【文章內(nèi)容簡介】 第四個(gè)月 8： 00～ 18： 00 60％滿負(fù)荷 第四個(gè)月 18： 00～ 8： 00 20％滿負(fù)荷 夏季 第一個(gè)月 8： 00～ 18： 00 50％滿負(fù)荷 第一個(gè)月 18： 00～ 8： 00 10％滿負(fù)荷 第二個(gè)月 8： 00～ 18： 00 80％滿負(fù)荷 第二個(gè)月 18： 00～ 8： 00 20％滿 負(fù)荷 第三個(gè)月 8： 00～ 18： 00 90％滿負(fù)荷 第三個(gè)月 18： 00～ 8： 00 20％滿負(fù)荷 第四個(gè)月 8： 00～ 18： 00 50％滿負(fù)荷 第四個(gè)月 18： 00～ 8： 00 10％滿負(fù)荷 注：表中為月平均負(fù)荷 將 2井測試結(jié)果表中各項(xiàng)參數(shù)及條件作為計(jì)算的已知值輸入FLUENT 程序，模擬計(jì)算冬夏季地埋管的進(jìn)水溫度。計(jì)算程序鉆井內(nèi)部采用準(zhǔn)三維模型，鉆井外部采用柱熱源 G 函數(shù)模型。 康 橋 國 際 大 廈 地 埋 管 換 熱 器 土 壤 熱 物 性 測 試 報(bào) 告 書 17 首先假定單位孔深滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的換熱量，帶入程序試算，若計(jì)算結(jié)果中冬季地埋管最低進(jìn)水溫度低于 4℃，或夏季最高進(jìn)水溫度高 于 35℃，需要改變滿負(fù)荷換熱量數(shù)值從新計(jì)算，直到滿足夏季地埋管進(jìn)水溫度不高于 35℃，冬季地埋管進(jìn)水溫度不低于 4℃為止。表 7 為 2號(hào)井單井換熱能力計(jì)算表。 表 7 2號(hào)井單位 孔 深冬夏季換熱能力計(jì)算表 1號(hào)井 2號(hào)井 計(jì)算條件 井結(jié)構(gòu)參數(shù) 雙 U 深度 150m PE100 Ф32mm 單 U 深度 150m PE100Ф32mm 夏季地埋管進(jìn)水溫度不高于35℃；冬季地埋管進(jìn)水溫度不低于4℃。 夏季運(yùn)行時(shí)間為 120天，冬季運(yùn)行時(shí)間為 120天。 夏季單位孔深換熱能力（ W/m） 55 48 冬季單位孔深換熱能力（ W/m） 40 35 地埋管換熱器換熱能力測試數(shù)據(jù)綜合 表 8為 2號(hào)井測試綜合數(shù)據(jù)表。 根據(jù)表 6數(shù)據(jù)顯示，該地區(qū)土壤平均設(shè)計(jì)溫度為 ℃，夏季雙 U豎直埋管換熱器單位孔深換熱能力僅比單 U高 %，冬季雙 U豎直埋管換熱器單位孔深換熱能力比單 U高 %，這是由于測試時(shí)雙 U豎直埋管換熱器管內(nèi)介質(zhì)流速比單管小造成的，若管內(nèi)流速達(dá)到單 U豎直埋管換熱器管的水平，那么雙 U豎直埋管換熱器單位孔深換熱能力會(huì)稍高于表中測試數(shù)據(jù)。 另外，雙 U豎直埋管換熱器夏季單位孔深換熱能力比 冬季高 %，單 U豎直埋管換熱器夏季單位孔深換熱能力比冬季高 %。 這是由于一般的埋管換熱器管內(nèi)介質(zhì)為水，水存在冰點(diǎn)凍結(jié)的限制，導(dǎo)致冬季埋管換熱器的可利用換熱溫差較夏季小。