地埋管换热器测试报告

1、朗诗绿郡项目地埋管换热器测试东南大学 能源与环境学院2011-5-23测试目录：1综述测试埋管及地质资料测试台简介4测试过程和参数误差控制和分析4.1 散热测试散热测试的总传热量散热测试中水平管的影响散热测试中垂直埋管传热能力的分析4.2 取热测试取热测试的总效应取热测试中水平管的影响取热测试中井埋管垂直段传热能力分析5 测试数据曲线散热测试图表取热测试图表6 水平管与空气的传热计算模型1综述朗诗绿郡项目位于南京市东区仙鹤门地铁站附近，对该项目地源热泵地埋管换热器的热响应测试于 2011 年 4 月 20 日完成。本项目测试了两口单 U 型地埋管换热器，一口位于南面，另一口位于北面。均采用直径

2、为 DN25 的 HDPE 管道，钻孔深度为 51m，地埋管深度 49m。热响应测试包括散热测试和取热测试两种，分别模拟夏季的空调制冷工况和冬季的空调制热工况。冬、夏季工况均采用恒热流测试法，连续运行并建立实时测试数据库。在管内循环水流速为 0.6m/s 的情况下，地埋管换热器在制冷、制热工况下的传热性能总结如下：制冷工况散热能力：南面井 进水温度 33时，散热能力为 40.58W/m；进水温度 35时，散热能力为 46.34W/m。北面井进水温度 33时，散热能力为 42.91W/m；进水温度 35时，散热能力为 48.79W/m。制热工况取热能力：南面井 进水温度 7时，取热能力为 37.

3、81W/m；进水温度 9时，取热能力为 31.17W/m。北面井 进水温度 7时，取热能力为 38.97W/m；进水温度 9时，取热能力为 32.07W/m。岩土原始温度：采用测量地埋管中水温的方法，测得该项目面井 18.09，北面井 18.36。岩土的原始温度分别为：南2测试埋管及地质资料：测试地埋管换热器所在地的地质情况，地质资料如表 1 所示。表 1：工程区域地质资料-打井勘探数据在地埋管热响应测试开始之前，应该获取岩土的原始温度。该项目在打井制作地埋管换热器阶段没有埋设温度探头，无法直接测量原始温度。本测试采用间接测量地埋管水温的方法，在进行岩土不同深度的热响应测试之前，将 PT100

4、 温度探头分别单 U 管的两个管中，以能够达到的最大深度作为探头深度，测量管中水温。表 2-1 为探头在南面井地埋管中水的测量温度，表2-2 为探头在北面井地埋管中中水的测量温度。表 2-1：南面井土壤温度相关数据序号探头深度温度17.3018.89121023.5岩土平均温度为 18.09。根据上述测量，判断南面井表 2-2：北面井土壤温度相关数据序号探头深度温度17.8318.90121023.5岩土平均温度为 18.36。根据上述测量，判断北面井标高地质构造备注0 至-4m杂土后天杂土，杂色，松散，含有建筑及生活，硬杂含砖块石块，粒径 3-15cm，含量 55%，填龄大于 5 年-4m

5、至-6m淤泥杂质粉砂灰黑色，含有植物和碎屑-6m 至-20m粘土坚硬，褐黄色-20m 至-40m粉质粘土很坚硬，可塑，褐黄色-40m 至-42m粘性土杂砾石层砾石含量 20%-42 至-51m粘性土很坚硬，可塑，褐黄色-51m 至-60m中风化岩完整、坚硬、用锤击不易碎，完整，青红色-60m 至-80m中风化岩完整、坚硬，完整，无变层，青色-80m 至-100m中风化岩完整、坚硬，完整，青红色地埋管换热器测试的概况：南面井地埋管换热器为单 U，采用 HDPE 金牛 DN25。南面井为单 U，采用 HDPE 金牛 DN25，钻井前 4m 左右地质均为杂土，钻孔直径均为 130mm；其他地质为粘性

6、土和砂石，钻孔深度均为 51m。表 3 为测试井及地埋管的参数。表 3：测试井埋管的施工和安装数据埋管位置管径埋管类型井口直径埋管深度回填材料南面井DN25单 U 13049原浆+细沙北面井DN25单 U 13049原浆+细沙mm垂直埋管段mmm外径内径mmmm2520.42520.4PE 管水平连接管连接管总长度m20.511.5地埋管测试现场- 4 -3 测试台简介：3.1 测试过程和参数测试采用计算机一次数据，测试过，每隔 10 秒钟一次数据，每隔 1 个小时自动的部分温度、循环水流量的曲线见后面的图表。测试在两个方面展开，模拟夏季空调的制冷测试和冬季的制热测试，测量井埋管换热器在制冷运

