CN113552167A - 一种浅层套管换热器土壤热响应测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于土壤源热泵技术领域，提供了一种浅层套管换热器土壤热响应测试系统及方法，该系统，包括：套管组件，埋设于地层；回填材料，填充于所述套管组件和地层之间；热源装置，通过测试管道与所述套管组件连接；所述测试管道包括给液管和回液管，其中所述给液管上安装有循环水泵和温度传感器，所述回液管上安装有流量传感器和温度传感器。本发明实施例提出的浅层套管换热器土壤热响应测试系统及方法建立了浅层套管换热器土壤热响应测试分析技术，并解决了测试能耗偏大、钻孔内回填材料热阻计算误差偏大的问题。

Description

一种浅层套管换热器土壤热响应测试系统及方法

技术领域

本发明属于土壤源热泵技术领域，尤其涉及一种浅层套管换热器土壤热响应测试系统及方法。

背景技术

土壤源热泵技术是一项节能环保的技术。土壤源热泵利用地下浅层土壤体作为热源，利用地下换热器与浅层土壤进行热交换，相对于地表空气，浅层土壤体具有冬暖夏凉的优点，与常规空气源热泵相比，土壤源热泵系统能效得到大大提升。土壤源热泵地下换热器包括U型埋管换热器和套管换热器，与U型埋管换热器相比，套管换热器性能更优。

土壤热物性参数是地下换热器设计的重要基础参数，其精确性不仅关系到系统的可靠性，还关系到项目的经济性。目前土壤热物性参数大都需要通过现场热响应测试技术获取，Mogensen最早在1983年提出U型埋管换热器热响应测试技术。我国2009年颁布的设计规范《地源热泵系统技术规程》，要求在工程设计前进行土壤热响应试验，以此作为设计的基本依据。在恒定加热或取热条件下，流体以一定流量在地埋管换热器中循环流动，记录的进出口流体温度和流量，持续测试时间48～72小时。在开展U型埋管换热器土壤热响应测试获取现场测试数据后，进一步可以基于无限长线热源理论反演计算，获取土壤导热系数和钻孔内热阻，为U型埋管换热器设计提供数据支撑。根据无限长线热源理论，地埋管换热器进出口流体平均温度满足：

通过上式可以获得土壤导热系数和钻孔内热阻。

目前对于U型地埋管换热器，已经建立了一套成熟并在工程实践中获得广泛应用的测试分析技术，目前大部分热响应测试方面的研究也是针对U型地埋管换热器开展的。相比较而言，套管换热器热响应测试分析方面研究比较少，尚未建立起一套成熟有效的热响应测试分析技术。在实践中，有时直接借鉴U型埋管换热器测试分析上式进行计算，然而，相关文献研究表明，当流量较小时，采用上式计算的钻孔内热阻误差较大。因此在很多测试中，都采用了较高的流量，造成水泵和加热器能耗过高。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种浅层套管换热器土壤热响应测试系统及方法，旨在解决背景技术提出的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种浅层套管换热器土壤热响应测试系统，包括：

套管组件，埋设于地层；

回填材料，填充于所述套管组件和地层之间；

热源装置，通过测试管道与所述套管组件连接；

所述测试管道包括给液管和回液管，其中所述给液管上安装有循环水泵和温度传感器，所述回液管上安装有流量传感器和温度传感器。

优选的，所述套管组件的埋设深度小于200米。

优选的，所述套管组件包括内管和外管，其中内管插设在外管中。

优选的，所述热源装置的加热功率可以调节。

优选的，所述循环水泵采用变频控制。

优选的，所述浅层套管换热器土壤热响应测试系统的设置方法为：

1)循环水泵采用变频控制，根据具体测试项目进行设置，首先采用下述公式计算流量：

其中μ为流体粘度；rpii为套管换热器内管内径；rpio为套管换热器内管外径；rpoi为套管换热器外管内径；ρ为流体密度；cf为流体体积热容；H为套管换热器深度；

