不同深度的地埋换热孔换热功率分析

陈海波等:阉瀑威的她惟换熟孔换熟功卓勺析第12卷第6期不同深度的地埋换热孔换热功率分析陈海波,高亮,李向宝1,陈治法(1.天津地热勘查开发设计院,天津3002502.北京市地质工程公司,北京100039)摘要:本文介绍了在天津地区同一个试验场中,同一台岩土热物性测试仪,在外界温度相差不明显的条件下,对60、80、100、120和150m,5种工程上常用深度的单U、双U型地埋管进行测试。数据表明,同样深度的双U埋管的取热量比单U埋管取热量高9.91~37.75%,同样深度的双U埋管的排热量比单U埋管排热量高0.9~35.6%而120m双U埋管试验得出的热导率为最大。由此得出换热孔无论是单U埋管,还是双U埋管,排热量还是取热量,适宜深度为100~120m的结论。关键词:地源热泵;热物性测试;换热器;换热功率中图分类号:TU995.2文献标识码:A文章编号:1009-282X(2011)06-0028-031简介成。图1是主机部分的结构原理图,其中加热功能地源热泵现场热响应试验是利用地埋管换热系主要依靠盘管加热器,冷却功能由压缩机、冷凝器统采用人工冷(热)源向岩土体连续加热(制冷)并记膨胀阀和蒸发器组成的封闭制冷循环来完成。测量录传热介质的温度变化和循环量来测定岩土体的热参数主要包括进出口温度以及流量等,本次试验采传导热性能的试验。埋地换热器的地下换热特性实用HQ一L1恒温法岩土热响应测试仪。其中,温度验是开发利用浅层地热能资源的一个首要技术程测量精度为0.1℃,流量通过电磁式流量计测量,流序。开展地下换热特性实验的重要目的在于通过现量启动值为0.0073m3/h,分辨率为0.001m3/h,精场钻孔实验,掌握浅层土壤在外界热激励作用下的度1%累计热量分辨率0.001mJ。恒热流测试仪动态响应过程,从而获得土壤初始温度、热物性参数流量在0.5~2m3/h范围内,精度0.1级,即1%,温以及地下换热规律,为进一步的地源热泵系统优化度探头精度为A级,即0.05级,0.5%考虑仪表误设计与节能运行提供必要的数据依据。差热量值计算误差可控制在1%以内,分辨率为据进行浅层地热能资源开发利用地质环境影响分±1%及温度测量误差不应大于±2不应大于通过建立天津浅层地热能监测中心获取动态数001m3/h。满足规范要求的流量测量误析及热泵系统节能评价,为地源热泵系统科学、合理、正常的运行提供基础数据,建立起天津市浅层地+热能资源开发利用地质环境影响预警系统,实现本市浅层地热能资源的科学管理和可持续开发利用。U型管[PID回填材料2现场热响应实验原理2.1测试仪器1现场热响应试验测试原理图现场热响应试验与测试就是热响应测试仪器对1.保温水箱;2测试仪壳体;3.换热器;4.循环泵;5加热器;定深度测试孔进行不同热负荷排热和取热试验6.蒸发器;7.控制器;8.压缩机;9.膨胀阀门试验平台主要包括恒热流加热器、流量传感器、温度10.冷凝器;11.冷却风机传感器、循环水泵换热器以及数据采集系统等组22试验原理成。实验仪器主要由控制主机和测量系统两部分组现场热响应试验过程为:首先,将测试仪的水路收稿日期:2011-08-11作者简介:陈海波(1985-),2007年毕业于石家庄经济学院环境工程专业,天津地中国煤化工也热能及地热物探工作,Tel:13502186130YHCNMH2011年12月地质裴各循环部分与待测换热器相连接,形成一个闭式环路;于24h然后,通过启动管道循环水泵,以驱动环路流体开始(2)在获取初始平均温度后,开始对回路中的传循环。待系统进出口温差为零时,开始启动电加热热介质加冷或热负荷。测试过程中冷或热负荷和流器来加热环路中的流体。随着换热器进口水温的不量基本保持恒定(波动范围在士5%以内),逐时记录断升高,其热量通过管壁与土壤之间的传热过程逐回路中传热介质的流量和进出口温度渐释放到地下土壤中,同时使土壤温度也逐渐升高(3)现场热响应试验时,恒热流排热试验:地埋最终管内流体温度和土壤温度维持在一种动态的热管进口温度分别为20℃和35℃两种工况的排热试平衡状态。然后,增大加热功率,系统将重复上述传验,每个工况温度恒定后,观测时间不少于24h热过程,直至达到新的平衡状态。在整个流体加热(4)每次加冷或热负荷停止后,继续观测回路的循环过程中,通过计算机采集系统记录进/出温度、进出口温度,直到地层初始温度为止。流量和加热功率等参数,与此同时地下温度的变化(5)现场热响应试验时,进行气温观测情况也会自动记录下来。2.4测试结果分析通过现场热响应试验模拟冬、夏季热泵实际运在现场热响应试验过程中,先后测定换热器的行工况测量进/出仪器的流量进/出温度和时间,取热和排热能力并且通过地下换热量随流体平均依据不同负荷测试,最终求得:换热孔的热导率每温度的线性变化的拟合方程来确定测试数据的有效延米吸热量和排热量(W/m)。性。一般要求回归系数R2大于0.85,如测试结果现场热响应试验在理论上可以归结为在一定热严重偏离线性关系,则需通过方差分析确定补做实流边界条件下的非稳态传热问题。其数学解析主要验工况,以保证测试数据的可靠性有两种模型:1)基于线热源理论的线模型;2)基于圆柱热源理论的柱模型。本次调查中现场热响应试验3试验场测试结果采用了柱热源数学模型。为分析在相同地质条件下不同埋管类型、埋管对于地下换热量q(W/m)而言,它是根据流量深度对地埋管换热系统换热量的影响本次工作建和进出口温差获得的,即设地埋管现场热响应试验场。试验场共施工60m÷m2(t-t2)(1)单U、双U,80m单U、双U,100m单U、双U,120m单U、双U,150m单U、双U10个现场热响式中;m为质量流量,p为定压比热容,H为换热器应换热试验孔(见图2),采用相同技术要求和施工的有效深度,和t分别为进口/出口水温(℃)。工艺,获得试验数据见表1及图3和图4。