第３９卷第５期 河北工业大学学报 ２０１０年ｌ０ Ｖ０ｌ＿３９ Ｎｏ．５ ＪＯＵＲＮＡＬ ｏＦ ＨＥＢＥＩ ＵＮⅣＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１０ 文章编号：１００７－２３７３（２０１０）０５．００４４—０４ 回填材料对埋地换热器传热－Ｉ，土ｔ－Ｉ－ｚ目￣ｐ匕＿＿，的影响研究 杜红普，齐承英 （河北工业人学能源与环境『．程学院，灭津３００４０１） 摘要在天津地区开展了３种不同回填材料的埋地换热器换热特性实验研究，获得了地下换热量随管内流体平均 温度的实测变化曲线，并对该３种回填材料下的实验结果进行了比较分析．实验结果表明，地下换热量与流体平 均温度之间呈线性变化规律．随着回填材料导热系数的增加，可以显著减小钻孔内的导热热阻，这有利于改善粘 土质土壤与埋管换热器之间的传热性能，提高地源热泵系统运行的稳定性． 关键词地源热泵；埋地换热器；回填材料；导热系数；传热性能 中图分类号ＴＫ５２３ 文献标识码Ａ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｂａｃｋｆｉｌｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ＤＵ Ｈｏｎｇ—ｐｕ，ＱＩ Ｃｈｅｎｇ—ｙｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００４０１．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｗｏｒｋ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆａ ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ（ＧＨＥ） ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆｄｉｆｅｒｅｎｔ ｂａｃｋｆｉｌｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｔ Ｔｉａｎｊｉｎ ａｒｅａｓ．Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｒａｔｅ ｏｆｔｈｅ ＧＨＥ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｌｆｕｉｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ａｐｐｅａｒｅｄ ａ ｌｉｎｅａｒ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｂａｃｋｆｉｌｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅ ｈｅａｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｎｓｉｄｅ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｗａｓ ｒｅｄｔｌｃｅｄ ｇｒｅａｔｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆｔｈｅ ＧＨＥ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｎｏｔｉｃｅａｂｌｙ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｔｈｅ ｌｏｎｇ—ｔｅｒｍ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐｓ ｓｙｓｔｅｍｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｇｒｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ；ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ；ｂａｃｋｆｉｌｌ ｍａｔｅｒｉａｌ；ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔＭｔｙ；ｔｈｅｒｍａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ 目前随着全球经济的快速发展、能源消耗过大，不仅造成资源浪费，也引起了 系列环境问题，特别是 全球气候变暖．