然后将循环水泵流量Wf设置为Wf1、Wf2、Wf3中最大值；

2)热源装置加热功率可以调节，加热功率Q为：Q＝4c_fW_f。

一种浅层套管换热器土壤热响应测试方法，包括以下步骤：

1)测试钻孔施工，安装套管换热器结束后，将套管换热器内充满水，静置1天时间，至施工对地下温度场影响消失；

2)热响应测试系统安装，设定循环水泵流量Wf，循环水泵流量在测试中保持恒定；进行无功循环测试，持续4～5小时，直至进出口流体温度达到平衡，获取初始地温T0，所述无功循环即不开加热器；

3)设定热源加热器功率为Q，开始加热测试，连续测试且时间大于48小时，结束热响应测试，测试过程中加热器功率保持恒定。测试时连续记录套管换热器进水温度Tfin、出水温度Tfout、水循环流量Wf；

4)计算进出口流体平均温度

计算换热器加热平均功率

水循环流量Wf平均流量

5)在对数时间坐标下观察进出口平均温度Tfm曲线形状，确定直线拟合起始时间ts，且要求ts大于等于10小时。去除时间ts之前的数据，利用剩下的数据在对数时间坐标下进行直线拟合，获得直线斜率a和截据b；

6)计算导热系数和钻孔内热阻

计算回填材料热阻R_g＝R_b-R_f2c-R_po。

本发明实施例提出的浅层套管换热器土壤热响应测试系统及方法建立了浅层套管换热器土壤热响应测试分析技术，并解决了测试能耗偏大、钻孔内回填材料热阻计算误差偏大的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种浅层套管换热器土壤热响应测试系统的结构图；

图2为本发明应用示例1中流体进口温度Tfin和流体出口温度Tfout曲线；

图3为本发明应用示例1中流体进出口平均温度曲线；

图4为本发明应用示例2中流体进口温度Tfin和流体出口温度Tfout曲线；

图5为本发明应用示例2中流体进出口平均温度曲线。

附图中：1、热源装置；2、流量传感器；3、内管；4、外管、5、回弹材料；6、地层；7、温度传感器；8、循环水泵；9、测试管道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种浅层套管换热器土壤热响应测试系统，包括：

套管组件，埋设于地层6；

回填材料5，填充于所述套管组件和地层6之间；

热源装置1，通过测试管道9与所述套管组件连接；

所述测试管道9包括给液管和回液管，其中所述给液管上安装有循环水泵8和温度传感器7，所述回液管上安装有流量传感器2和温度传感器7。

在本实施例的一种情况中，所述套管组件的埋设深度小于200米。

在本实施例的一种情况中，所述套管组件包括内管3和外管4，其中内管3插设在外管4中。

在本实施例的一种情况中，所述浅层套管换热器土壤热响应测试系统的设置方法为：

1)循环水泵8采用变频控制，根据具体测试项目进行设置，首先采用下述公式计算流量：

其中μ为流体粘度；rpii为套管换热器内管内径；rpio为套管换热器内管外径；rpoi为套管换热器外管内径；ρ为流体密度；cf为流体体积热容；H为套管换热器深度。

然后将循环水泵流量Wf设置为Wf1、Wf2、Wf3中最大值。

2)热源装置加热功率可以调节，加热功率Q为：Q＝4c_fW_f (5)。

本实施例在实际运行中，由给液管和回液管上的温度传感器7分别对进水温度和出水温度进行测定，由流量传感器2对系统流量进行测定。

当测试到达稳态(t>10h)时，热响应测试的流体进出口平均温度Tfm满足：

其中，R12为内管流体和外管流体之间的热阻，包括内管流体与内管壁之间对流热阻Rf1c，内管管壁热阻Rpi和外管流体与内管外管壁之间的对流Rf2c，即R₁₂＝R_f1c+R_po+R_f2c；

