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    關(guān)鍵詞：地源熱泵；U型管；地埋管換熱器；換熱性能

    0引言

    地源熱泵是一種從土壤、地下水等淺層資源中提取熱量的高效、節(jié)能、環(huán)保的供熱(冷)系統(tǒng)，是目前可以利用的對環(huán)境最友好和最有效的供冷、供熱方式。影響地源熱泵系統(tǒng)性能的因素很多，其中地埋管換熱器的合理設(shè)計是當前地源熱泵技術(shù)推廣的難點。地埋管換熱器有水平和垂直兩種埋管方式，目前應(yīng)用較多的是單u型管和雙u型豎直地埋管換熱器。本文研究了單U型和雙U型地埋管換熱器換熱性能，對地埋管換熱器進出口水溫、能效系數(shù)進行了分析，為在設(shè)計時如何選擇地埋管換熱器形式提供理論依據(jù)，使系統(tǒng)設(shè)計既節(jié)約初投資，又達到最好的換熱效果。

    1試驗研究現(xiàn)場概況1試驗研究現(xiàn)場概況測試地點：四川省綿陽市。測試時間：2013年11月。鉆井數(shù)目：兩口。鉆井參數(shù)：鉆井直徑為100mm、鉆井間距為4m、鉆井深度為8Om。地埋管參數(shù)：U型地埋管管材為高密度聚乙烯管，其導熱系數(shù)為0．42W／(m·K)，單u管外徑為32mm，內(nèi)徑為26mm；雙u管外徑為25mm，內(nèi)徑為19mm�；靥顓�數(shù)：采用中粗河沙進行回填，密度為1019．1kg／m，導熱系數(shù)0．45W／(Ill·K)。管內(nèi)流體參數(shù)：水，密度1000kg／m。，比熱4187J／(kg·K)，導熱系數(shù)0．585w／(m·K)。巖土構(gòu)成：單U鉆井巖土構(gòu)成如圖1所示，雙u鉆孔巖土構(gòu)成與單u鉆孔基本一致。地下巖層以泥巖和砂巖為主，并有較大的縫隙存在，且由于鉆孔區(qū)域臨近涪江，鉆探勘察探明地下水較豐富，兩鉆井靜止水位均為5m左右。

    2測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)由巖土熱物性測試儀、銅一康銅熱電偶、膨脹水箱、流量傳感器、溫度傳感器組成。其中巖土熱物性測試儀中包含有保溫水箱、電加熱器和循環(huán)水泵。在系統(tǒng)供水水管上分別安裝溫度傳感器和流量傳感器用以測量供水溫度和水流量；在系統(tǒng)回水水管上安裝溫度傳感器，用以測量回水溫度；在7個不同鉆井深度隨管埋人銅一康銅熱電偶，用以測試初始地溫。所有采集數(shù)據(jù)傳輸至計算機經(jīng)處理后輸出。測試現(xiàn)場如圖2所示，各測試儀器參數(shù)見表1。為確保試驗準確性，試驗前對溫度傳感器和流量傳感器進行了標定和校正，系統(tǒng)連接完成后對水平連接管段等外露管段進行了保溫。

    3測試數(shù)據(jù)及計算結(jié)果

    3．1初始地溫下管回填等一系列成井工序完成至少48小時后，鉆井內(nèi)溫度恢復(fù)至與周圍巖土溫度基本一致，此時方可開始測量初始地溫，利用預(yù)先在7個不同的鉆井深度埋入的溫度傳感器分別對兩個測孔的初始地溫進行了26小時的連續(xù)測試，測試期間室外空氣平均溫度約為25％，測試得出初始地溫如圖3所示，其值取7個深度溫度的平均值。單U管測試井原始地溫為l7．6℃，雙U管測試井原始地溫為17．69％，兩者相差僅0．09％，可認為兩者原始地溫相同。3．2地埋管換熱器能效系數(shù)地埋管換熱器換熱能力用能效系數(shù)E表示：

    式中

    為研究地埋管不同埋管形式下的地埋管換熱器能效系數(shù)，對單U、雙U兩種地埋管換熱器的換熱情況進行了58小時連續(xù)測試。測試時，加熱水箱中的電加熱器對兩個測試系統(tǒng)給定6kW的恒定加熱量，被加熱后的循環(huán)水經(jīng)過循環(huán)水泵運送至地埋管換熱器，再通過地埋管換熱器向周圍土壤放熱，經(jīng)過放熱后的循環(huán)水再次回到加熱水箱中，如此往復(fù)循環(huán)。地埋管供回水溫度、流量等測試數(shù)據(jù)由計算機自動記錄，記錄時間間隔為l0分鐘。各工況測試參數(shù)及計算結(jié)果見表2；測試期間地埋管換熱器溫度變化情況如圖4所示；能效系數(shù)隨時間的變化情況如圖5所示。