比如：冬季熱泵機(jī)組進(jìn)出水溫度7℃ /4℃，平均溫度 ℃，與土壤原始溫差約為 12℃；而夏季熱泵機(jī)組進(jìn)出水溫度 38℃ /35℃，該溫差約為 19 ℃。 康 橋 國 際 大 廈 地 埋 管 換 熱 器 土 壤 熱 物 性 測 試 報(bào) 告 書 18 表 8 2 號(hào)井測試綜合數(shù)據(jù)表 注： 夏季地埋管進(jìn)水溫度（即熱泵機(jī)組出水溫度）不高于 35℃； 冬季地埋管進(jìn)水溫度（即熱泵機(jī)組出水溫度）不低于 4℃。 夏季運(yùn)行時(shí)間為 120天，冬季運(yùn)行時(shí)間為 120天。 試驗(yàn)井編號(hào) 1 號(hào)井 2 號(hào)井 垂直埋管段 垂直埋形式 雙 U 單 U 垂直深度（ m） 150 150 垂直管總長度（ m） 600 300 鉆孔直徑（ m m） 180200 180200 下管方法 自然下管 +人工頂管 自然下管 +人工頂管 管卡 每 3m 設(shè)一個(gè) 每 3m 設(shè)一個(gè) 回填材料 水泥砂漿（ 1： 6） +砂 +原漿 水泥砂漿（ 1： 6） +砂 +原漿 回填方法 采用灌漿泵自下而上 灌漿，分次回填 采用灌漿泵自下而上 灌漿，分次回填 PE管 外徑（ mm） 32 32 內(nèi)徑（ mm） 26 26 公稱壓力（ MPa） 生產(chǎn)廠家 滄州明珠 滄州明珠 現(xiàn)場試驗(yàn)壓力（ MPa） 管材 位于地面 下 管完 成后 測試連接管 與測試設(shè)備距離 2 3 連接管長度 8 6 測試時(shí)間（ h） 58 63 土壤的平均設(shè)計(jì)溫度（℃） 循環(huán)水平均流量（ m3/h） 豎直埋管平均流速 （ m/s） 平均加熱功率（ W） 5070 5270 土壤導(dǎo)熱系數(shù) W/(m K) 夏季單位孔深換熱能力（ W/m） 55 48 冬季單位孔深換熱能力（ W/m） 40 35 康 橋 國 際 大 廈 地 埋 管 換 熱 器 土 壤 熱 物 性 測 試 報(bào) 告 書 19 （五） 群井換熱的定性分析 在地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中，一般不會(huì)出現(xiàn)少量幾個(gè)雙 U或單U 豎直埋管換熱器就能滿足建筑制冷、采暖的需求，往往需要多個(gè)雙 U或單 U豎直埋管換熱器并結(jié)合場地情況以一定形狀群井排列，形成一個(gè)很大的地埋管換熱器才能滿足。群井傳熱過程中，每個(gè)地埋管周圍土壤的溫度場受地埋管布置及傳熱負(fù)荷等因素的影響不斷變化，同時(shí)變化的溫度場反過來影響地埋管的 換熱能力，從而影響整個(gè)地埋管換熱器乃至整個(gè)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能。 為此，基于上述地埋管傳熱模型，通過對(duì)多熱源群井夏季工況土壤溫 度場分布的數(shù)值模擬，分別介紹導(dǎo)熱機(jī)制及滲流機(jī)制下群井換熱的特性。 （ 1） 導(dǎo)熱機(jī)制下群井換熱的特性 圖 9為導(dǎo)熱機(jī)制下群井工作 100h 土壤截面溫度分布模型，圖 11 為導(dǎo)熱機(jī)制下群井工作 500h 土壤截面溫度分布模型。 