地埋管換熱器測(cè)試報(bào)告

1、朗詩(shī)綠郡項(xiàng)目地埋管換熱器測(cè)試東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院2011-5-23測(cè)試目錄：1綜述測(cè)試埋管及地質(zhì)資料測(cè)試臺(tái)簡(jiǎn)介4測(cè)試過(guò)程和參數(shù)誤差控制和分析4.1 散熱測(cè)試散熱測(cè)試的總傳熱量散熱測(cè)試中水平管的影響散熱測(cè)試中垂直埋管傳熱能力的分析4.2 取熱測(cè)試取熱測(cè)試的總效應(yīng)取熱測(cè)試中水平管的影響取熱測(cè)試中井埋管垂直段傳熱能力分析5 測(cè)試數(shù)據(jù)曲線散熱測(cè)試圖表取熱測(cè)試圖表6 水平管與空氣的傳熱計(jì)算模型1綜述朗詩(shī)綠郡項(xiàng)目位于南京市東區(qū)仙鶴門地鐵站附近，對(duì)該項(xiàng)目地源熱泵地埋管換熱器的熱響應(yīng)測(cè)試于 2011 年 4 月 20 日完成。本項(xiàng)目測(cè)試了兩口單 U 型地埋管換熱器，一口位于南面，另一口位于北面。均采用直徑

2、為 DN25 的 HDPE 管道，鉆孔深度為 51m，地埋管深度 49m。熱響應(yīng)測(cè)試包括散熱測(cè)試和取熱測(cè)試兩種，分別模擬夏季的空調(diào)制冷工況和冬季的空調(diào)制熱工況。冬、夏季工況均采用恒熱流測(cè)試法，連續(xù)運(yùn)行并建立實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)。在管內(nèi)循環(huán)水流速為 0.6m/s 的情況下，地埋管換熱器在制冷、制熱工況下的傳熱性能總結(jié)如下：制冷工況散熱能力：南面井 進(jìn)水溫度 33時(shí)，散熱能力為 40.58W/m；進(jìn)水溫度 35時(shí)，散熱能力為 46.34W/m。北面井進(jìn)水溫度 33時(shí)，散熱能力為 42.91W/m；進(jìn)水溫度 35時(shí)，散熱能力為 48.79W/m。制熱工況取熱能力：南面井 進(jìn)水溫度 7時(shí)，取熱能力為 37.

3、81W/m；進(jìn)水溫度 9時(shí)，取熱能力為 31.17W/m。北面井 進(jìn)水溫度 7時(shí)，取熱能力為 38.97W/m；進(jìn)水溫度 9時(shí)，取熱能力為 32.07W/m。巖土原始溫度：采用測(cè)量地埋管中水溫的方法，測(cè)得該項(xiàng)目面井 18.09，北面井 18.36。巖土的原始溫度分別為：南2測(cè)試埋管及地質(zhì)資料：測(cè)試地埋管換熱器所在地的地質(zhì)情況，地質(zhì)資料如表 1 所示。表 1：工程區(qū)域地質(zhì)資料-打井勘探數(shù)據(jù)在地埋管熱響應(yīng)測(cè)試開始之前，應(yīng)該獲取巖土的原始溫度。該項(xiàng)目在打井制作地埋管換熱器階段沒(méi)有埋設(shè)溫度探頭，無(wú)法直接測(cè)量原始溫度。本測(cè)試采用間接測(cè)量地埋管水溫的方法，在進(jìn)行巖土不同深度的熱響應(yīng)測(cè)試之前，將 PT100

4、 溫度探頭分別單 U 管的兩個(gè)管中，以能夠達(dá)到的最大深度作為探頭深度，測(cè)量管中水溫。表 2-1 為探頭在南面井地埋管中水的測(cè)量溫度，表2-2 為探頭在北面井地埋管中中水的測(cè)量溫度。表 2-1：南面井土壤溫度相關(guān)數(shù)據(jù)序號(hào)探頭深度溫度17.3018.89121023.5巖土平均溫度為 18.09。根據(jù)上述測(cè)量，判斷南面井表 2-2：北面井土壤溫度相關(guān)數(shù)據(jù)序號(hào)探頭深度溫度17.8318.90121023.5巖土平均溫度為 18.36。根據(jù)上述測(cè)量，判斷北面井標(biāo)高地質(zhì)構(gòu)造備注0 至-4m雜土后天雜土，雜色，松散，含有建筑及生活，硬雜含磚塊石塊，粒徑 3-15cm，含量 55%，填齡大于 5 年-4m