Rb为钻孔内热阻，包括外管流体与外管内管壁之间的热阻Rf2c、外管壁热阻Rpo和回填材料热阻Rg，即R_b＝R_f2c+R_po+R_g (7)。

各热阻计算参考如下：

内管管壁热阻Rpi满足

外管管壁热阻Rpo满足

流体和管壁之间的对流热阻Rfc满足

N_u＝4.364，Re≤2300

Nu为努塞尔数，满足

式中Re为雷诺数，Pr为普兰特数

对于内管流体对流换热热阻Rfc1，de满足d_e＝2r_pii；

摩擦系数f满足

进一步的，根据热响应测试的流体进出口平均温度Tfm的公式可以得知，流体平均温度Tfm与对数时间成线性关系，通过直线拟合可以获取导热系数λs和钻孔内热阻Rb，即

其中，a为直线斜率，b为直线截距。

再进一步的，可以计算回填材料热阻Rg

R_g＝R_b-R_f2c-R_po (10)。

另外，热响应测试计算获取回填材料热阻Rg，后期进行套管换热器设计时，根据具体设计工况的循环流体流量(设计工况与测试工况通常不一致)按R_b＝R_f2c+R_po+R_g计算钻孔内热阻Rb。

在本发明的一个实施例中，一种浅层套管换热器土壤热响应测试方法，包括以下步骤：

1)测试钻孔施工，安装套管换热器结束后，将套管换热器内充满水，静置1天时间，至施工对地下温度场影响消失；

2)热响应测试系统安装，设定循环水泵流量Wf，循环水泵流量在测试中保持恒定；进行无功循环测试，持续4～5小时，直至进出口流体温度达到平衡，获取初始地温T0，所述无功循环即不开加热器；

3)设定热源加热器功率为Q，开始加热测试，连续测试且时间大于48小时，结束热响应测试，测试过程中加热器功率保持恒定。测试时连续记录套管换热器进水温度Tfin、出水温度Tfout、水循环流量Wf；

4)计算进出口流体平均温度

计算换热器加热平均功率

水循环流量Wf平均流量

5)在对数时间坐标下观察进出口平均温度Tfm曲线形状，确定直线拟合起始时间ts，且要求ts大于等于10小时。去除时间ts之前的数据，利用剩下的数据在对数时间坐标下进行直线拟合，获得直线斜率a和截据b；

6)计算导热系数和钻孔内热阻

计算回填材料热阻R_g＝R_b-R_f2c-R_po (16)。

应用示例1

某地源热泵项目前期进行了热响应测试，各参数如表1所示：

表1套管换热器土壤热响应测试参数

具体步骤为：

1)钻孔施工，进行套管换热器安装，套管换热器内充满水；施工结束后，静置1天时间；

2)安装热响应测试系统；

3)水泵循环流量设置，根据(2)-(4)，计算得到流量Wf1＝0.25m3/h，Wf2＝1.17m3/h，Wf3＝0.69m3/h，最终取水泵循环流量为Wf＝1.17m3/h；

4)进行无功循环测试，连续测试至进出流体温度、出口流体温度稳定，其平均温度即为土壤初始温度，T0＝18.2℃；

5)根据式(5)设置热源的加热功率为Q＝5.5kW，开始连续测试，共测试72小时，测试过程水循环流量和加热功率保持稳定，记录的温度曲线如图2所示；

6)计算测试过程的加热平均功率为

计算流体进出口平均温度为

得到流体进出口平均温度曲线如图3所示；

7)去除测试前10小时数据，剩余数据在对数时间坐标下进行直线拟合，获得直线斜率a＝1.2538和截据b＝12.725；

8)根据式(14)计算土壤导热系数λ_s＝2.32W/(m.K)；

9)计算内管流体和外管流体之间的热阻为R12＝0.1527m.K/W；根据式(15)计算钻孔内热阻Rb＝0.08361m.K/W；

10)计算回填材料热阻为：Rg＝0.05923m.K/W。

如果采用传统式(1)计算回填材料热阻Rg＝0.0856m.K/W，相对误差高达47.3％。

此外，还对测试时间分别为48小时和60小时现场测试进行了计算，计算结果如表2所示。与测试72小时相比，测试48小时计算的土壤导热系数相差不到2％，回填材料热阻相差不到3％。

