地源热泵地埋管单位井深换热量测试与分析
一、地埋管测温/地源热泵测温引言
地源热泵系统中冷/热源采用地埋管换热器，这种地热换热器与工程中通常碰到的换热器不同，它不是两种流体之间的换热，而是埋管中的流体与固体(土壤)之间的换热，属于非稳态，涉及时间跨度很长，空间区域很大，换热特性对地源热泵系统性能有决定性的作用，影响着地埋管换热器设计是否公道，进而决定了地源热泵系统的经济性和运行的可靠性。
对于实际工程中常用的垂直U型管地源热泵系统，影响系统性能因素主要在于地埋管换热器管长的设计，其设计计算主要采用《地源热泵系统工程技术规范》中的公式：
由此可见，在换热负荷一定的条件下U型地埋管长度主要取决于土壤层水文地质和热物性。由于地埋管处于地下土壤中，属地下隐蔽工程，其热物性的丈量不能直接进行，主要是结合导热反题目和参数估计法来确定。鉴于现场丈量的困难和地埋管钻井内埋设的不确定性，这些参数的误差均较大，从而*影响地埋管长度的设计正确性。现对公式(1)、(2)进行变换可得：
假如能够获取单位管长换热量，则可以设计计算地源热泵系统地埋管的容量，确定热泵机组参数以及选择循环泵流量与扬程等。单位管长换热量假如选择偏大，必然导致埋管量偏小、埋管内水的进出口温度难以达到热泵机组的参数要求，使得机组效率过低，热泵的制冷、制热量达不到建筑物需求，导致系统设计不满足要求。反之，虽满足要求但初投资过高，地源热泵系统经济性降低。由于单位管长换热量不仅与地下土壤传热温差有很大的关系，而且与地下水位的高低以及土壤中含水量的多少等诸多因素有关，因而需要对实际地源热泵工程进行现场丈量，方可获得较的设计参数。
二、地埋管测温/地源热泵测温实验装置简介
1. 实验装置组成
实验装置于2006年11月在华中科技大学建筑环境与设备综合实验中心建成，同年12月1日投进使用，已经完成原始地温测试、冬季供热工况测试。该装置实验台在测试运行期间，工况稳定，运行正常。实验系统主要有两部分组成，其装置配置如图1所示。
1.1 地埋管部分
该部分主要包括地埋管换热器、埋管侧循环水泵、埋管侧膨胀水箱、集水器和分水器，其管路系统与冷热源机组相连。
地埋管钻井共11口，编号为1～11。其中1～4号井为双U型地埋管，5～8号井内设单U型地埋管，9～11号井为套管地埋管。钻井深度有40m、60m和80m，钻井直径200mm，管内循环流体介质为水。各钻井内埋管换热器采用并联方式与地埋管集水器和分水器相连，埋管换热器顶部至室内的水平埋管沿地沟展设，地沟深0.8m，地沟宽0.5m。
1.2 冷热源部分
该部分主要包括空气-水热泵机组，产生的冷、热水作为模拟冬季和夏季工况。为防止压缩机损坏，设置时间继电器控制压缩机的启动。当接通电源后，循环水泵首先启动运行，在时间继电器的控制下，压缩机延时启动。压缩机采用压力控制机制，以便观察压缩性能够在正常范围内工作。出水位置装有温度检测装置以便观察水温控制是否达到要求。
2. 数据采集
为研究地埋管换热器的传热性能及其运行规律，设置了一套测试系统，根据文献[2][3][4]选取短的测试时间为70小时。
2.1 温度测试
温度是直接反映埋管换热器传热性能的重要参数，主要分为三部分，分别为地埋管壁温测试、地埋管进出口水温测试。
① 地埋管壁温测试
地源热泵地埋管系统构建时，共4口钻井(编号5～8号)分别设有单U型管，在5号、6号、8号每个单U型管沿进水支管壁的5个测点分别在埋深5m、10m、20m、30m、40m，在7号每个单U型管沿进水支管壁的7个测点分别在埋深5m、10m、20m、30m、40m、50m、60m。其余的地埋管设有活动丈量管。
② 地埋管进出口水温测试