对于钻孔内稳态传热过程满足tr-to9检*口。60双U式中:tr为流体平均温度,且tr=(t+t)/2,t为钻孔壁温度,R6为钻孔总热阻,其计算可参见有关文0双U80双U10探头150双U及同孔探头献80单U在钻孔传热分析中,G函数定义如下:4-4=a(E,合)(3)式中:t为平均土壤初始温度综合(1)~(3)式可以看出,通过圆柱热源模型解决钻孔与土壤传热问题的一个重要手段是求解G函数,从而获得地下换热量和土壤的热导率。图2调查区试验场内现场热响应试验点位量2.3测试程序(1)在测试埋管安装完48h后进行现场热响应从表1测试数据和图3图4看出,单U埋管与双U埋管的排热量、取热量相差很大;同样深度排试验的无负荷循环测试,获取地层初始平均温度。热量差值0.54温度稳定后(变化幅度小于0.5℃),观测时间不少中国煌取热量差值3.61~12.61WYHa一取热量差CNMHG陈海波等:不震的地惺换热孔换热功阜析第12卷第6期表1试验场现场热响应试验结果表排热量取热量热导率目50深度(w/m)(W/m)(W/(mc)回填材料单U双U单U双U单U双U单U|双U单U管60663276.3239.0348.911.711.73细砂细砂8065.1271.4361.161.43细砂细砂70901101301501700059.46687533.446.01深度(m)12060241.6185145191.231.54细砂细砂图4取热量随埋管深度关系曲线图15061.962.4436.4140.021.531.65U埋管,还是双U埋管,排热量还是取热量适宜深度为100~120m双U埋管70嘲60参考文献:单U埋管[1]朱家玲,等.地热能开发与应用技术[M]北京:化学工业出版社,2006507090110130150170深度(m[2]天津市地质矿产局天津市地质环境图集[M].北京:地质出版社,2000.图3排热量随埋管深度关系曲线图[3]天津市地质矿产局天津市水文地质环境图系[M北值最大,换热孔深为120m,取热量差值次之;同样深京:地质出版社,2000度的双U埋管的取热量比单U埋管取热量高9[4]王晓伟苏登超地源热泵系统施工技术概述门工程~37.75%,同样深度的双U埋管的排热量比单U建设与设计,2000(4)埋管排热量高0.9~35.6%,而120m双U埋管试[5]丁勇李百战卢军等地源热泵系统地下埋管换热器验得出的热导率为最大。综上所述换热孔无论是单设计(2)J].暖通空调,2005(11)Analysis on the Heat Exchange of Pipes Buried at Different DepthCHEN Haibo', GAO Liang, LI Xiangbao, CHen Zhifa(1. Tianjin Geothermal Exploration Development Institute, Tianjin 300250, China;2. Beijing gelogical Engineering Company, Beijing 100039, China)Abstract: This paper introduces tests using single and double U-shaped buried pipes in five usual depth of60m, 80m, 100m, 120m and 150m. The test was carried out by using the same soil thermal properties meas-ure apparatus in the same test field of Tianjin and at less variation of external temperature. The datshowed that the absorbed heat of the double U-shaped buried pipe is higher than the single U-shaped busied pipe by 9. 91--37. 75%, the discharged heat of the double U-shaped buried pipe is higher than the sin-gle U-shaped buried pipe by 0.9-35.6%, and the thermal conductivity of the double U-shaped buried pipethe highest. All the analysis shows that optimum depth of single and double U-shaped buried pipe is 100-120mKey Words: ground source heat pump; thermal properties measure; heat exchangers; heat exchanging rate(上接第39页)商以前所使用钻头的4到5倍。因此, Drillcorp公Drillcorp公司在一个还剩250m即将完工的钻孔内司立即订购了20个 Excore钻头来完成剩余的1万开始第一个 Excore钻头的试验。通常,钻工需要在米钻进任务那个钻孔更换三次以上钻头,起下钻杆柱最少需要试验结果是:前1万米的钻头平均寿命为60~6个小时。70m,班次进尺为30m;后1万米的钻头平均寿命达然而,使用一个 Excore钻头就钻到孔底,因此280~300m,班次进尺为54m。钻进速度提高了不需要更换钻头,并且该钻头在另一个钻孔还继续80%钻头寿命提V凵中国煤化工钻进了52m。钻头的使用寿命长达302m,为该承包(颜纯文选评CNMHGb. 2011)