地埋管热泵系统设计中应考虑的水文地质要素 - 宜兴市华盛环保管道有限公司

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地埋管热泵系统设计中应考虑的水文地质要素




1、引言

  热泵技术是利用少量高品位的电能将低品位的浅层地温能提升加以利用的一种绿色技术,受到国际社会的重视。其中,地源热泵技术的成功应用,要求有稳定、足够的能量保障,运行不能产生地质灾害和环境污染。地下换热器在地埋管地源热泵系统中占有很大的比重,其成功的关键在于根据特定的地质条件进行合理的埋管设计和施工。在实际工作中,要综合考虑工作区的气象、岩土热物性 和水文地质参数等,才能够对系统进行优化设计,以合理的费用保障系统安全稳定运行。

  2、气象因素对热泵系统设计的影响

  气象要素包括:气温、降雨量和空气湿度。其影响主要表现在以下几个方面。

  2.1年极端气温

  年极端气温一般都出现于供暖和制冷期间,设计中,应充分考虑地埋管的材质和循环介质。在温度过高时,会出现浅部埋管变形,尤其是对浅层水平埋管要引起足够重视;如在寒冷地带,温度过低,应当考虑在循环介质中添加防冻液,一般要求防冻液安全、无毒、无腐蚀性、导热性好、成本低、寿命长等。

  2.2年平均气温

  地源热泵运行最适合冬季热负荷和夏季冷负荷相当的地区,在长期的吸、放热不平衡情况下会逐渐降低或升高土壤的年平均温度。土壤温度每降低1℃,会使提取同样热量的能耗增加3~4%。魏先勋等通过对长沙地区不同深度地温的长时间序列观测,认为在同一土壤热物性情况下同一深度的土壤层内, 其温度的日变化和年变化可视为一种余弦函数形式的谐波;且在地表温度最低时,地下温度处于较高状态, 便于利用热泵供暖;当地表温度最高, 地下温度则是处于较低状态,这恰好满足供冷的需求。

  2.3运行期间的降雨量

  水平埋管受降雨量的影响要比垂直埋管强烈很多,主要原因是土壤的换热效率随着土壤含水率的变化而波动。在工程设计时,应当考虑当地的多年平均降雨量,另外还需考虑覆盖层渗透性和植被的的影响。

  2.4冻结影响

  当冬季进入埋管中的液体温度低于0℃时,应当考虑换热器周围湿土壤的冻结潜热,设计地下换热器尺寸时应当考虑这一因素,以免设计过于保守。

  3、水文地质因素对热泵系统设计的影响

  对土壤源热泵而言,设计中应考虑的地质和水文因素主要有:潜水水位、岩土构成、孔隙性等。

  3.1潜水水位

  浅部岩土体以潜水面为界分为饱和带和包气带,包气带是水、介质颗粒和空气组成的三相体,其含水率是空间位置的函数,而饱和带则几乎没有空气。水平埋管热泵系统的地下换热器大多数处在包气带,主要吸收浅部岩土体的热量,其缺点是在埋深较浅时受外界气温影响较大,运行较不稳定,其优点是易于检查和修复,初投资相对低廉。北方地区常用的垂直埋管穿越包气带和饱和带,潜水面以下温度随外界变化小,未受人工扰动的埋管四周岩土体温度几乎恒定,其缺点是初投资较高,出现故障难以检查和修复。

  3.2 岩土构成

  浅部地层的岩性影响埋管的设计。原生岩石的形成温度和压力较大,结构致密,岩石颗粒的接触面积较大,导热能力强。松散的土壤介质颗粒间接触面积比较小,结构疏松,导热能力弱。所以,在不考虑矿物成分的前提下,岩石的导热能力比土壤大。在实际中,即使是同为饱和带的含水地层,也会因介质颗粒成分的差异造成热扩散率的不同。由 可知,热扩散率 是土壤的导热系数 、比热容 和土壤密度 的函数。但是,因在岩石中埋管要比土壤介质中困难的多,费用也大大提高。

德州扑克线上平台  致密岩石和松散的土层相比,其孔隙率较小,即使有较大孔隙,也通常是处于封闭状态的死端孔隙,连通性差。岩石导热能力比较强,缺点是钻进费用比较高。结构松散的沉积物孔隙率较大,其中的地下水增大了热容量,水的导通也可提高热扩散速度,流动的地下水更可以降低热失衡的风险,有利于系统的安全运行。

  此外,地埋管设计还应考虑可利用场地大小、工作区岩石的坚硬程度、回填材料等因素。庄迎春等对不同回填材料对传热性能的影响进行了研究,认为单独使用膨润土回填具有失水产生裂隙的风险,而使用大骨料(如砂)可以大大增强导热系数,但增加机械回填难度。

  以上各种因素相互影响、相互制约,因此地埋管热泵系统地下部分的设计是一个综合的系统工程,它们共同决定了地埋管的深度、数量和间距,从而共同影响了工程的造价。

  4、结语

德州扑克线上平台  地埋管系统设计是影响工程质量的关键,在实践中,无论是水平埋管还是垂直埋管,都应当重视和综合考虑当地气象、地质、水文地质因素,结合实际施工条件,设计最优的井数、井距和井深,选择合理的钻井工艺和回填材料,以最少的投资费用使系统发挥最大的经济和环境效益。







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