全部地埋管进出口处均设有温度测点，丈量水温。
温度测点布置的测温元件为Pt100，输进转换采用多功能热工数据采集系统，本数据采集系统是由硬件传感器接口箱和微机操纵软件两部分组成。
2.2 流量测试
流量测试包括地下埋管侧管路系统和用户侧管路系统中循环流体的测试。测试仪表为经标定的转子流量计，1号钻井的丈量范围160～1600 L/h，精度1.0级，被测介质温度范围0～120℃，压力≤0.6MPa。其余的为100～1000 L/h，精度1.0级，被测介质温度范围0～120℃，压力≤0.6MPa。
三、地埋管测温/地源热泵测温地埋管单位井深换热量测试结果与分析
影响地埋管单位井深换热量的因素较多。但在实际工程设计中，对于给定的建筑可以人为操控的因素主要表现在地埋管系统的几何尺寸、管内流体热物性和流速、埋管类型等。限于篇幅，本文根据冬季的地源热泵单位井深换热量的测试结果主要讨论地埋管进水温度、流量和埋管类型对单位井深换热量的影响，实验井选取为1号井、8号井、9号井、10号井，深度分别为60m、60m、80m、60m。
3.1 流量对单位井深换热量的影响
实验中8号井的进口水温保持10℃不变，在不同流量的工况下，单位井深换热量的变化趋势大体相同，随流速的增大而增加，如图2所示。在流量从800L/h变化到1000L/h，单位井深均匀换热量从48.6w/m增加到57.8w/m.，这主要是由于随着流速的增加，U形管中的湍流就会更强烈，管内水和管壁的对流换热系数也就会变大，*导致换热量的增加。但相应的地埋管出口水温却相应的降低了0.2℃，过度增大地埋管内流量将会导致地埋管出口水温达不到热泵机组的性能参数要求。而且随着流速的不断增大，水流经U型管的压力损失必然会增加，这*增大了循环水泵的扬程。因此地埋管换热器设计中应选择合适的流量。
3.2 地埋管类型和管长对单位井深换热量的影响
图3为不同类型地埋管在保持进口水温10℃、流量1000L/h不变的情况下对单位井深换热量的影响。可以看出，随着实验的进行，换热量的变化趋势大体相同，但套管(9号井、10号井)和双U型管(1号井)相应的单位井深换热量39.6 W/m、39.9 W/m、40.2 W/m相对于单U型管(8号井)的33.6W/m要高出不少。这也受到此井在此之前已经在保持进口水温8℃条件下运行了70小时导致单位井深换热量的影响。其中9号井井深(80m)固然大于10号井(60m)，总井深换热量也高于后者，但单位井深换热量反而低于后者，这说明总井深换热量并非是井深的线性关系，管井也并非越深换热量就越大。因而实际工程设计当中在既定的客观条件下选择合适的地埋管类型和深度，当然也可能由此而进步埋管投资。
图3 不同地埋管类型的单位井深换热量
3.3进水温度对单位井深换热量的影响
从图2、图3中可以看出，8号井在相同的实验条件下只将地埋管进口水温从8℃进步到10℃，单位井深的换热量就有明显的降低。还应该看到的是，当冬季水温较低，固然可以使换热得到加强，减小换热器的设计容量，但同时相应的的热泵主机换热条件却变得恶劣，热泵机组的COP值会变低，甚至不能正常工作。这就需要在实际工程设计当中根据热泵机组的出口水温设计合适的地埋管系统。
四、地埋管测温/地源热泵测温结语
根据本文对地源热泵系统换热能力的冬季实验研究和分析，可以得到如下结论：
1)地埋管进口水温对单位井深换热量的影响较大，应根据热泵机组实际出水温度确定地埋管系统的设计，而不应片面的以为某一进水温度下单位井深换热量具有普遍适应性。
2)地埋管类型和管长影响着单位井深换热量。
3)地埋管内水的流量对单位井深换热量有影响，且会引起埋管的出口水温的变化，从而导致热泵机组的性能，同时考虑到管内阻力，应设计选取公道的流速。