由圖 9﹑ 10 可知，在土壤熱物性 參數(shù)認(rèn)定為各向同性的情況下，傳熱初 期的地埋管排熱是以均勻的熱流呈輻射狀向四周擴(kuò)散，土壤中以單個(gè)地埋管為中心的圓周上各點(diǎn)溫度相同， 距地埋管中心位置越近的土壤溫度就越高。隨著地埋管傳熱時(shí)間的延長，周圍土壤溫度逐步上升，傳熱作用的范圍也逐漸擴(kuò)大，使傳熱過程的熱阻增大，傳熱溫差 圖 9 導(dǎo)熱機(jī)制下群井工作 100h 減小。工作時(shí)間從 100h 持續(xù)到 500h， 土壤截面溫度分布 地埋管換熱器周圍土壤的等溫度線不再表現(xiàn)出圓形的特征，呈現(xiàn)相互影響的特征，其形狀隨著周圍鉆井熱源的數(shù)量及位置的變化而變化。如果某一眼鉆井周圍鉆井的數(shù)目越少，該鉆井的四周土壤溫度增加幅度就越小，在某一方向上減小鉆井?dāng)?shù)目或加大鉆井間距，該方向的同一等溫 度線就向內(nèi)聚集，溫度梯度就大，傳熱溫差也越大，傳熱效果就越好。 康 橋 國 際 大 廈 地 埋 管 換 熱 器 土 壤 熱 物 性 測 試 報(bào) 告 書 20 主要原因?yàn)椋弘S著工作時(shí)間的延長，單個(gè)地埋管換熱器周圍土壤堆積的熱量越來越多，此時(shí)四周鉆井也向土壤中排熱，導(dǎo)致鉆井之間的傳熱干擾、土壤溫度升高而無處排放，使得多個(gè)地埋管換熱器的傳熱溫差越來越小，傳熱情況惡化，換熱量越來越小。在實(shí)際工程中，若地埋管布置不合理或地埋管數(shù)量過小，就會(huì)導(dǎo)致夏季地埋管換熱器出水溫度越來越高， 圖 10 導(dǎo)熱機(jī)制下群井工作 500h 直到機(jī)組因進(jìn)水溫度過高而保護(hù)停機(jī) 土壤截面溫度分布 無法運(yùn)轉(zhuǎn)；冬季地 埋管換熱器出水溫度越來越低，直到機(jī)組因進(jìn)水溫度過低而保護(hù)停機(jī)無法運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至導(dǎo)致凍結(jié)事故的發(fā)生。 因此，對(duì)于大規(guī)模群井，在鉆井用地允許的條件下，宜增加鉆井間距， 也可選擇不同形狀的鉆井排列，如長方形﹑ L 形，以減小鉆井之間的干擾。在有限的鉆井區(qū)域，采用方形群井排列比采用菱形在相同的用地面積上能配置數(shù)量更多的鉆井，可保證地埋管換熱器持續(xù)﹑穩(wěn)定﹑高效運(yùn)行。 （ 2） 滲流傳熱機(jī)制 圖 11為滲流傳熱機(jī)制下順排排列群井工作 100h土壤截面溫度分布模 型，圖 12為滲流傳熱機(jī)制下順排排列群井工作 500h 土壤截面溫度分布模型。 圖 13 為滲流傳熱機(jī)制下叉排排列群井工作 500 土壤截面溫度分布模型。 11 滲流傳熱機(jī)制下順排排列群井工作 100h土壤截面溫度分 布 康 橋 國 際 大 廈 地 埋 管 換 熱 器 土 壤 熱 物 性 測 試 報(bào) 告 書 21 12滲流傳熱機(jī)制下順排排列群井工作 圖 13為滲流傳熱機(jī)制下叉排排列群井 500h土壤截面溫度分布 工作 500土壤截面溫度分布 由圖 11～ 13 可知，滲流傳熱圖機(jī)制下，地埋管換熱器的傳熱 也具 明顯的瞬態(tài)特征。由于滲流具有方向性，敷設(shè)于流動(dòng)區(qū)域中的地埋管周圍土壤的溫度變化呈明顯的方向性。在滲流流動(dòng)方向上游，地埋管周圍土壤溫度變化呈現(xiàn)明顯的方向性。