地埋管+双冷凝器热泵机组+闭式冷却塔方案方案55地埋管地埋管++双冷凝器热泵机组双冷凝器热泵机组++闭式冷却塔闭式冷却塔方案6地埋管+热泵机组+喷泉方案方案66地埋管地埋管++热泵机组热泵机组++喷泉喷泉方案7地埋管+热泵机组+辅助热源方案方案77地埋管地埋管++热泵机组热泵机组++辅助热源辅助热源方案8地埋管+热泵机组+太阳能方案方案88地埋管地埋管++热泵机组热泵机组++太阳能太阳能方案9地埋管+热泵机组+通风表冷器方案方案99地埋管地埋管++热泵机组热泵机组++通风表冷器通风表冷器¾设计方案累积排热型累积取热型平衡型21地下埋管换热器传热模拟™地埋管传热模拟的重要性¾寻求地下传热强化技术措施的需要¾系统优化设计与能耗分析的关键通过地埋传热模拟，可获得各因素的影响规律，从而寻求地埋管传热强化的有效技术措施，为提高换热效率，降低初投资提供基础。通过地埋管传热模型的建立，可实现长期运行动态仿真，为地源热泵系统优化设计及系统运行能耗分析提供帮助。22™地埋管传热可利用温差¾可利用温差：埋管流体与周围岩土间的温差¾进出水管：进水管可利用温差要高于出水管¾强化措施：加大进水管的换热面积，减少出水管的换热面积，并设法降低进出水管间的传热及增大埋管与土壤间传热。三根管：两下一上四根管：三下一上提出：23™地埋管传热强化的技术措施¾钻孔埋管参数•几何结构参数：钻孔直径、钻孔深度、埋管形式、管脚间距、埋管直径等。•流动及热物性参数：流体热物性、管材热物性、流体流速等。¾钻孔回填材料¾换热控制模式•导热性能：综合考虑管脚热短路及埋管与土壤传热•间歇运行：给予土壤温度恢复的时间•分区调控：部分负荷时，不同区域埋管轮换使用240246810121416182022152025303540455055606570λg/W/(m.K)q/W/mqR1△0.100.150.200.250.300.350.40R1△/(m2.℃)/W0.000.010.020.030.040.050.0620253035404550556065q/W/m管脚间距DU/mλg=2W/(m.K)λg=4W/(m.K)λg=6W/(m.K)λg=8W/(m.K)λg=10W/(m.K)0.10.20.30.40.5202530354045q/W/mλp/W/(m.K)DU=0.01mDU=0.02mDU=0.03mDU=0.04m0.20.30.40.50.6303540455055q/W/mm/kg/sH=40mH=60mH=80mH=100m单位换热量与管脚热阻随回填导热系数的变化不同回填导热系数下单位埋深换热量随管脚间距的变化不同管脚间距下单位换热量随管材导热系数的变化不同埋深下单位换热量随埋管流量的变化25计算机数据采集仪热电偶保温管木箱钻孔U型管回填材料土壤恒温水箱水泵调节阀流量计1#11#2#3#4#5#6#7#8#9#10#12-16#22-26#17-21#地下换热模型试验台260.40.50.60.70.80.91.01.11.851.901.952.002.052.102.15U型管进出口温差单位长度换热率回填材料导热性/W/mK温差/℃5860626466687072换热率/W/m012345678910111227.528.028.529.029.530.0温度/℃U型管测点编号原土添加鹅卵石添加铁屑01002003004005007891011121314温度/℃时间/Min连续运行工况开停比2:1间歇运行工况开停比1:1间歇运行工况01002003004005005060708090100110120连续运行工况开停比2:1间歇运行工况开停比1:1间歇运行工况单位管长换热量/W/m时间/Min不同回填材料下流体温度沿程分布不同回填材料下进出口温差与单位长度换热率不同间歇模式下钻孔壁温随时间变化不同间歇模式下单位管长换