7、行中的散热能力和在制热运行中的取热能力。该实验装置包括测试设备、控制设备、测量设备、系统等部分组成。测试设备能够模拟夏天制冷工况和冬天制热工况，制成所需要的冷水和热水，用于传热实验。控制设备能够根据需要调节所需要的供水温度、流量和压力。测量设备由传感器和仪表组成，用于测量系统的温度、压力、流量等参数。控制设备NI 的 FP 模块，使用 485 通信协议，实现模块与上位机和测量设备均采用之间的联系。系统基于 LabView，开发了自动化、数据、安全控制的计算机程序。试验台中的和控制系统采用了国家仪表局（NI）制造的硬件系统和系统（部分设备见下面的），提高了测试的可靠性和连续性。硬件系统采用 NI

8、 高度自动化、高可靠性的 cFP 模块，其中包括：集、控制与通信于一身的综合模块 cFP2020；测量温度模块 cFPTC120；模拟量输入输出模块 cFPAIO600；数字量输出模块 cFPDO410；数字量输入模块 cFPDI330。系统基于 NI 的 LabView 系统，利用课题组在国外研发的程序，实现每天 24 小时连续进行和过程控制。该测试系统每隔 10 秒钟扫描一次所有的传感器，数据，每隔一定时间把测量结果自动保存到数据库。试验台采用了 Emerson 生产的变频器，驱动 Grundfos 制造的高压水泵。试验台可以根据试验需要的不同流速，通过变频调节，灵活调节循环水的流量。试验

9、台安装在测试井旁边的帐棚内，通过 PE 连接管道，将试验台与地埋管连在一起，循环水测试系统。用于测试的计算机也安装在帐棚内，计算机与NI 的 cFP 控制模块与模块之间的采用 Ethernet 高速通信线路连接，计算机与 PT100 温度传感器之间的信号传输采用 485 总线技术。3.2 误差控制在本项目的地埋管试验中，把减小测量误差作为一项重要指标，分析从传感器的选择、到试验台的安装、试验的各个环境，确保的可靠性。温度传感器的选择 在所有的温度传感器中，铂电阻传感器是线性最好、稳定性最好的传感器。本项目的试验中，所有温度传感器均采用 A 级 PT100 型铂电阻传感器，理论上的基本误差为0.

10、15左右。温度传感器的校正与标定在试验之前和试验之后，对所有温度传感器进行校正，在恒温水浴中，用精密水银温度计作为标准温度读数，在地热测试的整个温度区间上，对 PT100 温度传感器进行校正，获得每个传感器校正误差数组，拟校正曲线。通过校正，把温度测量的误差控制在0.15以下。流量的测量对循环水的测量采用了等级为 0.5%的高精度涡轮流量传感器。在程序中，采用拟合曲线的方法，构造出流量与传感器电信号之间的函数关系式，保证在试验中的实际测量误差低于 0.5%。通过采取各种技术措施，能够把传热试验的误差控制在 5以下。- 6 -4和分析测试及其结果分成两部分，散热和取热。4.1 散热测试散热测试是

11、模拟夏天的空调运行工况，空调系统通过制冷设备把各房间的热量抽取出来，通过地埋管换热器排向土壤，因此，地埋管换热器在夏天的功能犹如一般空调的外机。测量地埋管在夏天的散热功能，就是根据空调运行所对应的冷凝温度，制成一定温度的热水，通过循环水泵使热水在埋设的 PE 管中以一定的速度。热水的温度高于土壤的温度，在 PE 管的过，把热量传导到土壤中去。地埋管的传热功率就是计算循环水的实际散热功率。4.1.1 散热测试的总传热量表 4 是地埋管换热器散热测试的总结果。此时进出水温度区域稳定。其循环水在地埋管中的的结果。温差和传热量是由地埋管换热器和水平连接管共同作用表 4：地埋管换热器散热和总传热量地埋管

12、南面井北面井回水温度进水温度温差流量进水压力回水压力m3/hMPaMPa31.0733.302.230.700.230.090.140.591.8030.9833.372.390.720.230.090.140.611.99进回水压降 MPam/skW流速传热量4.1.2 散热测试中水平管的影响上述测试得到的传热量为每个井埋管的埋管传热量和水平管散热量的总和。为了计算地埋管垂直段的传热能力，必须对水平段连接管道的传热影响进行理论分析，具体的计算模型在第六节“水平管与空气的传热计算模型”中作了详细介绍。在对水平连接管道进行传热分析过，对理论传热模型做了工程简化。假定水平连接管道只与周围空气发生传

