1、地源热泵系统地下埋管换热器设计(1)重庆大学 丁 勇 李百战 卢 军 孙纯武 刘宪英摘要 分析讨论了地下埋管换热器设计中岩土热物性参数的确定,垂直竖井的回填材料、岩土冻结对埋管换热器的影响,埋管形式及埋管深度的选择。关键词 地源热泵 地下换热器 设计 物性参数 回填材料Design of burie d he at e xc ha ng ers forground2s ourc e he at p ump syste ms (1)By Ding Yong, Li Baizhan , Lu Jun , Sun Chunwu and Liu XianyingAbstractAnalyses and
2、 discusses the determination of thermal properties of rock and soil , the influenceof backfill materials of vertical shafts and rock and soil freezing on heat transfer , and the selections of formand depth in the design of buried heat exchangers.Keywordsground2source heat pump , buried heat exchange
3、r , design , property , backfill materialChongqing University , Chongqing , China地源热泵系统又称大地耦合热泵系统,按其最终热源形式,可以分为地下水地源热泵系统、 地表水地源热泵系统、 土壤源地源热泵系统1 。其中地下水地源热泵系统换热效果最好,但受地下水资源使用条件的限制,以及近年来地下水开采带来的一系列问题的影响,国内外学术界对此种方式均持保留态度;地表水地源热泵系统换热效果较好,但受地域限制很大,应用不广泛;目前国内外所谈及的一般均指土壤源地源热泵系统。国内自上世纪90年代开展地源热泵技术研究以来,已经过了约
4、10年的研究发展历程,取得了一定的研究成果,加之应用该技术的系统具有能耗少、CO P值高、 环保等优点,因此,在最近的几年时间里,地源热泵系统在工程中的应用渐渐多了起来。但是,由于地源热泵技术的应用具有很强的地域特点,其所需地下换热器数量又较多,因此,地源热泵系统在一定层面上不具有普遍性,也就是说,不同的地源热泵系统,应根据不同的气候、 地理、 工程条件进行设计。地下埋管换热器是地源热泵系统的关键设备,笔者结合多年来的实验研究成果及相关资料,分析讨论了设计地下埋管换热器时应注意的一些问题。由于篇幅限制,分为两篇文章加以介绍,本文为第一篇。1 岩土的热物性参数确定地下埋管处岩土的热物性参数对埋管
5、换热性能有着重要影响。表1给出了4种不同岩层的物性参数和用笔者编制的程序计算的埋管单位井深换热量。68设计参考 暖通空调HV &AC2005年第35卷第3期 丁勇,男,1975年9月生,博士研究生,博士,讲师400045 重庆大学城市建设与环境工程学院(023) 66820522E2mail : zhengqq12 收稿日期:20040216一次修回:20040421二次修回:20050129 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.表1 岩土热物性参数及单位井深换热量岩土类别导热系数/ (W
6、/ (m)比热容c/ (kJ/(kg)密度/ (kg/ m3)埋管单位井深换 热量/ (W/ m)页 岩0. 8350. 842 046. 933. 79石灰岩0. 9840. 892 881. 939. 31砂 岩1. 8381. 012 616. 863. 78大理石3. 4890. 923 256. 496. 52 注:换热量计算时取重庆市气候参数,U型管埋深50 m ,运行工况为单管夏季间歇运行。从表1可以看出,钻孔地点的岩土物性参数对埋管单位井深换热量的影响非常大。因此,设计地源热泵前,了解岩土热物性参数是非常重要的。目前,确定岩土热物性参数的方法有以下几种。a)取样实验室(或就地)
