1、朗詩綠郡項目地埋管換熱器測試東南大學 能源與環境學院2011-5-23測試目錄：1綜述測試埋管及地質資料測試臺簡介4測試過程和參數誤差控制和分析4.1 散熱測試散熱測試的總傳熱量散熱測試中水平管的影響散熱測試中垂直埋管傳熱能力的分析4.2 取熱測試取熱測試的總效應取熱測試中水平管的影響取熱測試中井埋管垂直段傳熱能力分析5 測試數據曲線散熱測試圖表取熱測試圖表6 水平管與空氣的傳熱計算模型1綜述朗詩綠郡項目位于南京市東區仙鶴門地鐵站附近，對該項目地源熱泵地埋管換熱器的熱響應測試于 2011 年 4 月 20 日完成。本項目測試了兩口單 U 型地埋管換熱器，一口位于南面，另一口位于北面。均采用直徑

2、為 DN25 的 HDPE 管道，鉆孔深度為 51m，地埋管深度 49m。熱響應測試包括散熱測試和取熱測試兩種，分別模擬夏季的空調制冷工況和冬季的空調制熱工況。冬、夏季工況均采用恒熱流測試法，連續運行并建立實時測試數據庫。在管內循環水流速為 0.6m/s 的情況下，地埋管換熱器在制冷、制熱工況下的傳熱性能總結如下：制冷工況散熱能力：南面井 進水溫度 33時，散熱能力為 40.58W/m；進水溫度 35時，散熱能力為 46.34W/m。北面井進水溫度 33時，散熱能力為 42.91W/m；進水溫度 35時，散熱能力為 48.79W/m。制熱工況取熱能力：南面井 進水溫度 7時，取熱能力為 37.

3、81W/m；進水溫度 9時，取熱能力為 31.17W/m。北面井 進水溫度 7時，取熱能力為 38.97W/m；進水溫度 9時，取熱能力為 32.07W/m。巖土原始溫度：采用測量地埋管中水溫的方法，測得該項目面井 18.09，北面井 18.36。巖土的原始溫度分別為：南2測試埋管及地質資料：測試地埋管換熱器所在地的地質情況，地質資料如表 1 所示。表 1：工程區域地質資料-打井勘探數據在地埋管熱響應測試開始之前，應該獲取巖土的原始溫度。該項目在打井制作地埋管換熱器階段沒有埋設溫度探頭，無法直接測量原始溫度。本測試采用間接測量地埋管水溫的方法，在進行巖土不同深度的熱響應測試之前，將 PT100

4、 溫度探頭分別單 U 管的兩個管中，以能夠達到的最大深度作為探頭深度，測量管中水溫。表 2-1 為探頭在南面井地埋管中水的測量溫度，表2-2 為探頭在北面井地埋管中中水的測量溫度。表 2-1：南面井土壤溫度相關數據序號探頭深度溫度17.3018.89121023.5巖土平均溫度為 18.09。根據上述測量，判斷南面井表 2-2：北面井土壤溫度相關數據序號探頭深度溫度17.8318.90121023.5巖土平均溫度為 18.36。根據上述測量，判斷北面井標高地質構造備注0 至-4m雜土后天雜土，雜色，松散，含有建筑及生活，硬雜含磚塊石塊，粒徑 3-15cm，含量 55%，填齡大于 5 年-4m

5、至-6m淤泥雜質粉砂灰黑色，含有植物和碎屑-6m 至-20m粘土堅硬，褐黃色-20m 至-40m粉質粘土很堅硬，可塑，褐黃色-40m 至-42m粘性土雜礫石層礫石含量 20%-42 至-51m粘性土很堅硬，可塑，褐黃色-51m 至-60m中風化巖完整、堅硬、用錘擊不易碎，完整，青紅色-60m 至-80m中風化巖完整、堅硬，完整，無變層，青色-80m 至-100m中風化巖完整、堅硬，完整，青紅色地埋管換熱器測試的概況：南面井地埋管換熱器為單 U，采用 HDPE 金牛 DN25。南面井為單 U，采用 HDPE 金牛 DN25，鉆井前 4m 左右地質均為雜土，鉆孔直徑均為 130mm；其他地質為粘性

6、土和砂石，鉆孔深度均為 51m。表 3 為測試井及地埋管的參數。表 3：測試井埋管的施工和安裝數據埋管位置管徑埋管類型井口直徑埋管深度回填材料南面井DN25單 U 13049原漿+細沙北面井DN25單 U 13049原漿+細沙mm垂直埋管段mmm外徑內徑mmmm2520.42520.4PE 管水平連接管連接管總長度m20.511.5地埋管測試現場- 4 -3 測試臺簡介：3.1 測試過程和參數測試采用計算機一次數據，測試過，每隔 10 秒鐘一次數據，每隔 1 個小時自動的部分溫度、循環水流量的曲線見后面的圖表。測試在兩個方面展開，模擬夏季空調的制冷測試和冬季的制熱測試，測量井埋管換熱器在制冷運