5、至-6m淤泥雜質(zhì)粉砂灰黑色，含有植物和碎屑-6m 至-20m粘土堅(jiān)硬，褐黃色-20m 至-40m粉質(zhì)粘土很堅(jiān)硬，可塑，褐黃色-40m 至-42m粘性土雜礫石層礫石含量 20%-42 至-51m粘性土很堅(jiān)硬，可塑，褐黃色-51m 至-60m中風(fēng)化巖完整、堅(jiān)硬、用錘擊不易碎，完整，青紅色-60m 至-80m中風(fēng)化巖完整、堅(jiān)硬，完整，無(wú)變層，青色-80m 至-100m中風(fēng)化巖完整、堅(jiān)硬，完整，青紅色地埋管換熱器測(cè)試的概況：南面井地埋管換熱器為單 U，采用 HDPE 金牛 DN25。南面井為單 U，采用 HDPE 金牛 DN25，鉆井前 4m 左右地質(zhì)均為雜土，鉆孔直徑均為 130mm；其他地質(zhì)為粘性

6、土和砂石，鉆孔深度均為 51m。表 3 為測(cè)試井及地埋管的參數(shù)。表 3：測(cè)試井埋管的施工和安裝數(shù)據(jù)埋管位置管徑埋管類型井口直徑埋管深度回填材料南面井DN25單 U 13049原漿+細(xì)沙北面井DN25單 U 13049原漿+細(xì)沙mm垂直埋管段mmm外徑內(nèi)徑mmmm2520.42520.4PE 管水平連接管連接管總長(zhǎng)度m20.511.5地埋管測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)- 4 -3 測(cè)試臺(tái)簡(jiǎn)介：3.1 測(cè)試過(guò)程和參數(shù)測(cè)試采用計(jì)算機(jī)一次數(shù)據(jù)，測(cè)試過(guò)，每隔 10 秒鐘一次數(shù)據(jù)，每隔 1 個(gè)小時(shí)自動(dòng)的部分溫度、循環(huán)水流量的曲線見后面的圖表。測(cè)試在兩個(gè)方面展開，模擬夏季空調(diào)的制冷測(cè)試和冬季的制熱測(cè)試，測(cè)量井埋管換熱器在制冷運(yùn)

7、行中的散熱能力和在制熱運(yùn)行中的取熱能力。該實(shí)驗(yàn)裝置包括測(cè)試設(shè)備、控制設(shè)備、測(cè)量設(shè)備、系統(tǒng)等部分組成。測(cè)試設(shè)備能夠模擬夏天制冷工況和冬天制熱工況，制成所需要的冷水和熱水，用于傳熱實(shí)驗(yàn)。控制設(shè)備能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)所需要的供水溫度、流量和壓力。測(cè)量設(shè)備由傳感器和儀表組成，用于測(cè)量系統(tǒng)的溫度、壓力、流量等參數(shù)?？刂圃O(shè)備NI 的 FP 模塊，使用 485 通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)模塊與上位機(jī)和測(cè)量設(shè)備均采用之間的聯(lián)系。系統(tǒng)基于 LabView，開發(fā)了自動(dòng)化、數(shù)據(jù)、安全控制的計(jì)算機(jī)程序。試驗(yàn)臺(tái)中的和控制系統(tǒng)采用了國(guó)家儀表局（NI）制造的硬件系統(tǒng)和系統(tǒng)（部分設(shè)備見下面的），提高了測(cè)試的可靠性和連續(xù)性。硬件系統(tǒng)采用 NI

