地源热泵中超强吸水树脂与源土混合作为回填材料的实验研究

1、地源热泵中超强吸水树脂与源土混合作为回填材料的实验研究         06-07-04 16:19:00     作者：王向岩 马伟斌 黄远    编辑：凌月仙仙王向岩 马伟斌 黄远峰 龚宇烈 孙始财摘要：超强吸水树脂具有极强的吸水性和良好的热物性能，混合与源土中作为回填材料，制热工况下分别对螺旋盘管、U型管单独运行以及整个系统间歇运行进行了实验测试，详细分析了实验数据，得出系统性能变化曲线。实验结果表明，超强吸水树脂与源土混合作为回

2、填材料，特别是对于螺旋盘管换热器，能够增大地下换热器换热量，提高地源热泵系统的效率和稳定性，适用于干旱、土壤非饱和以及地下水位比较低的地区。 关键词：地源热泵 超强吸树脂 螺旋盘管 U型管 制热系数 0 前言新能源的研究、开发和利用已经成为世界各个先进国家能源战略的共同目标，浅层地能作为一种可再生绿色新能源，清洁、无污染，以及其巨大的储存量（地表浅层吸收了47%的太阳能，比人类每年利用能量的500倍还要多），已经使得人们认识到了浅层地能的利用价值。能够一机多用的地源热泵系统则在浅层地能应用中日趋活跃，广泛应用于供暖，空调领域中。然而地源热泵系统中埋地换热器受土壤性能影响较大，在连续运行工况下，

3、热泵的冷凝温度和蒸发温度受周围土壤温度变化发生波动而不稳定。为了达到换热效果，目前大多采用垂直U型埋管，这需要钻相当深度的井，费用比较高，占初投资中很大比例。针对这一现状，对螺旋管和U型管在超强吸水树脂与源土混合作为回填材料的情况下，进行了实验研究。1 超强吸水树脂及回填材料性能描述超强吸水树脂是一种吸水能力特别强的高分子材料，吸水率为自身的几十至几百倍，甚至千多倍。如Sumika凝胶S-50的吸水倍率为500700（g/g）,在低温（900C以下）吸水倍率基本不随温度变化；保水能力也非常高，吸水后无论加多大压力也不会脱水，但会随时间慢慢释放水分，且具有良好的蓄热、蓄冷能力3。地源热泵系统中，

4、理论计算以及实验研究表明，回填材料的导热系数K是决定地下换热效果和系统效率的主要因素，常温下，回填物质组成确定以后，对回填材料导热系数起决定作用的是密度和含水率，函数关系可表示为1：K=（，） （1）回填材料密度(Kg/m3)；回填材料的含水率(%)如果把回填材料作为一种能量传递介质考虑，它把自己储存和吸收的能量传给地下换热器以及热循环介质，在这个能量转换过程中，水分起到了能量转换和储存的作用，所以回填材料中含水率的大小对换热器换热效果起着很大的作用。以下按照一定比例在源土中混合超强吸水树脂作为回填材料，并采用螺旋盘管和U型管两种地下换热形式，进行实验研究和分析。2 试验系统介绍实验台由地源热

5、泵、地下换热器等组成，主要设备见表1，采暖空调房间面积65m2积， 表1 主要设备表 设备名称型号主要参数数量地源热泵WRB09制热：9.71kW制冷：8.45kW输入功率：1.90/2.49kW1冷却水循环泵ISG-25-1.8-12.5流量：1.8m3/H扬程：12.5m1风机盘管换热量：5.8kW风量：1000m3/H2实验共打井4口，其中1、2号井，换热器形式采用螺旋盘管，井深6.0m，螺旋直径1.0m，螺旋间距200mm ，并设计注水装置2，具体结构图见图（1）；3、4号井采用U型管，井深40.0m，每套螺旋管和U型管均为管径DN32，壁厚3mm，管长80m的PE管。整个系统见图(2

6、)。图1 螺旋盘管结构图图2 实验系统原理图 实验所选地地势相对较高，地下水位比较低（地下8-10米），土壤为非饱和态，回填之前对螺旋盘管打井源土采样测试，土壤密度约为1450Kg/m3 ，土壤含水率约为18%-20%。其中1号井，采用源土回填，2、3、4号井则按照质量比1：1000在源土中混入吸水倍率1：500的Sumika凝胶S-50超强吸水树脂。整个系统中，在热泵冷却水，冷冻水进出口，螺旋盘管和U型管进出口管外壁以及其他不同位置设置k型铜-康铜热电偶36组，1号和2号井热电偶对称布置，具体位置如图（3） 图3 螺旋盘管热电偶布置图 3 试验数据分析实验台搭建完毕后，测得换热器周围土壤初始平均温度为21.50C, 10月底开始对系统在制冷、制热工况下进行了运行调试。调试完毕，通过注水器向1、2号井中分别注水2m3。由于环境温度影响，首先在制热工况下对系统进行测试。工况1：12月6日在制热工况下系统连续运行24个小时后，于12月9日至23日期间，夜间平均室外温度100C，开启部分或全部房间门窗，室内温度保持在22-240C，热泵机组热水出