表2不同测试时间热响应测试计算结果

应用示例2

对应用示例1中现场测试，加大循环流体流量和加热功率进行了测试，水泵循环流量为Wf＝2.35m3/h，根据式(5)设置热源的加热功率为Q＝11kW。共测试48小时，测试过程水循环流量和加热功率保持稳定，记录的温度曲线如图4所示。

其热响应测试计算过程为：

1)计算测试过程的加热平均功率为

2)计算流体进出口平均温度为

得到流体进出口平均温度曲线如图5所示，

3)去除测试前10小时数据，剩余数据在对数时间坐标下进行直线拟合，获得直线斜率a＝2.5444和截据b＝4.7810；

4)根据式(14)计算土壤导热系数λ_s＝2.29W/(m.K)；

5)计算内管流体和外管流体之间的热阻为R12＝0.1163m.K/W；根据式(15)计算钻孔内热阻Rb＝0.06787m.K/W；

6)计算回填材料热阻为：Rg＝0.05602m.K/W。

如果采用传统式(1)计算回填材料热阻Rg＝0.06459m.K/W，相对误差为15.3％。

不同循环流体流量测试计算结果对比如表2，小流量测试结果与大流量相比，土壤导热系数相对误差不到1％，回填材料热阻相对误差不到3％。

表3不同测试流量热响应测试计算结果

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种浅层套管换热器土壤热响应测试系统，其特征在于，包括：

套管组件，埋设于地层；

回填材料，填充于所述套管组件和地层之间；

热源装置，通过测试管道与所述套管组件连接；

所述测试管道包括给液管和回液管，其中所述给液管上安装有循环水泵和温度传感器，所述回液管上安装有流量传感器和温度传感器。

2.根据权利要求1所述的浅层套管换热器土壤热响应测试系统，其特征在于，所述套管组件的埋设深度小于200米。

3.根据权利要求2所述的浅层套管换热器土壤热响应测试系统，其特征在于，所述套管组件包括内管和外管，其中内管插设在外管中。

4.根据权利要求3所述的浅层套管换热器土壤热响应测试系统，其特征在于，所述热源装置的加热功率可以调节。

5.根据权利要求4所述的浅层套管换热器土壤热响应测试系统，其特征在于，所述循环水泵采用变频控制。

6.根据权利要求5所述的浅层套管换热器土壤热响应测试系统，其特征在于，所述浅层套管换热器土壤热响应测试系统的设置方法为：

1)循环水泵采用变频控制，根据具体测试项目进行设置，首先采用下述公式计算流量：

其中μ为流体粘度；rpii为套管换热器内管内径；rpio为套管换热器内管外径；rpoi为套管换热器外管内径；ρ为流体密度；cf为流体体积热容；H为套管换热器深度；

然后将循环水泵流量Wf设置为Wf1、Wf2、Wf3中最大值；

2)热源装置加热功率可以调节，加热功率Q为：Q＝4c_fW_f。

7.一种浅层套管换热器土壤热响应测试系统，其特征在于，包括以下步骤：

1)测试钻孔施工，安装套管换热器结束后，将套管换热器内充满水，静置1天时间，至施工对地下温度场影响消失；

2)热响应测试系统安装，设定循环水泵流量Wf，循环水泵流量在测试中保持恒定；进行无功循环测试，持续4～5小时，直至进出口流体温度达到平衡，获取初始地温T0，所述无功循环即不开加热器；

3)设定热源加热器功率为Q，开始加热测试，连续测试且时间大于48小时，结束热响应测试，测试过程中加热器功率保持恒定。测试时连续记录套管换热器进水温度Tfin、出水温度Tfout、水循环流量Wf；

4)计算进出口流体平均温度

计算换热器加热平均功率

水循环流量Wf平均流量

5)在对数时间坐标下观察进出口平均温度Tfm曲线形状，确定直线拟合起始时间ts，且要求ts大于等于10小时。去除时间ts之前的数据，利用剩下的数据在对数时间坐标下进行直线拟合，获得直线斜率a和截据b；

6)计算导热系数和钻孔内热阻

计算回填材料热阻R_g＝R_b-R_f2c-R_po。

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