8、 高度自動(dòng)化、高可靠性的 cFP 模塊，其中包括：集、控制與通信于一身的綜合模塊 cFP2020；測(cè)量溫度模塊 cFPTC120；模擬量輸入輸出模塊 cFPAIO600；數(shù)字量輸出模塊 cFPDO410；數(shù)字量輸入模塊 cFPDI330。系統(tǒng)基于 NI 的 LabView 系統(tǒng)，利用課題組在國(guó)外研發(fā)的程序，實(shí)現(xiàn)每天 24 小時(shí)連續(xù)進(jìn)行和過(guò)程控制。該測(cè)試系統(tǒng)每隔 10 秒鐘掃描一次所有的傳感器，數(shù)據(jù)，每隔一定時(shí)間把測(cè)量結(jié)果自動(dòng)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。試驗(yàn)臺(tái)采用了 Emerson 生產(chǎn)的變頻器，驅(qū)動(dòng) Grundfos 制造的高壓水泵。試驗(yàn)臺(tái)可以根據(jù)試驗(yàn)需要的不同流速，通過(guò)變頻調(diào)節(jié)，靈活調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量。試驗(yàn)

9、臺(tái)安裝在測(cè)試井旁邊的帳棚內(nèi)，通過(guò) PE 連接管道，將試驗(yàn)臺(tái)與地埋管連在一起，循環(huán)水測(cè)試系統(tǒng)。用于測(cè)試的計(jì)算機(jī)也安裝在帳棚內(nèi)，計(jì)算機(jī)與NI 的 cFP 控制模塊與模塊之間的采用 Ethernet 高速通信線路連接，計(jì)算機(jī)與 PT100 溫度傳感器之間的信號(hào)傳輸采用 485 總線技術(shù)。3.2 誤差控制在本項(xiàng)目的地埋管試驗(yàn)中，把減小測(cè)量誤差作為一項(xiàng)重要指標(biāo)，分析從傳感器的選擇、到試驗(yàn)臺(tái)的安裝、試驗(yàn)的各個(gè)環(huán)境，確保的可靠性。溫度傳感器的選擇 在所有的溫度傳感器中，鉑電阻傳感器是線性最好、穩(wěn)定性最好的傳感器。本項(xiàng)目的試驗(yàn)中，所有溫度傳感器均采用 A 級(jí) PT100 型鉑電阻傳感器，理論上的基本誤差為0.

10、15左右。溫度傳感器的校正與標(biāo)定在試驗(yàn)之前和試驗(yàn)之后，對(duì)所有溫度傳感器進(jìn)行校正，在恒溫水浴中，用精密水銀溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)溫度讀數(shù)，在地?zé)釡y(cè)試的整個(gè)溫度區(qū)間上，對(duì) PT100 溫度傳感器進(jìn)行校正，獲得每個(gè)傳感器校正誤差數(shù)組，擬校正曲線。通過(guò)校正，把溫度測(cè)量的誤差控制在0.15以下。流量的測(cè)量對(duì)循環(huán)水的測(cè)量采用了等級(jí)為 0.5%的高精度渦輪流量傳感器。在程序中，采用擬合曲線的方法，構(gòu)造出流量與傳感器電信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系式，保證在試驗(yàn)中的實(shí)際測(cè)量誤差低于 0.5%。通過(guò)采取各種技術(shù)措施，能夠把傳熱試驗(yàn)的誤差控制在 5以下。- 6 -4和分析測(cè)試及其結(jié)果分成兩部分，散熱和取熱。4.1 散熱測(cè)試散熱測(cè)試是

11、模擬夏天的空調(diào)運(yùn)行工況，空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)制冷設(shè)備把各房間的熱量抽取出來(lái)，通過(guò)地埋管換熱器排向土壤，因此，地埋管換熱器在夏天的功能猶如一般空調(diào)的外機(jī)。測(cè)量地埋管在夏天的散熱功能，就是根據(jù)空調(diào)運(yùn)行所對(duì)應(yīng)的冷凝溫度，制成一定溫度的熱水，通過(guò)循環(huán)水泵使熱水在埋設(shè)的 PE 管中以一定的速度。熱水的溫度高于土壤的溫度，在 PE 管的過(guò)，把熱量傳導(dǎo)到土壤中去。地埋管的傳熱功率就是計(jì)算循環(huán)水的實(shí)際散熱功率。4.1.1 散熱測(cè)試的總傳熱量表 4 是地埋管換熱器散熱測(cè)試的總結(jié)果。此時(shí)進(jìn)出水溫度區(qū)域穩(wěn)定。其循環(huán)水在地埋管中的的結(jié)果。溫差和傳熱量是由地埋管換熱器和水平連接管共同作用表 4：地埋管換熱器散熱和總傳熱量地埋管