7、测试法。即采用钻机从不同深度取岩土的试样,然后采用标准平板导热仪或探针进行测量,得到岩土的,c等。这种方法可以在钻井时使用,取样成本很少,主要问题是要按仪器测试要求把试样做成标准试件并保证其含水率、 密度等不变,否则测试结果不准确。b)根据地质勘察公司勘察报告提供的不同深度岩土的种类、 密度、 含水率等指标,从有关资料中查出岩土的热物性参数,c等,然后求出加权平均值作为该地岩土的热物性参数。表2为用此方法得到的威海某地地下岩土的物性参数。表2 威海某地地质构造及有关物性参数深度/ m岩土描述质量含水 率w/%密度/(kg/ m3)导热系数/ (W/ (m)热扩散率a/(10- 6m2/ s)比
8、热容c/ (kJ/ (kg)02粉沙、 黄褐 色、 稠密181 9002.561.030. 3829.7粉沙、 中密151 9502.561.030. 389. 711.3黏土、 细沙、 可塑状19.52 0062.561.030. 3811.360麻岩0.71.02 7003.491.350.256加权平均2 6033.311.290.279c)准稳态运行参数的测试文献2采用积分分析方法进行传热分析得到和 的计算公式,即=bKlnbK -2 b(1)a =y22 lnAyAo2(2)式中 导热系数,W/ (m) ,实际是不同深度岩土的平均值; 热扩散率,m2/ s ,实际是不同深度岩土的平均
9、值;b 钻孔的半径,m ; 流体与管壁的表面传热系数, W/(m2) ;K 平均传热系数, W/ (m) ,K =qtp- to,其中q为单位井深换热量,W/ m ,tp为进出埋管换热器液体的平均温度,to为岩土初始温度,求取方法见文献3 ; 年 周 期 波 动 频 率,1/ s ,=28 7603 600 s,计算时一般从1月16日00 :00开始计算;y 井深,m ;Ay 深度y处岩土的温度年波幅,求取方法见文献3 ;A0 地表面温度年波幅,求取方法见文献3。2 垂直竖井的回填料问题文献1 ,47对垂直竖井的回填料作了比较详细的论述。表3给出了常用的回填材料及其导热系数6。从表3可以看出,
10、填料中水分越多,导热系数越高,埋管传热性能越好,因此国外有些地源热泵工程,为了增加填料中的水分,在钻井端部加一塑料滴水管,间断地向填料中加一些水,以增强其传热性能。表3 常用的回填材料及其导热系数未掺入添加剂的 回填材料 导热系数/(W/ (m)改进了的回填材料导热系数/(W/ (m)沙子(1 922 kg/ m3, 含水5%)2. 614%水泥,15%水,61% 沙子,10%灿岩渣2. 4沙子(1 281 kg/ m3, 含水5%)1. 424%水泥,15%水,61%沙子2. 5沙子(1 922 kg/ m3, 含水15%)3. 315%水泥,15%水,60% 沙子,10%细灰2. 4沙子(
11、1 281 kg/ m3, 含水15%)1. 63 岩土冻结对埋管换热器传热的影响在北方地区,冬季进入地下埋管换热器的液体温度可能低于0,换热器周围含水的岩土有可能冻结。水分冻结时,有大量的潜热被释放出来,岩土降温幅度减小。水分越多,释放出来的潜热量就越多,岩土温度降低幅度就越小,邻近换热器埋管的岩土温度就越高。如果设计中不考虑岩土中水分冻结的影响,计算出的地下埋管周围的温度场偏低,与实际情况相差较大,水分越多,差别越大,因78 暖通空调HV &AC2005年第35卷第3期 设计参考 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All
12、rights reserved.此设计中应考虑水分冻结的影响。但目前有关岩土冻结及其计算方法方面的研究还十分不够(文献89作了一些初步研究) ,但可以肯定岩土冻结对地下埋管换热器是有利的。4 埋管形式目前地源热泵地下换热器埋管形式主要有两种,即水平埋管和垂直埋管。4. 1 水平埋管水平埋管主要有单沟单管、 单沟双管、 单沟二层双管、 单沟二层四管、 单沟二层六管等形式,由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场内,换热效率好于单层,而且占地面积较少,因此采用多层埋管的较多。近年来国外又开发了两种新的可用于水平埋设的管道,一种是扁平曲线状管,另一种是螺旋状管。与传统埋管相比,它们的优点是在获得相
13、同热量的情况下,所需地沟长度减小;管路的埋设视岩土情况而定,可采取挖沟或大面积开挖方法。按文献1介绍,单层管最佳埋深为0. 81. 0 m ,双层管最佳埋深为1. 21. 9 m ,但均应埋在当地冻土深度以下。水平埋管由于埋深较小,换热器性能不如垂直埋管,而且施工时占用场地大,在实际工程中,往往是单层埋管与多层埋管搭配使用。螺旋管优于直管,但不易施工。由于浅埋水平管受地面温度影响大,地下岩土冬夏热平衡好,因此适用于单季使用的情况(如欧洲只用于冬季供暖和生活热水供应)。4. 2 垂直埋管根据埋管形式的不同,一般有单U形管、 双U形管、 小直径螺旋盘管、 大直径螺旋盘管、 立式柱状管、 蜘蛛状管、
