地源熱泵中超強(qiáng)吸水樹脂與源土混合作為回填材料的實驗研究

1、地源熱泵中超強(qiáng)吸水樹脂與源土混合作為回填材料的實驗研究         06-07-04 16:19:00     作者：王向巖 馬偉斌 黃遠(yuǎn)    編輯：凌月仙仙王向巖 馬偉斌 黃遠(yuǎn)峰 龔宇烈 孫始財摘要：超強(qiáng)吸水樹脂具有極強(qiáng)的吸水性和良好的熱物性能，混合與源土中作為回填材料，制熱工況下分別對螺旋盤管、U型管單獨運行以及整個系統(tǒng)間歇運行進(jìn)行了實驗測試，詳細(xì)分析了實驗數(shù)據(jù)，得出系統(tǒng)性能變化曲線。實驗結(jié)果表明，超強(qiáng)吸水樹脂與源土混合作為回

2、填材料，特別是對于螺旋盤管換熱器，能夠增大地下?lián)Q熱器換熱量，提高地源熱泵系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，適用于干旱、土壤非飽和以及地下水位比較低的地區(qū)。 關(guān)鍵詞：地源熱泵 超強(qiáng)吸樹脂 螺旋盤管 U型管 制熱系數(shù) 0 前言新能源的研究、開發(fā)和利用已經(jīng)成為世界各個先進(jìn)國家能源戰(zhàn)略的共同目標(biāo)，淺層地能作為一種可再生綠色新能源，清潔、無污染，以及其巨大的儲存量（地表淺層吸收了47%的太陽能，比人類每年利用能量的500倍還要多），已經(jīng)使得人們認(rèn)識到了淺層地能的利用價值。能夠一機(jī)多用的地源熱泵系統(tǒng)則在淺層地能應(yīng)用中日趨活躍，廣泛應(yīng)用于供暖，空調(diào)領(lǐng)域中。然而地源熱泵系統(tǒng)中埋地?fù)Q熱器受土壤性能影響較大，在連續(xù)運行工況下，

3、熱泵的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度受周圍土壤溫度變化發(fā)生波動而不穩(wěn)定。為了達(dá)到換熱效果，目前大多采用垂直U型埋管，這需要鉆相當(dāng)深度的井，費用比較高，占初投資中很大比例。針對這一現(xiàn)狀，對螺旋管和U型管在超強(qiáng)吸水樹脂與源土混合作為回填材料的情況下，進(jìn)行了實驗研究。1 超強(qiáng)吸水樹脂及回填材料性能描述超強(qiáng)吸水樹脂是一種吸水能力特別強(qiáng)的高分子材料，吸水率為自身的幾十至幾百倍，甚至千多倍。如Sumika凝膠S-50的吸水倍率為500700（g/g）,在低溫（900C以下）吸水倍率基本不隨溫度變化；保水能力也非常高，吸水后無論加多大壓力也不會脫水，但會隨時間慢慢釋放水分，且具有良好的蓄熱、蓄冷能力3。地源熱泵系統(tǒng)中，

4、理論計算以及實驗研究表明，回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)K是決定地下?lián)Q熱效果和系統(tǒng)效率的主要因素，常溫下，回填物質(zhì)組成確定以后，對回填材料導(dǎo)熱系數(shù)起決定作用的是密度和含水率，函數(shù)關(guān)系可表示為1：K=（，） （1）回填材料密度(Kg/m3)；回填材料的含水率(%)如果把回填材料作為一種能量傳遞介質(zhì)考慮，它把自己儲存和吸收的能量傳給地下?lián)Q熱器以及熱循環(huán)介質(zhì)，在這個能量轉(zhuǎn)換過程中，水分起到了能量轉(zhuǎn)換和儲存的作用，所以回填材料中含水率的大小對換熱器換熱效果起著很大的作用。以下按照一定比例在源土中混合超強(qiáng)吸水樹脂作為回填材料，并采用螺旋盤管和U型管兩種地下?lián)Q熱形式，進(jìn)行實驗研究和分析。2 試驗系統(tǒng)介紹實驗臺由地源熱

5、泵、地下?lián)Q熱器等組成，主要設(shè)備見表1，采暖空調(diào)房間面積65m2積， 表1 主要設(shè)備表 設(shè)備名稱型號主要參數(shù)數(shù)量地源熱泵WRB09制熱：9.71kW制冷：8.45kW輸入功率：1.90/2.49kW1冷卻水循環(huán)泵ISG-25-1.8-12.5流量：1.8m3/H揚程：12.5m1風(fēng)機(jī)盤管換熱量：5.8kW風(fēng)量：1000m3/H2實驗共打井4口，其中1、2號井，換熱器形式采用螺旋盤管，井深6.0m，螺旋直徑1.0m，螺旋間距200mm ，并設(shè)計注水裝置2，具體結(jié)構(gòu)圖見圖（1）；3、4號井采用U型管，井深40.0m，每套螺旋管和U型管均為管徑DN32，壁厚3mm，管長80m的PE管。整個系統(tǒng)見圖(2

6、)。圖1 螺旋盤管結(jié)構(gòu)圖圖2 實驗系統(tǒng)原理圖 實驗所選地地勢相對較高，地下水位比較低（地下8-10米），土壤為非飽和態(tài)，回填之前對螺旋盤管打井源土采樣測試，土壤密度約為1450Kg/m3 ，土壤含水率約為18%-20%。其中1號井，采用源土回填，2、3、4號井則按照質(zhì)量比1：1000在源土中混入吸水倍率1：500的Sumika凝膠S-50超強(qiáng)吸水樹脂。整個系統(tǒng)中，在熱泵冷卻水，冷凍水進(jìn)出口，螺旋盤管和U型管進(jìn)出口管外壁以及其他不同位置設(shè)置k型銅-康銅熱電偶36組，1號和2號井熱電偶對稱布置，具體位置如圖（3） 圖3 螺旋盤管熱電偶布置圖 3 試驗數(shù)據(jù)分析實驗臺搭建完畢后，測得換熱器周圍土壤初始平均溫度為21.50C, 10月底開始對系統(tǒng)在制冷、制熱工況下進(jìn)行了運行調(diào)試。調(diào)試完畢，通過注水器向1、2號井中分別注水2m3。由于環(huán)境溫度影響，首先在制熱工況下對系統(tǒng)進(jìn)行測試。工況1：12月6日在制熱工況下系統(tǒng)連續(xù)運行24個小時后，于12月9日至23日期間，夜間平均室外溫度100C，開啟部分或全部房間門窗，室內(nèi)溫度保持在22-240C，熱泵機(jī)組熱水出