土壤源热泵运行前后地温特性实验研究

1、第7卷第2期制冷与空调2007年4月REFRIGERATIONANDAIR-CONDITIONING52254土壤源热泵运行前后地温特性实验研究胡志高袁旭东(华中科技大学)摘要利用现有土壤源热泵实验设备,进行冬季工况实验,测得热泵运行前后地下埋管的温度分布,并分析土壤温度的分布规律及趋势,为武汉地区土壤源热泵的方案规划、设计、运行和维护管理提供一定的理论依据和基础数据。关键词土壤源热泵地温特性间歇运行ExperimentalstudyongroundtemperaturecharacteristicsforGSHPHuZhigaoYuanXudong(HuazhongUniversityofS

2、cienceandTechnology)ABSTRACTThroughthewintertestexperimentwiththepracticalequipments,measuresthegroundtemperaturedistributiondatainanalyzingthelawandtrendofthegroundtemperaturereferencesandbasicdataforprojectprogramming,design,ofGSHPinWuhan.KEYWORDSGSHP(heat;temperaturecharacteristics;inter2mittento

3、peration,但其换热特性受土壤特性影响较大,因此必须根据不同的地理气象条件和土壤条件开发出一套相应的土壤源热泵技术资料,以促进土壤源热泵的发展。因此,要将这一技术应用到武汉地区的实际工程中,就需要建立武汉地区热泵基础数据库,对实际应用进行预测和指导。山东建筑工程学院、同济大学、重庆大学等分别根据各自的地质条件给出了相关的试验结果。结果表明,不同的地理位置及土壤热物性,单位管长放热量相差较大。华中科技大学环境学院建立了一座土壤源热泵实验室,以便获得武汉地区土壤源热泵相关基础性数据,为土壤源热泵的应用推广和进一步的理论研究提供必要的技术数据和可借鉴的实验依据。1土壤源热泵实验系统该实验系统为

4、华中科技大学环境科学与工程学院的土壤源热泵实验室,实验装置的示意图如图收稿日期:20062042171,主要设备有热泵机组1台,空气处理机组1台,风机盘管16台,冷却塔1台,埋地换热器采用垂直U型埋管,所有埋管均采用高密度聚乙烯塑料管,钻孔直径为110mm,垂直竖井埋管埋深为31m,共21口井。其中5口井(编号为1#,2#,3#,4#,5#)下面按照5m,10m,15m,20m,25m,30m分别布置了温度传感器。地下土质为砂土、少许黏土以及部分沙砾。2土壤源热泵冬季工况实验数据及分析土壤源热泵系统的冬季工况实验,从2005年12月29日开始测量土壤初始温度,自2006年1月3日9:30正式开

5、机进行,连续运行至1月5日20:30关机,然后测量土壤温度至22:10,1月8日之后又测量土壤恢复温度持续到1月14日,其间机组连续运行共计59小时。2.1热泵运行前土壤温度分布冬季工况运行前的12月29日16:00至1月1日16:00,当地室外的最低气温为6.6,最高气通讯作者:胡志高,Email:zhigao-hu第2期胡志高等:土壤源热泵运行前后地温特性实验研究图1土壤源热泵实验系统示意图温为10,平均气温为8。热泵运行前的4号管井不同深度土壤温度如图2所示。测试结果表明,这个时期在-15m深度层温度最低,约为15.5。由于夏季存在一定的土壤蓄热,;反之,由于冬,。由此可知,试推升率-1

6、5m以下约为/,-20m以下约为0.1/m。所以,-20m以下会呈现出明显的线性递增过程。2.2热泵运行期间土壤温度分布在舒适性空调系统中,冬季由于建筑物负荷的变化,运行工况通常采用间歇运行方案。与实际运图2热泵运行前土壤温度分布图从图2可以看出,各井地下土壤未扰动原始温度在-5m以下,就基本上处于稳定的状态,不随室外气温、时间等外界因素的变化而变化。随深度的增加,土壤温度略有变化,但-30m温度明显较高。地下5m的土壤平均温度为16.1,依次10m,15m,20m,25m,30m的土壤平均温度分别为16.1,15.5,15.6,16.6,18.1(如下图3)。行工况相对应,土壤源热泵冬季运行

7、工况的实验期间也采取了间歇运行的方案,间歇停机时间为2030min,运行时间为3040min。冬季工况运行时间从1月3日至1月5日,室外最低气温为-1.6,最高气温为8.4,平均气温为2.8。热泵运行时4号埋管井不同深度土壤温度如图4。图4热泵运行时土壤逐时温度分布图3热泵运行前土壤温度随深度变化图从图4可以看出,对埋管井而言,随着土壤源热泵系统的运行,埋管井内土壤温度下降,热泵停制冷与空调第7卷止运行后,埋管井内的土壤温度又上升。当热泵机组再次启动时,温度又下降,如此往复运行。通过回归分析可知,最后各个深度的土壤温度均趋于相对稳定,即使在某一固定值上下波动,但整体温度趋势都将会是约以-0.0

8、1/h的斜率下降,即冬季随着热泵的长期运行,土壤温度会有所下降。所以,可以通过热泵的间歇运行来减缓这种下降趋势,而且要适当地延长间歇时间,让土壤温度获得一定的回升。由实验显示,在系统运行期间-30m的土壤温度场变化明显较为稳定,由温度变化回归分析可以推之-30m下的温度变化将会更稳定。2.3热泵停止运行后土壤温度分布热泵停止运行后的1月5日20:30至22:10,当时室外的最低气温为-1.6,最高气温为1,平均气温为-0.3。热泵运行前的4号埋图6热泵运行停止3天后土壤温度3结论通过实验数据分析说明了武汉地区土壤源热泵运行前后的地温特性存在一定的规律性,现总结如下:1)-5m以下就基本稳定,但

9、30。温/m,-20m以下约/-20m会呈现出明显的。2)热泵运行期间,不同深度的地温趋势都将会是约以-0.01/h的斜率下降,可以通过适当延长热泵的间歇运行时间来减缓这种下降趋势。3)系统运行期间-30m的土壤温度变化较之前十分稳定,-30m下的温度变化将会更稳定,所以建议埋管深度在30m以上。4)热泵停止运行后,各个深度的土壤温度回升趋势几乎相同,本实验关机后土壤温度要恢复到初始值大概要15天的时间。参考文献1StephenPK.FieldTestforGroundThermalPropertiesMethodsandImpactonGroundSourceHeatPumpDe2sign.

10、ASHRAETrans,2000,25(4):8512855.2高青,于鸣,等.地热利用中的地温可恢复特性及其传管井不同深度土壤温度图5所示。图5热泵运行停止后100min土壤温度图5中,热泵运行停止后100min土壤温度可以看出,在080min之间温度大概以0.04/min的斜率直线上升,之后,温度上升减慢且趋于平缓,而且各个深度的土壤温度回升趋势几乎相同。热泵停止运行后的1月8日16:00至1月14日16:00,期间室外的最低气温为7,最高气温为0.8,平均气温为4。热泵运行前的4号埋管井不同深度土壤温度图6所示。图示说明,热泵运行停止3天后,土壤温度上升已经非常缓慢,6天上升的温度大概是0.5,温升率只有约0.08/d