在滲流流動(dòng)方向上游，地埋管周圍土壤溫度變化范圍和圖溫度增量極小。在滲流方向下游，土壤溫度變化幅度較大，傳熱的影響范圍也比導(dǎo)熱機(jī)制增大很多，這說明地下水的流動(dòng)抑制向下游傳熱，增強(qiáng)向下游傳熱。與滲流流動(dòng)方向垂直的溫度變化很小，傳熱作用范圍也比導(dǎo)熱機(jī)制小，這說明在相同傳熱條件下，該方向上鉆井之間的距離可適當(dāng)減小。 在傳熱初期，各鉆井之間的干擾很弱，甚至沒有 ，在兩種排列方式下 各鉆井周圍土壤溫度分布差別很小。當(dāng)工作時(shí)間從 100h 延長到 500h 后，鉆井之間的干擾增強(qiáng)，兩種排列方式下的鉆井周圍土壤的溫度分布有較大的差別。在順流方式下，下游的鉆井完全是位于上游鉆井的傳熱作用范圍內(nèi)，其周圍土壤溫度分布受其他鉆井的影響很大，傳熱能力較上游鉆井有較大的降低。與滲流方向垂直距離相同的鉆井?dāng)?shù)目越多，最下游的鉆井的傳熱能力將極度下降，甚至無傳熱能力可言。在叉排方式下，鉆井以菱形配置，使得平行與滲流方向上交錯(cuò)分開，即使在同一平行線上的鉆井之間的距離也較大，可消弱上游鉆井的影響程度 ，有利于地埋管換熱器的換熱。 對(duì)地下水含量豐富且流動(dòng)較劇烈地區(qū)進(jìn)行土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，若 康 橋 國 際 大 廈 地 埋 管 換 熱 器 土 壤 熱 物 性 測 試 報(bào) 告 書 22 鉆井區(qū)域較大，則盡量沿垂直與滲流方向排列鉆井有利于傳熱；若鉆井區(qū)域較小，應(yīng)該盡量在保證間距的情況下錯(cuò)開排列鉆井有利于換熱。 通過對(duì)導(dǎo)熱機(jī)制及滲流機(jī)制下群井換熱的特性分析，可以看出群井換 熱能力不是組成群井的每個(gè)單井換熱能力的簡單相加，而是隨著使用時(shí)間的累加逐漸小于每個(gè)單井換熱能力之和，是有折減的，因此在工程設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到土壤的熱量（或冷量）聚集對(duì)群井換熱特性的影響及群井換熱與單井的區(qū)別。 六、 項(xiàng)目測試結(jié)論 通過本次地 埋管換熱器的鉆孔、安裝及換熱能力的測試，了解了項(xiàng)目所在地 0150m 的深度內(nèi)的地層類型分布，得到了地埋管換熱器土壤熱物性參數(shù) — 土壤原始溫度、土壤的熱導(dǎo)率，并通過計(jì)算得到了單 U及雙 U豎直地埋管換熱器在夏季和冬季的單位孔深換熱能力，為項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了可靠的原始數(shù)據(jù)。表 6 位為本次測試結(jié)果表。 表 6 測試結(jié)果數(shù)據(jù)表 注： 夏季地埋管進(jìn)水溫度（即熱泵機(jī)組出水溫度）不高于 35℃；冬季地埋管 進(jìn)水溫度（即熱泵機(jī)組出水溫度）不低于 4℃。 夏季運(yùn)行時(shí)間為 120天，冬季運(yùn)行時(shí)間為 120天。 試驗(yàn)井編號(hào) 1 號(hào)井 2 號(hào)井 埋管形式 豎直雙 U 豎直單 U 土壤的設(shè)計(jì)平均溫度（℃） 土壤導(dǎo)熱系數(shù) W/(m K) 夏季單位孔深換熱能力（ W