土壤源热泵集成系统，在加大可再生能源（例如地热能和太阳能）利用柙度、减低空调冷热 源排放ＣＯ：引起的温室效应方面都起到了积极的作用，成为国内建筑节能及暖遁 调界研究的热点．特别是 近年来，随着地源热泵项目应用规模的不断扩大，有必要对整个系统尤其是地埋管部分的优化进行考虑，而 回填材料作为影响埋地换热器换热效果好坏的重要因素，更成为进一步研究地源热泉技术的关键环节． 国内在回填材料的配比和热物性方面展开一系列研究．例如，张旭…等人对不川比例Ｉ 沙混合物的换 热特性进行了实验研究．李新国 等人针对一工程实例，比较分析了两种不同同填材料卜桩 和井埋管取、 放热工况的差异．此外，围绕回填材料的导热、粘结、渗透等物性，新型适用且符合工程特性的材料开发逐 渐成为当前的一大趋势．但同时，从作者在北京、天津及唐Ｌ 地区的工程调查发现，考虑到来源广泛，施丁 方便等因素，无明确规范要求时原七／浆回填在眼下的地源热泵项目中应用较多．尽管原浆 填经济性优势 明显，但其对地埋管换热ｌ『牛能的影响方面ｒ］前尚无足够的说服性数据． 鉴于此，本文通过对碎石屑、中粗砂、原土（以粉质粘土为 卜）作为回填材料进行实验酬究，获得钻孔 回填材料对地埋管传热性能的影响分析，旨在为优化地源热泵系统设计方面提供一些参考依 ． 收稿ＩＥＩ期：２Ｏ１０ ０１—２ｌ 基金项目：“卜 五”吲家科技支撑计划重大项口（２００６ＢＡＪ０３Ａ０６—０６）；＿人津市科技支撑计划重点ｓ，５ｊ （０７ＺＣＫＦＳＦ００４００） 作者简介：杜红普（１９８４一），男（汉族），硕 牛；导师简介：齐承蜒（１９６５一），男（汉族）．教授． 第５期 杜红普，等：回填材料对埋地换热器传热性能的影响研究 ４５ １ 实验系统 １．１系统简介 图１给出了埋地换热器实验系统的原理图．实验系 统主要由土壤热响应测试仪和埋地换热器相互连接组成． ＩＬ 土壤热响应测试仪为作者单位白行研制的基于恒温法的 改进实验装置，可以进行排热和取热工况实验．其中，加 钻孔～、 热系统主要依靠盘管加热器，冷却系统由压缩机、冷凝 ｕ型管、 器、膨胀阀和蒸发器组成的封闭制冷循环来完成，工质 填材料—＼ 为Ｒ２２．为保护压缩机，系统设置了启动延时、高低压限 Ｌ制等功能．制热和制冷系统的最大功率分别１２ ｋＷ和 ９ ｋＷ，可通过面板上的ＰＩＤ积分控制器来进行粗调和微 调，以维持不锈钢保温水箱中冷／热源水温的动态平衡． １．保温水箱；２．测试仪壳体；３埋地换热器；４．循环泵； ５加热器；６．蒸发器；７ ＰＩＤ控制器；８．压缩机；９．膨胀 水箱的有效容积为４０ Ｌ，其中还安装了若干水温水位传 阀；１０冷凝器；ｌ１．冷却风机 感器，可起到辅助水温调节的作用．系统的有效温控范 围为５～４０℃，控制精度为士０．５℃．循环水泵型号为 图１ 埋地换热器实验系统简图 Ｆｉｇ．１ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｔｈｅ ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ＲＳ一２５，功率为９０ｗ，额定流量和扬程分别为２．５ ｍ ／ｈ和 ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ ６ｍ．实验系统的其它详细描述与测试方法可参阅文献 ． 在本文换热实验中，埋地换热器的平均流体温度变化范围为２０～３５℃和５～１０℃，这与地源热泵系统 的实际运行工况相一致．根据测试装置本身的调节范围，并综合考虑测试周期及数据拟合有效性等因素，分 别进行１个初始工况＋２个排热工况十２个取热工况． 本文３个换热实验的钻孔有效深度均为１２０ ｍ左右，钻孔直径约为２５０ ｍｍ，采用ＤＮ３２型双Ｕ埋地换 热器（ＨＤＰＥ）．在钻孔深度范围内，土壤类型以粘土为主．测试工作在钻井回填完成后一周开始进行，此时 土壤温度已经基本恢复至未受扰动前的自然初始状态．国内外研究表明 ，埋地换热器地面部分传热是影响 地下换热实验结果的重要因素之一．为了减小实验测量误差，埋地换热器的地面以上部分的长度保留约１ ｍ， 并进行了橡塑保温处理，以减少换热损失．本文对天津地区三处钻孔分别采用了碎石屑、中粗砂、原土（以 粉质粘土为主）作为回填材料，回填密实可靠．