12、南面井北面井回水溫度進(jìn)水溫度溫差流量進(jìn)水壓力回水壓力m3/hMPaMPa31.0733.302.230.700.230.090.140.591.8030.9833.372.390.720.230.090.140.611.99進(jìn)回水壓降 MPam/skW流速傳熱量4.1.2 散熱測(cè)試中水平管的影響上述測(cè)試得到的傳熱量為每個(gè)井埋管的埋管傳熱量和水平管散熱量的總和。為了計(jì)算地埋管垂直段的傳熱能力，必須對(duì)水平段連接管道的傳熱影響進(jìn)行理論分析，具體的計(jì)算模型在第六節(jié)“水平管與空氣的傳熱計(jì)算模型”中作了詳細(xì)介紹。在對(duì)水平連接管道進(jìn)行傳熱分析過(guò)，對(duì)理論傳熱模型做了工程簡(jiǎn)化。假定水平連接管道只與周圍空氣發(fā)生傳

13、熱，PE 管的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.43W/（mK）， PE 管與周圍空氣的傳熱是傳熱系數(shù)為 5W/（m2K）。應(yīng)用傳熱模型，根據(jù)散熱中管內(nèi)水流的流量和溫度，就可以計(jì)算出水平管在各種工況下的平均散熱能力，計(jì)算數(shù)據(jù)見表 5：表 5：地埋管水平連接管的傳熱量分析地埋管南面井北面井連接管道長(zhǎng)度環(huán)境溫度水平管出水溫度水平管進(jìn)口溫度進(jìn)水管換熱量 回水管換熱量垂直管段出水溫度垂直管段進(jìn)水溫度mWW20.5020.2031.0733.302.952.4231.0833.2811.5020.2030.9833.372.952.4230.9933.36理論計(jì)算表明，垂直管段進(jìn)回水溫度主要和連接管道內(nèi)水的溫度、流量、環(huán)

14、境溫度的大小以及管材與保溫材料的傳熱性能等有關(guān)。4.1.3 散熱測(cè)試中垂直埋管傳熱能力的分析為計(jì)算埋管垂直段的傳熱能力，需要將表 4 中的總傳熱量扣除表 5 水平連接管道的散熱量。表 6 列出了地埋管在測(cè)試穩(wěn)定時(shí)的垂直埋管深度換熱量。表 6：垂直地埋管散熱量地埋管南面井北面井31.0833.282.201796.745135.23回水溫度進(jìn)水溫度溫差總散熱量埋管深度Wm30.9933.362.371981.225138.85每米散熱量W/m表 7 是采用恒熱流法直接測(cè)試的結(jié)果，反映不同溫度的冷卻水在地埋管中的散熱性能。利用表 5 的結(jié)果，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行熱響應(yīng)分析，同時(shí)數(shù)據(jù)修正可以得到進(jìn)水溫度為

15、 33和 35時(shí)，地埋管的每米散熱能力（見表 7）：表 7：地埋管換熱器散熱測(cè)試熱響應(yīng)分析結(jié)果地埋管南面井北面井3340.583546.343342.913548.78進(jìn)水溫度散熱量 W/m4.2 取熱測(cè)試取熱測(cè)試用于檢驗(yàn)在冬天熱泵供熱工況時(shí)地埋管換熱器的傳熱能力。在冬- 8 -天，地源熱泵以土壤作為熱源，通過(guò)埋設(shè)的地埋管換熱器從土壤層收取熱量，再輸送到各個(gè)房間。測(cè)量地埋管冬天的傳熱功能，就是根據(jù)熱泵運(yùn)行所對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度，制成一定溫度的冷水，通過(guò)循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)冷水在埋設(shè)的 PE 管中以一定的速度 ，由于 PE 管內(nèi)循環(huán)水的溫度低于周圍土壤的溫度，冷水在 PE管中的過(guò)，從土壤里吸取熱量，溫度升高。地