7、行中的散熱能力和在制熱運行中的取熱能力。該實驗裝置包括測試設備、控制設備、測量設備、系統等部分組成。測試設備能夠模擬夏天制冷工況和冬天制熱工況，制成所需要的冷水和熱水，用于傳熱實驗。控制設備能夠根據需要調節所需要的供水溫度、流量和壓力。測量設備由傳感器和儀表組成，用于測量系統的溫度、壓力、流量等參數。控制設備NI 的 FP 模塊，使用 485 通信協議，實現模塊與上位機和測量設備均采用之間的聯系。系統基于 LabView，開發了自動化、數據、安全控制的計算機程序。試驗臺中的和控制系統采用了國家儀表局（NI）制造的硬件系統和系統（部分設備見下面的），提高了測試的可靠性和連續性。硬件系統采用 NI

8、 高度自動化、高可靠性的 cFP 模塊，其中包括：集、控制與通信于一身的綜合模塊 cFP2020；測量溫度模塊 cFPTC120；模擬量輸入輸出模塊 cFPAIO600；數字量輸出模塊 cFPDO410；數字量輸入模塊 cFPDI330。系統基于 NI 的 LabView 系統，利用課題組在國外研發的程序，實現每天 24 小時連續進行和過程控制。該測試系統每隔 10 秒鐘掃描一次所有的傳感器，數據，每隔一定時間把測量結果自動保存到數據庫。試驗臺采用了 Emerson 生產的變頻器，驅動 Grundfos 制造的高壓水泵。試驗臺可以根據試驗需要的不同流速，通過變頻調節，靈活調節循環水的流量。試驗

9、臺安裝在測試井旁邊的帳棚內，通過 PE 連接管道，將試驗臺與地埋管連在一起，循環水測試系統。用于測試的計算機也安裝在帳棚內，計算機與NI 的 cFP 控制模塊與模塊之間的采用 Ethernet 高速通信線路連接，計算機與 PT100 溫度傳感器之間的信號傳輸采用 485 總線技術。3.2 誤差控制在本項目的地埋管試驗中，把減小測量誤差作為一項重要指標，分析從傳感器的選擇、到試驗臺的安裝、試驗的各個環境，確保的可靠性。溫度傳感器的選擇 在所有的溫度傳感器中，鉑電阻傳感器是線性最好、穩定性最好的傳感器。本項目的試驗中，所有溫度傳感器均采用 A 級 PT100 型鉑電阻傳感器，理論上的基本誤差為0.

10、15左右。溫度傳感器的校正與標定在試驗之前和試驗之后，對所有溫度傳感器進行校正，在恒溫水浴中，用精密水銀溫度計作為標準溫度讀數，在地熱測試的整個溫度區間上，對 PT100 溫度傳感器進行校正，獲得每個傳感器校正誤差數組，擬校正曲線。通過校正，把溫度測量的誤差控制在0.15以下。流量的測量對循環水的測量采用了等級為 0.5%的高精度渦輪流量傳感器。在程序中，采用擬合曲線的方法，構造出流量與傳感器電信號之間的函數關系式，保證在試驗中的實際測量誤差低于 0.5%。通過采取各種技術措施，能夠把傳熱試驗的誤差控制在 5以下。- 6 -4和分析測試及其結果分成兩部分，散熱和取熱。4.1 散熱測試散熱測試是

11、模擬夏天的空調運行工況，空調系統通過制冷設備把各房間的熱量抽取出來，通過地埋管換熱器排向土壤，因此，地埋管換熱器在夏天的功能猶如一般空調的外機。測量地埋管在夏天的散熱功能，就是根據空調運行所對應的冷凝溫度，制成一定溫度的熱水，通過循環水泵使熱水在埋設的 PE 管中以一定的速度。熱水的溫度高于土壤的溫度，在 PE 管的過，把熱量傳導到土壤中去。地埋管的傳熱功率就是計算循環水的實際散熱功率。4.1.1 散熱測試的總傳熱量表 4 是地埋管換熱器散熱測試的總結果。此時進出水溫度區域穩定。其循環水在地埋管中的的結果。溫差和傳熱量是由地埋管換熱器和水平連接管共同作用表 4：地埋管換熱器散熱和總傳熱量地埋管

12、南面井北面井回水溫度進水溫度溫差流量進水壓力回水壓力m3/hMPaMPa31.0733.302.230.700.230.090.140.591.8030.9833.372.390.720.230.090.140.611.99進回水壓降 MPam/skW流速傳熱量4.1.2 散熱測試中水平管的影響上述測試得到的傳熱量為每個井埋管的埋管傳熱量和水平管散熱量的總和。為了計算地埋管垂直段的傳熱能力，必須對水平段連接管道的傳熱影響進行理論分析，具體的計算模型在第六節“水平管與空氣的傳熱計算模型”中作了詳細介紹。在對水平連接管道進行傳熱分析過，對理論傳熱模型做了工程簡化。假定水平連接管道只與周圍空氣發生傳