    4試驗結(jié)果與分析

    4．1供回水水溫分析由表2可知，單U管地埋管換熱器供回水平均溫度為28．49／25．45oC，溫差為3．04oC；雙u管地埋管換熱器供回水平均溫度為27．95／25．30℃，溫差為2．65℃。雙u型地埋管換熱器供回水平均溫差小于單u型地埋管，從溫差講，單u型地埋管換熱器要優(yōu)于雙u型。而雙U型地埋管換熱器回水溫度低于單u型地埋管，在制冷工況下，冷凝器的效率隨回水溫度的降低而升高。由此可知，在其余條件相同的情況下，雙u型地埋管機組效率應(yīng)高于單u型地埋管，與已有研究結(jié)論相同。從圖4可以看出，單u管地埋管換熱器與雙u管地埋管換熱器供回水溫度隨時間的變化趨勢基本一致。整個測試周期內(nèi)，供回水溫度隨時間持續(xù)升高。測試初期，供回水水溫變化最大，這是由于土壤的導熱系數(shù)很小，通過地埋管傳至土壤的熱量不能迅速的傳出，使U型管周圍的土壤溫度急劇上升，供回水水溫隨之變化也較大。一段時間后，供回水溫度變化速度減緩，系統(tǒng)運行基本穩(wěn)定，但尚還不能達到傳熱平衡，此為換熱過渡階段，系統(tǒng)從開機到過渡階段用時約為10個小時。有研究表明，換熱器與系統(tǒng)之間的傳熱達到平衡所需時間約為90天。

    4．2地埋管換熱器單位井深換熱量分析由式(1)計算得出單u型地埋管換熱器單位井深換熱量為71．93W／m，單位管長換熱量為35．86W；雙u型地埋管換熱器單位井深換熱量為80．67W／m，單位管長換熱量為20．15w。在相同規(guī)格的鉆井內(nèi)，雙u型地埋管換熱器布置了兩組u型管，而單u型管換熱器僅布置了一組。雖然雙u型地埋管換熱器熱短路現(xiàn)象較單U管嚴重，但雙u管的循環(huán)水流量為2．08rn／h，大于單u管1．65rn／h，換熱面積理論上也是單u管的1．56倍。因此，雙u型地埋管單位井深換熱量仍然大于單U型地埋管換熱器，鉆井利用率也更高。

    4．3地埋管換熱器能效系數(shù)分析由式(1)計算得出單u管平均能效系數(shù)為0．28，雙U管平均能效系數(shù)為0．37。圖5為單u型管換熱器、雙u型管換熱器單位井深換熱率隨時間的變化。系統(tǒng)運行初期，能效系數(shù)最大，隨著時間逐漸減小。這是由于系統(tǒng)運行初期，土壤溫度更加接近初始地溫，地埋管換熱器的傳熱量接近理論傳熱量。隨著時間的增加，土壤不斷吸收存貯熱量使得土壤本身的溫度上升，地埋管換熱的傳熱量與理論傳熱量差距增大，能效系數(shù)減小。如果系統(tǒng)采用間接運行形式，系統(tǒng)運行時土壤溫度升高，能效系數(shù)隨運行時間下降；而系統(tǒng)停機時，土壤溫度逐漸恢復(fù)，能效系數(shù)再次升高。因此，間接運行可提高能效系數(shù)。

    5結(jié)論1)在其他條件相同情況下，單u型地埋管換熱器供回水溫差大于雙u型地埋管換熱器、回水溫度高于雙U型地埋管換熱器，從溫差講，單u型地埋管換熱器要優(yōu)于雙u型；但從回水溫度講，雙u型地埋管換熱器熱泵機組運行效率要高于單u型地埋管換熱器。2)在負荷一定情況下，單u型地埋管換熱器單位井深換熱量小于雙u型地埋管；單位管長換熱量大于雙u型地埋管；雙u型地埋管換熱器鉆井利用率較單u型高，使用雙u型地埋管換熱器在同樣負荷情況下可減少鉆井數(shù)量，但會增加管材使用量，對于地質(zhì)堅硬、鉆孔打井費用比較高的地區(qū)和埋管區(qū)域受限制場所，可以考慮使用雙u型地埋管。3)本工程中單U型地埋管換熱器平均能效系數(shù)為0．28，雙U型為0．37。整個運行過程中，雙U型地埋管換熱器能效系數(shù)大于單u型；隨著系統(tǒng)運行時問的增加，埋管周圍土壤溫度升高，能效系數(shù)減小。因此，問接運行有利于土壤溫度恢復(fù)，可提高整體能效系數(shù)。