16、埋管的取熱測(cè)試就是根據(jù)循環(huán)水在 PE 地埋管中的傳熱能力。過(guò)從土壤中吸取的熱量，來(lái)確定地埋管在取熱過(guò)4.2.1 取熱測(cè)試的總效應(yīng)表 8 是地埋管取熱測(cè)試的總結(jié)果，其循環(huán)水在地埋管中的進(jìn)口、出口溫差和傳熱量是由垂直埋管和水平連接管共同作用的結(jié)果。表 8：地埋管換熱器取熱和總傳熱量地埋管南面井北面井回水溫度進(jìn)水溫度9.838.131.700.230.090.140.700.591.379.718.241.470.230.090.140.720.611.22溫差進(jìn)水壓力MPa回水壓力MPa進(jìn)回水壓降MPa流量流速 傳熱量m3/hm/skW4.2.2 取熱測(cè)試中水平管的影響取熱時(shí)針對(duì)地埋管換熱器進(jìn)試。

17、表 2 中列出了各地埋管測(cè)試井的參數(shù)。和散熱實(shí)驗(yàn)一樣，應(yīng)用傳熱模型，根據(jù)散熱中管內(nèi)水流的流量和溫度，就可以計(jì)算出水平管在各種工況下的平均散熱能力，進(jìn)而計(jì)算出地埋管垂直段的進(jìn)回水溫度，具體數(shù)據(jù)見表 9：表 9：地埋管換熱器水平連接管的傳熱量分析地埋管南面井北面井20.5021.209.838.134.053.779.8211.5021.209.718.240.160.109.70連接管道長(zhǎng)度環(huán)境溫度水平管出水溫度水平管進(jìn)口溫度進(jìn)水管回水管垂直管段出水溫度mWW- 9 -垂直管段進(jìn)水溫度 8.158.254.2.3 取熱測(cè)試中垂直地埋管傳熱能力分析垂直地埋管的傳熱等于取熱測(cè)試總效應(yīng)減去水平管的傳熱

18、影響，將表 8 和表9 的結(jié)果進(jìn)行分析整理，得到取熱測(cè)試的垂直地埋管的測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果見下表 10：表 10：地埋管垂直段的取熱測(cè)試性能分析地埋管南面井北面井9.828.151.671365.984927.889.708.251.451221.624924.93回水溫度進(jìn)水溫度溫差總?cè)崃柯窆苌疃萕mW/m每米取熱量表 10 的數(shù)值是連續(xù)進(jìn)行取熱測(cè)試的直接結(jié)果，反映了地埋管在不同進(jìn)水溫度時(shí)的取熱能力。通過(guò)熱響應(yīng)分析的方法以及數(shù)據(jù)修正，可以獲得在地埋管進(jìn)水溫度為 7時(shí)的傳熱能力，見表 11：表 11：地埋管換熱器取熱測(cè)試熱響應(yīng)分析結(jié)果地埋管南面井北面井進(jìn)水溫度取熱量W/m進(jìn)水溫度7進(jìn)水溫度9進(jìn)水溫度7進(jìn)水溫度937.8131.1738.9732.07- 10 -5. 測(cè)試數(shù)據(jù)曲線下面是部分測(cè)試的曲線，溫度曲線、流量曲線。溫度曲線圖中的標(biāo)識(shí)含義：“NW_in ”“NW_out ”“MD_in ”“MD_out ”1#流量計(jì)地埋管的進(jìn)水溫度；1#流量計(jì)地埋管的進(jìn)水溫度；2#流量計(jì)地埋管的進(jìn)水溫度；2#流量計(jì)地埋管的進(jìn)水溫度；“Wpump_in ” 循環(huán)水泵的進(jìn)口溫度；“HP_out ”測(cè)試臺(tái)的環(huán)境溫度流量曲線圖中的標(biāo)識(shí)含義：“NW-f m3/