14、 套管式管等形式;按埋设深度不同分为浅埋(埋深 30 m)、 中埋(埋深3180 m)和深埋(埋深 80 m)。目前使用最多的是U形管、 套管和单管式。a)采用U形管时,管井直径一般为100150mm ,井深为10200 m ,U形管径一般在 “50 mm以下(受流量不宜过大所限)。U形埋管具有施工简单,换热性能较好,承压高,管路接头少,不易泄漏等优点,是目前应用最多的。在实际工程中国外出现了把U形管捆扎在桩基的钢筋网架上,然后浇灌混凝土的做法,优点是不占用地面和不需打井。b)套管式换热器的外管直径一般为100200 mm ,内管为 “1525 mm。由于增大了管外壁与岩土的换热面积,因此其单
15、位井深的换热量较大,换热效率较U形管提高了16. 7%5。其缺点是套管直径及钻孔直径较大,下管比较困难;初投资比U形管高;套管端部与内管进、 出水连接处不好处理,处置不好易泄漏。因此它适于浅埋,用于中埋和深埋时应慎重。为防止漏水,套管端部封头宜由工厂加工制作,现场安装,以保证严密性。c)单管型在国外常称为 “热井”,它主要用于以地下水作热源的热泵系统。一般来讲该种型式投资较少。安装时地下水位以上部分用钢套管作为护套,钢套管直径和孔径一致,典型孔径为150mm ;地下水位以下部分,不加任何设施。孔洞中装一根出水管为热泵机组供水,回水自然排放或回到管井内。这种方式的使用受地下水资源及国家有关政策及
16、法规的限制。5 埋管深度水平埋管深度的确定比较简单,前面已述。竖直埋管的埋设深度应根据当地地质情况、 工程及场地的大小、 投资及使用的钻机性能等情况综合考虑。根据笔者的工程实践经验,对于在地面上设集中机房的土壤源热泵系统而言,确定埋管深度时应注意:a)钻60 m以内井深时钻机成本少,费用低;b)井深80 m以内,可用普通型承压(承压1. 0MPa)塑料管,深度大于80 m ,需采用高承压塑料管,成本大大增加;c)据比较,井深50 m的造价比井深100 m的造价要低30%50%。对于机房不在地面上的系统则还应考虑高度的影响。一般来讲,浅埋管的优点是:投资少;成本低;对钻机的要求不高;可使用普通型
17、承压(0. 61. 0MPa)塑料管;受地面温度影响,地下岩土冬夏热平衡较好。其缺点是:占用场地面积大;管路接头多;埋管换热效率较中、 深埋低。深埋管优点是:占用场地面积小;地下岩土温度稳定;换热效率高;单位管长换热量大;管路接头少。其缺点是:投资大;成本高;需采用高承压(1. 62. 0 MPa)塑料管;对钻机的要求高。由于深层岩土温度场受地面温度影响很小,因此必须注意冬季吸热量和夏季排热量的平衡,否则将影响地源热泵的长期使用效果。中埋管的性能介于浅、 深埋管之间,塑料管可用普通承压型的。对国内外工程实例进行统计的88设计参考 暖通空调HV &AC2005年第35卷第3期 1995-2006
18、 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.结果表明,中埋的地源热泵占多数。在实际工程中是采用水平式还是垂直式埋管以及垂直式埋管的深度取多少,取决于场地大小、当地岩土类型及挖掘成本。如场地足够大且无坚硬岩石,则水平式较经济,如果采用布管机进行多管布置还可减少场地占用面积。当场地面积有限时则应采用垂直式埋管,很多情况下这是惟一选择。6 结语本文主要讨论了地源热泵地下埋管换热器设计中岩土热物性参数的确定,垂直竖井的回填料、岩土冻结对埋管换热器传热的影响,埋管形式以及埋管深度的选择等问题,在 地源热泵地下埋管换热器设计(
19、2) 中,将对地源热泵地下埋管系统环路方式、 埋管材料、 埋管间距、 埋管内工作流体与地下岩土间的热平衡等问题加以讨论。参考文献1ASHRAE.Commercial/ InstitutionalGround2SourceHeat Pump Engineering Manual. 19952 魏唐棣.地源热泵地下竖埋管换热器性能研究:博士学位论文.重庆:重庆大学,20013 刘宪英,陈建苹,胡鸣明,等.地源热泵地下竖埋套管式换热器传热模型.见:全国暖通空调制冷2000年学术文集.北京:中国建筑工业出版社,2000.1531594 张旭,高晓兵,秦慧敏,等.土壤及与黄沙混合物导热系数的实验研究.见