经过现场取样进行实验室分析，其基本物性见下表： 表１不同回填材料的基本物性 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂａｃｋｆｉｌｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ １．２测试误差分析 本次实验的温度误差主要包括标定精度与采集误差，计算如下 △Ｔ＝√（士０．０３） ＋（土０．０２） ＋√（４－０．０３） ＋（４－０．０２） ＝－４－０．２ ８ ７ ２ （１） 考虑最大进出口温差为５℃，故最大温度误差＝±０．２８７ ２／５＝ｉ５．７４％． 根据实验标定，在测试流量范围内电磁流量计的最大误差为±２．５％．所以，本次地下换热实验的总测量 误差（最大值）为 ＥＲ：√（土（０．０５ ７ ４） ＋（４－０．０２ ５） ＝４－６．２６％ （２） 河北工业大学学报 ｐ＼ 崔 第３９卷 ８ ６ ４ ２ Ｏ ８ ６ ４ ２ Ｏ ２实验结果与讨论 ２．１初始地温分析 通常而言，根据温度变化差异，浅层土壤基本可以划分为 ３个区域：变温层、恒温层和增温层．变温层是指深度在２０ ｍ 左右深度以上的土壤，其温度随地表气象条件（大气环境、太 阳能辐射等）的周期性变化比较明显；恒温层是指深度约在 ２０～５０ ｍ之间的土壤，其温度四季稳定，／『Ｌ乎不受外界环境 因素的影响；恒温层以下为增温层（深度大于４０～５０ｍ），温 度呈线性增加趋势． ｏ 在地下热响应测试中，当不开启加热或制冷装置，而仅依 靠循环泵来维持地埋管换热器环路循环时，经过一定时问后， 地埋管换热器的进出口水温将逐渐趋于相等或保持一个ｔＫｄ，的 允许温差（通常为０．１℃）．此状态下的进出口平均水温通常 Ｏ ２ ４ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ０ ０ ０ ｏ。 ０ ６ 一ｇ＼≥一＼ 霉 ８ ｌ０ １２ ｔ／ｈ 图２ 一｝：壤 均初始温度测试结果 Ｆｉｇ ２ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｇｒｏｕｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 被认为“土壤初始温度”．图２给出了１ 孔的土壤１王均初始温 度的测试结果．可以看出，在测试条件下，经过１２ ｈ循环后， ＼ 蓑 ８ ６ ４ ２ Ｏ ８ ６ ４ ２ Ｏ 土壤初始温度稳定为ｌ４．８６℃． ８ ６ ４ ２ Ｏ 需要特别说明的是，上述“土壤初始温度”实际上是土壤沿钻孔深度方向｝：各处地温的积分平均数值． 考虑到变温层土壤温度存在周期性变化，所以地下热响应测试中的二｝ 壤初始温度也会存在季节变化效应，这 在设计地源热泵系统时需要加以考虑．有关土壤温度季节变化效应的详细描述请参阅文献 ． ２．２钻子Ｌ地下换热量分析 图３和图４分别给出了ｌ≠｝钻孔在取热和排热工况下，进出口流体温度以及地下换热量随时问的变化关 Ｏ 一 一 一 一 一 一 一加如 如 舳 —Ｅ＼≥一＼ 熹 Ｌ ０ ２ ４ ６ ８ ／ｈ １０ １２ １４ １６ ０ ２ ４ ６ ８ ｔ／ｈ １０ １２ ｌ４ ｌ６ ａ）进川温度设定为６℃ Ｓｔｔ ３取热丁况换热实验结果 ｂ）进｝Ｊ温度设定为８℃ Ｆｉｇ ３ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｕｎｄｅｒ ｈｅａｔ．ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｌ００ ８０罩 ≥ 一＼ 兰 。； 乎 毒 １上 ４ｏ萋 上 ｌ粤 ２０ Ｏ ０ ２ ４ ６ ８ ｌ０ １２ 】４ １６ １８ Ｏ ４ ８ １２ “ｈ １６ ２０ ｔ／ｈ ａ）进口温度设定为２２￣Ｃ ４排热＿丁况换热实验结果 ｂ）进【＿Ｊ温度改定为２６℃ Ｆｉｇ ４ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｕｎｄｅｒ ｈｅａｔ—ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ 第５期 杜红普，等：同填材料对埋地换热器传热性能的影响研究 ４７ 系．可以看出，由于碎石屑回填材料具有良好的热传导性能， 所以钻孔内的导热热阻较小，使得整个土壤和埋地换热器之 间传热过程的稳定时间相对较快，平均在２０ ｈ以后就基本达 到稳定状况． ２．３土壤导热系数分析 根据上述埋地换热器稳态运行数据一览表，可以绘制出地 下换热量 随埋地换热器管内流体平均温度的变化关系，如 图５所示．