13、热，PE 管的导热系数为 0.43W/（mK）， PE 管与周围空气的传热是传热系数为 5W/（m2K）。应用传热模型，根据散热中管内水流的流量和温度，就可以计算出水平管在各种工况下的平均散热能力，计算数据见表 5：表 5：地埋管水平连接管的传热量分析地埋管南面井北面井连接管道长度环境温度水平管出水温度水平管进口温度进水管换热量 回水管换热量垂直管段出水温度垂直管段进水温度mWW20.5020.2031.0733.302.952.4231.0833.2811.5020.2030.9833.372.952.4230.9933.36理论计算表明，垂直管段进回水温度主要和连接管道内水的温度、流量、环

14、境温度的大小以及管材与保温材料的传热性能等有关。4.1.3 散热测试中垂直埋管传热能力的分析为计算埋管垂直段的传热能力，需要将表 4 中的总传热量扣除表 5 水平连接管道的散热量。表 6 列出了地埋管在测试稳定时的垂直埋管深度换热量。表 6：垂直地埋管散热量地埋管南面井北面井31.0833.282.201796.745135.23回水温度进水温度温差总散热量埋管深度Wm30.9933.362.371981.225138.85每米散热量W/m表 7 是采用恒热流法直接测试的结果，反映不同温度的冷却水在地埋管中的散热性能。利用表 5 的结果，对测试数据进行热响应分析，同时数据修正可以得到进水温度为

15、 33和 35时，地埋管的每米散热能力（见表 7）：表 7：地埋管换热器散热测试热响应分析结果地埋管南面井北面井3340.583546.343342.913548.78进水温度散热量 W/m4.2 取热测试取热测试用于检验在冬天热泵供热工况时地埋管换热器的传热能力。在冬- 8 -天，地源热泵以土壤作为热源，通过埋设的地埋管换热器从土壤层收取热量，再输送到各个房间。测量地埋管冬天的传热功能，就是根据热泵运行所对应的蒸发温度，制成一定温度的冷水，通过循环泵驱动冷水在埋设的 PE 管中以一定的速度 ，由于 PE 管内循环水的温度低于周围土壤的温度，冷水在 PE管中的过，从土壤里吸取热量，温度升高。地

16、埋管的取热测试就是根据循环水在 PE 地埋管中的传热能力。过从土壤中吸取的热量，来确定地埋管在取热过4.2.1 取热测试的总效应表 8 是地埋管取热测试的总结果，其循环水在地埋管中的进口、出口温差和传热量是由垂直埋管和水平连接管共同作用的结果。表 8：地埋管换热器取热和总传热量地埋管南面井北面井回水温度进水温度9.838.131.700.230.090.140.700.591.379.718.241.470.230.090.140.720.611.22温差进水压力MPa回水压力MPa进回水压降MPa流量流速 传热量m3/hm/skW4.2.2 取热测试中水平管的影响取热时针对地埋管换热器进试。

17、表 2 中列出了各地埋管测试井的参数。和散热实验一样，应用传热模型，根据散热中管内水流的流量和温度，就可以计算出水平管在各种工况下的平均散热能力，进而计算出地埋管垂直段的进回水温度，具体数据见表 9：表 9：地埋管换热器水平连接管的传热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连接管道长度环境温度水平管出水温度水平管进口温度进水管回水管垂直管段出水温度mWW- 9 -垂直管段进水温度 8.158.254.2.3 取热测试中垂直地埋管传热能力分析垂直地埋管的传热等于取热测试总效应减去水平管的传热

18、影响，将表 8 和表9 的结果进行分析整理，得到取热测试的垂直地埋管的测试数据，计算结果见下表 10：表 10：地埋管垂直段的取热测试性能分析地埋管南面井北面井9.828.151.671365.984927.889.708.251.451221.624924.93回水温度进水温度温差总取热量埋管深度WmW/m每米取热量表 10 的数值是连续进行取热测试的直接结果，反映了地埋管在不同进水温度时的取热能力。通过热响应分析的方法以及数据修正，可以获得在地埋管进水温度为 7时的传热能力，见表 11：表 11：地埋管换热器取热测试热响应分析结果地埋管南面井北面井进水温度取热量W/m进水温度7进水温度9进水温度7进水温度937.8131.1738.9732.07- 10 -5. 测试数据曲线下面是部分测试的曲线，温度曲线、流量曲线。温度曲线图中的标识含义：“NW_in ”“NW_out ”“MD_in ”“MD_out ”1#流量计地埋管的进水温度；1#流量计地埋管的进水温度；2#流量计地埋管的进水温度；2#流量计地埋管的进水温度；“Wpump_in ” 循环水泵的进口温度；“HP_out ”测试台的环境温度流量曲线图中的标识含义：“NW-f m3/