20、:全国暖通空调制冷2000年学术年会论文集. 2000. 4784815 王勇,刘宪英,付祥钊,等.地源热泵及地下蓄能系统的实验研究,暖通空调,2003 ,33(5) . 21236 吴永华.垂直埋管式土壤源热泵的设计施工方法及夏季供冷测试和传热模型:硕士学位论文.重庆:重庆大学,20027Gu Y, ONeal D L. Modeling the effect of backfills onU2tube ground coil performance. In: ASHRAE Trans.1998 ,104(2)8 于明志,方肇洪,李明钧,等.土壤冻结对地下换热器传热的影响.山东建筑工程学院学
21、报,2001 ,16(1) :42469Parkerson W. Analysis of experimental ground coil datafor heat pump design proceedings. In: Midwest PowerConference. 1951. 488493(上接第50页)参考文献1http :/ / www. shlkx. net/ xsyj/ xslwgwjzxz. htm2InternationalEnergyAgency.KeyWorldEnergyStatistics. 20033http :/ / www. sx. cei. nysj. ht
22、m # 14 金晶.世界及中国能源结构.能源研究与信息,2003 ,19(1) :20265Larson E D , WuZongxin. Future implications ofChinas energy2technology choices. Energy Policy ,2003 ,31(12) :118912046 龙惟定.国内建筑合理用能的现状及展望.能源工程,2002 ,2 :167 郎四维.中国建筑环境设备发展动向.见:上海2003中日建筑环境设备高级论坛论文集,2003. 27508Brockett D. A tale of five cities: the China r
23、esidentialenergyconsumptionsurvey. In:ACEEESummerStudy on Building Energy Efficiency ,20029QiuDaxiong ,MaYuqing.Householdenergyconsumption in Beijing and Nanning , China. Energy ,1994 ,19(5) :52953810 钟婷,龙惟定.上海市住宅空调的相关调查及耗电量的估算.建筑热能通风空调,2003(3) :222411 任俊.广州地区住宅空调能耗分析与研究.见:中美清洁能源技术论坛. 2001 :11712312
24、 龙惟定.中国住宅空调的未来发展.暖通空调,2002 ,32(4) :434713http :/ / www. ecovehicle. org/ pagemake/ centernews/ghpnews. htm14 龙惟定.试论我国暖通空调业的可持续发展.暖通空调,1999 ,29(3) :253015 苑金生.国内外对太阳能的开发利用.建材产品与应用,200316 白鳥和彦.住宅 自然 ? ? 利用技術 動向.空 調和 衛生工学,2002 ,75(8)17Argiriou A. Active solar space heating of residentialbuildings in no
25、rthern Hellasa case study. Energyand Building ,1997 ,26(2) :21522118苑金生.国外节能建筑对太阳能的利用.节能,1996(5) :263219Hamada Y, Nakamura M. Development of a database oflow energy homes around the world and analyses oftheir trends. Renewable Energy , 2003 , 28 (2) : 32132820WRENnewsletter.FinalreportoftheWorldRenewable Energy Congress. Renewable Energy ,2003 ,28(4) :66768298 暖通空调HV &AC2005年第35卷第3期 设计参考 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