一、引言
地源热泵系统中冷/热源采用地埋管换热器，这种地热换热器与工程中通常碰到的换热器不同，它不是两种流体之间的换热，而是埋管中的流体与固体(土壤)之间的换热，属于非稳态，涉及时间跨度很长，空间区域很大，换热特性对地源热泵系统性能有决定性的作用，影响着地埋管换热器设计是否公道，进而决定了地源热泵系统的经济性和运行的可靠性。
对于实际工程中常用的垂直U型管地源热泵系统，影响系统性能因素主要在于地埋管换热器管长的设计，其设计计算主要采用《地源热泵系统工程技术规范》中的公式：
由此可见，在换热负荷一定的条件下U型地埋管长度主要取决于土壤层水文地质和热物性。由于地埋管处于地下土壤中，属地下隐蔽工程，其热物性的丈量不能直接进行，主要是结合导热反题目和参数估计法来确定。鉴于现场丈量的困难和地埋管钻井内埋设的不确定性，这些参数的误差均较大，从而*影响地埋管长度的设计正确性。现对公式(1)、(2)进行变换可得：
假如能够获取单位管长换热量，则可以设计计算地源热泵系统地埋管的容量，确定热泵机组参数以及选择循环泵流量与扬程等。单位管长换热量假如选择偏大，必然导致埋管量偏小、埋管内水的进出口温度难以达到热泵机组的参数要求，使得机组效率过低，热泵的制冷、制热量达不到建筑物需求，导致系统设计不满足要求。反之，虽满足要求但初投资过高，地源热泵系统经济性降低。由于单位管长换热量不仅与地下土壤传热温差有很大的关系，而且与地下水位的高低以及土壤中含水量的多少等诸多因素有关，因而需要对实际地源热泵工程进行现场丈量，方可获得较的设计参数。
二、实验装置简介
1. 实验装置组成
实验装置于2006年11月在华中科技大学建筑环境与设备综合实验中心建成，同年12月1日投进使用，已经完成原始地温测试、冬季供热工况测试。该装置实验台在测试运行期间，工况稳定，运行正常。实验系统主要有两部分组成，其装置配置如图1所示。
1.1 地埋管部分
该部分主要包括地埋管换热器、埋管侧循环水泵、埋管侧膨胀水箱、集水器和分水器，其管路系统与冷热源机组相连。
地埋管钻井共11口，编号为1～11。其中1～4号井为双U型地埋管，5～8号井内设单U型地埋管，9～11号井为套管地埋管。钻井深度有40m、60m和80m，钻井直径200mm，管内循环流体介质为水。各钻井内埋管换热器采用并联方式与地埋管集水器和分水器相连，埋管换热器顶部至室内的水平埋管沿地沟展设，地沟深0.8m，地沟宽0.5m。
1.2 冷热源部分
该部分主要包括空气-水热泵机组，产生的冷、热水作为模拟冬季和夏季工况。为防止压缩机损坏，设置时间继电器控制压缩机的启动。当接通电源后，循环水泵首先启动运行，在时间继电器的控制下，压缩机延时启动。压缩机采用压力控制机制，以便观察压缩性能够在正常范围内工作。出水位置装有温度检测装置以便观察水温控制是否达到要求。
2. 数据采集
为研究地埋管换热器的传热性能及其运行规律，设置了一套测试系统，根据文献[2][3][4]选取短的测试时间为70小时。
2.1 温度测试
温度是直接反映埋管换热器传热性能的重要参数，主要分为三部分，分别为地埋管壁温测试、地埋管进出口水温测试。
① 地埋管壁温测试
地源热泵地埋管系统构建时，共4口钻井(编号5～8号)分别设有单U型管，在5号、6号、8号每个单U型管沿进水支管壁的5个测点分别在埋深5m、10m、20m、30m、40m，在7号每个单U型管沿进水支管壁的7个测点分别在埋深5m、10m、20m、30m、40m、50m、60m。其余的地埋管设有活动丈量管。
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