13、熱，PE 管的導熱系數為 0.43W/（mK）， PE 管與周圍空氣的傳熱是傳熱系數為 5W/（m2K）。應用傳熱模型，根據散熱中管內水流的流量和溫度，就可以計算出水平管在各種工況下的平均散熱能力，計算數據見表 5：表 5：地埋管水平連接管的傳熱量分析地埋管南面井北面井連接管道長度環境溫度水平管出水溫度水平管進口溫度進水管換熱量 回水管換熱量垂直管段出水溫度垂直管段進水溫度mWW20.5020.2031.0733.302.952.4231.0833.2811.5020.2030.9833.372.952.4230.9933.36理論計算表明，垂直管段進回水溫度主要和連接管道內水的溫度、流量、環

14、境溫度的大小以及管材與保溫材料的傳熱性能等有關。4.1.3 散熱測試中垂直埋管傳熱能力的分析為計算埋管垂直段的傳熱能力，需要將表 4 中的總傳熱量扣除表 5 水平連接管道的散熱量。表 6 列出了地埋管在測試穩定時的垂直埋管深度換熱量。表 6：垂直地埋管散熱量地埋管南面井北面井31.0833.282.201796.745135.23回水溫度進水溫度溫差總散熱量埋管深度Wm30.9933.362.371981.225138.85每米散熱量W/m表 7 是采用恒熱流法直接測試的結果，反映不同溫度的冷卻水在地埋管中的散熱性能。利用表 5 的結果，對測試數據進行熱響應分析，同時數據修正可以得到進水溫度為

15、 33和 35時，地埋管的每米散熱能力（見表 7）：表 7：地埋管換熱器散熱測試熱響應分析結果地埋管南面井北面井3340.583546.343342.913548.78進水溫度散熱量 W/m4.2 取熱測試取熱測試用于檢驗在冬天熱泵供熱工況時地埋管換熱器的傳熱能力。在冬- 8 -天，地源熱泵以土壤作為熱源，通過埋設的地埋管換熱器從土壤層收取熱量，再輸送到各個房間。測量地埋管冬天的傳熱功能，就是根據熱泵運行所對應的蒸發溫度，制成一定溫度的冷水，通過循環泵驅動冷水在埋設的 PE 管中以一定的速度 ，由于 PE 管內循環水的溫度低于周圍土壤的溫度，冷水在 PE管中的過，從土壤里吸取熱量，溫度升高。地

16、埋管的取熱測試就是根據循環水在 PE 地埋管中的傳熱能力。過從土壤中吸取的熱量，來確定地埋管在取熱過4.2.1 取熱測試的總效應表 8 是地埋管取熱測試的總結果，其循環水在地埋管中的進口、出口溫差和傳熱量是由垂直埋管和水平連接管共同作用的結果。表 8：地埋管換熱器取熱和總傳熱量地埋管南面井北面井回水溫度進水溫度9.838.131.700.230.090.140.700.591.379.718.241.470.230.090.140.720.611.22溫差進水壓力MPa回水壓力MPa進回水壓降MPa流量流速 傳熱量m3/hm/skW4.2.2 取熱測試中水平管的影響取熱時針對地埋管換熱器進試。

17、表 2 中列出了各地埋管測試井的參數。和散熱實驗一樣，應用傳熱模型，根據散熱中管內水流的流量和溫度，就可以計算出水平管在各種工況下的平均散熱能力，進而計算出地埋管垂直段的進回水溫度，具體數據見表 9：表 9：地埋管換熱器水平連接管的傳熱量分析地埋管南面井北面井20.5021.209.838.134.053.779.8211.5021.209.718.240.160.109.70連接管道長度環境溫度水平管出水溫度水平管進口溫度進水管回水管垂直管段出水溫度mWW- 9 -垂直管段進水溫度 8.158.254.2.3 取熱測試中垂直地埋管傳熱能力分析垂直地埋管的傳熱等于取熱測試總效應減去水平管的傳熱

18、影響，將表 8 和表9 的結果進行分析整理，得到取熱測試的垂直地埋管的測試數據，計算結果見下表 10：表 10：地埋管垂直段的取熱測試性能分析地埋管南面井北面井9.828.151.671365.984927.889.708.251.451221.624924.93回水溫度進水溫度溫差總取熱量埋管深度WmW/m每米取熱量表 10 的數值是連續進行取熱測試的直接結果，反映了地埋管在不同進水溫度時的取熱能力。通過熱響應分析的方法以及數據修正，可以獲得在地埋管進水溫度為 7時的傳熱能力，見表 11：表 11：地埋管換熱器取熱測試熱響應分析結果地埋管南面井北面井進水溫度取熱量W/m進水溫度7進水溫度9進水溫度7進水溫度937.8131.1738.9732.07- 10 -5. 測試數據曲線下面是部分測試的曲線，溫度曲線、流量曲線。溫度曲線圖中的標識含義：“NW_in ”“NW_out ”“MD_in ”“MD_out ”1#流量計地埋管的進水溫度；1#流量計地埋管的進水溫度；2#流量計地埋管的進水溫度；2#流量計地埋管的進水溫度；“Wpump_in ” 循環水泵的進口溫度；“HP_out ”測試臺的環境溫度流量曲線圖中的標識含義：“NW-f m3/