可以看出，此关系呈线性变化规律（Ｒ ＞０．９），与 理论结果吻合良好，说明本次实验结果比较可靠．一般而言， ｇ ≥ 一～ 嚣 ｏ ５ １ｏ １５ ２０ ２５ ３０ ３５ 流体温度／℃ 曲线斜率越大，土壤的热传导性能越好，地下换热量越大．具 体而言，埋地换热器的地下换热量满足以下实验方程 ｑ＝５．５ ８ １ ４ 一８ ８．２ １ ３ ６（Ｒ ＝０．９ ９４ ２） （３） 图５地下换热量随管内流体半均温度的变化关系 Ｆｉｇ．５ Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｈｅａｔ—ｔｒａｎｓｆｅｒ ｒａｔｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｌｕｉｆｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 同样，当回填材料为中粗砂、原土时，也可得出埋地换热器的地下换热量关系式，见表２所示．对于典 型的管内流体换热温度范围：２０～３５℃（夏季）和５～１０℃（冬季），碎石屑回填下的埋地换热器换热量与 中粗砂和原土作为回填材料时相比，分别提高约２％～１５％、ｌ８％～３８％（夏季）和２７％～３５％、５８％～７３％ （冬季）．由此可见，钻孔回填材料对埋地换热器的传热性能影响较大．随着钻孔回填材料导热系数的增大， ∞舳∞∞加０加∞∞ 可以有效减ｄ，￣ＴＬ内的传热热阻，从而明显改善地埋管与土壤的换热性能． 表２不同回填材料下的地下换热量关系 Ｔａｂ．２ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｈｅａｔ—ｔｒａｎｓｆｅｒ ｒａｔｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂａｃｋｆｉｌｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ３结论 本文开展了基于碎石屑、中粗砂、原土３种不同回填材料的埋地换热器换热特性实验研究，通过实验测 试分析获得以下结果： １）获得了地下换热量随管内流体平均温度的实测变化规律，回归了地下换热量方程．实验结果表明， 地下换热量与流体平均温度之间呈线性变化规律．通过上述方程，可以有效评价埋地换热器在不同工况下的 换热能力． ２）钻孔回填材料对埋地换热器的传热性能影响较大．在本文钻孔条件下，与中粗砂和原士回填下的结 果相比，碎石屑回填材料下埋地换热器的换热量平均提高约８％、２８％（夏季）和３ ｌ％、６５％（冬季）．随着 回填材料导热系数的增大，可以有效减ｄ，￣ＴＬ内的导热热阻，这有利于改善粘土质 壤与埋管换热器之间的 传热能力，提高地源热泵系统运行的稳定性． 参考文献： ［１］张旭，高晓兵．华东地区土壤及土沙混合物导热系数的实验研究［Ｊ］．暖通空调，２００４，３４（５）：８３—８５． ［２］李新围，汪洪军，赵军．不同回填材料对ｕ型垂直埋管换热性能的影响［ＪＪ＿太阳能学报，２００３，２４（６）：８１０－８１３． ［３］Ｈｕａｊｕｎ Ｗａｎｇ，Ｃｈｅｎｇｙｉｎｇ Ｑｉ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｃａｓｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｅｓｔ ｆｏｒ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ】．Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ，２０１０，３５（３）：７２７—７３３． ［４］Ｌｌｍ Ｋ，Ｌｅｅ Ｓ．Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆｇｒｏｕｎｄ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ【Ｊ】．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｄ Ｆｌｕｉｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００７，３１ （８）：９８５—９９０． ［５］Ｅ华军，工恩宇，赵军．地源热泵地下热响应实验的季节效应分析［Ｊ１．暖通空调，２００９，２９（２）：１４－ｌ ８． ［责任编辑 田 丰］
