地源热泵中超强吸水树脂与源土混合作为回填材料的实验研究

王向岩 马伟斌 黄远峰 龚宇烈 孙始财

摘要：超强吸水树脂具有极强的吸水性和良好的热物性能，混合与源土中作为回填材料，制热工况下分别对螺旋盘管、U型管单独运行以及整个系统间歇运行进行了实验测试，详细分析了实验数据，得出系统性能变化曲线。实验结果表明，超强吸水树脂与源土混合作为回填材料，特别是对于螺旋盘管换热器，能够增大地下换热器换热量，提高地源热泵系统的效率和稳定性，适用于干旱、土壤非饱和以及地下水位比较低的地区。

关键词：地源热泵 超强吸树脂 螺旋盘管 U型管 制热系数

0 前言

　　新能源的研究、开发和利用已经成为世界各个先进国家能源战略的共同目标，浅层地能作为一种可再生绿色新能源，清洁、无污染，以及其巨大的储存量（地表浅层吸收了47%的太阳能，比人类每年利用能量的500倍还要多），已经使得人们认识到了浅层地能的利用价值。能够一机多用的地源热泵系统则在浅层地能应用中日趋活跃，广泛应用于供暖，空调领域中。然而地源热泵系统中埋地换热器受土壤性能影响较大，在连续运行工况下，热泵的冷凝温度和蒸发温度受周围土壤温度变化发生波动而不稳定。为了达到换热效果，目前大多采用垂直U型埋管，这需要钻相当深度的井，费用比较高，占初投资中很大比例。针对这一现状，对螺旋管和U型管在超强吸水树脂与源土混合作为回填材料的情况下，进行了实验研究。

1 超强吸水树脂及回填材料性能描述

　　超强吸水树脂是一种吸水能力特别强的高分子材料，吸水率为自身的几十至几百倍，甚至千多倍。如Sumika凝胶S-50的吸水倍率为500~700（g/g）,在低温（90⁰C以下）吸水倍率基本不随温度变化；保水能力也非常高，吸水后无论加多大压力也不会脱水，但会随时间慢慢释放水分，且具有良好的蓄热、蓄冷能力^[3]。

　　地源热泵系统中，理论以及实验研究表明，回填材料的导热系数K是决定地下换热效果和系统效率的主要因素，常温下，回填物质组成确定以后，对回填材料导热系数起决定作用的是密度和含水率，函数关系可表示为^[1]：

　　K=ƒ（ρ，ω） （1）

　　ρ——回填材料密度(Kg/m³)；
　　ω——回填材料的含水率(%)

　　如果把回填材料作为一种能量传递介质考虑，它把自己储存和吸收的能量传给地下换热器以及热循环介质，在这个能量转换过程中，水分起到了能量转换和储存的作用，所以回填材料中含水率的大小对换热器换热效果起着很大的作用。以下按照一定比例在源土中混合超强吸水树脂作为回填材料，并采用螺旋盘管和U型管两种地下换热形式，进行实验研究和分析。

2 试验系统介绍

　　实验台由地源热泵、地下换热器等组成，主要设备见表1，采暖空调房间面积65m²积，

表1 主要设备表

设备名称	型号	主要参数	数量
地源热泵	WRB09	制热：9.71kW 制冷：8.45kW 输入功率：1.90/2.49kW	1
冷却水循环泵	ISG-25-1.8 -12.5	流量：1.8m3/H 扬程：12.5m	1
风机盘管		换热量：5.8kW 风量：1000m3/H	2

　　实验共打井4口，其中1、2号井，换热器形式采用螺旋盘管，井深6.0m，螺旋直径1.0m，螺旋间距200mm ，并设计注水装置^[2]，具体结构图见图（1）；3、4号井采用U型管，井深40.0m，每套螺旋管和U型管均为管径DN32，壁厚3mm，管长80m的PE管。整个系统见图(2)。

图1 螺旋盘管结构图

图2 实验系统原理图

　　实验所选地地势相对较高，地下水位比较低（地下8-10米），土壤为非饱和态，回填之前对螺旋盘管打井源土采样测试，土壤密度约为1450Kg/m³ ，土壤含水率约为18%-20%。其中1号井，采用源土回填，2、3、4号井则按照质量比1：1000在源土中混入吸水倍率1：500的Sumika凝胶S-50超强吸水树脂。整个系统中，在热泵冷却水，冷冻水进出口，螺旋盘管和U型管进出口管外壁以及其他不同位置设置k型铜-康铜热电偶36组，1号和2号井热电偶对称布置，具体位置如图（3）

图3 螺旋盘管热电偶布置图

3 试验数据分析

　　实验台搭建完毕后，测得换热器周围土壤初始平均温度为21.5⁰C, 10月底开始对系统在制冷、制热工况下进行了运行调试。调试完毕，通过注水器向1、2号井中分别注水2m³。由于环境温度影响，首先在制热工况下对系统进行测试。

　　工况1：12月6日在制热工况下系统连续运行24个小时后，于12月9日至23日期间，夜间平均室外温度10⁰C，开启部分或全部房间门窗，室内温度保持在22-24⁰C，热泵机组热水出水温度设定为最高温50⁰C的条件下，调节各个管路阀门，使每套管井中的流量基本相同（0.8m³/H）,分别以U型管和螺旋盘管单独作为地下换热器，各自连续运行7天，每天运行10小时，对所测得数据进行分析比较如下：

　　图4，图5 为定流量系统运行过程中螺旋盘管不同位置处热电偶温度变化曲线。图4中，混合超强吸水树脂的2号井，出水管外壁温度明显高于1号井，且随运行时间的延长，1号井温度变化大于2号井。

　
图4 1、2号螺旋盘管进出口外管壁温度

图5 1、2号螺旋盘管不同测点温度

　　不同位置处热电偶日平均温度显示，距离螺旋盘管外侧600mm处（14#、24#）土壤温度在测试期间，基本没有变化，300mm处（15#、25#），温度变化比较小，如图5，外侧100mm处（16#、26#），土壤温度则随时间变化明显。流量相同的情况下，随测试时间的延长，图4中可以看出，2号吸热量大于1号，周围土壤热量随水分迁移，第四天开始，26#温度降低更加明显， 16#温度变化则比较稳定；距离管内侧250mm(17#、27#)处，因实验前注水，水分渗透，起始温度低于原来土壤温度。运行过程中，17#日平均温度变化小于27#热电偶，图4和图5可以看出源土中混合超强吸水树脂，增大了土壤的导热系数，增强了系统停止期间土壤热恢复性能。

　　图6为U型管和螺旋盘管单独作为地下换热器时换热器总管进出水温变化曲线。螺旋盘管进、出口水温随时间变化比U型管小。实验测得系统COPs 和压缩机COP平均值，螺旋盘管大于U型管，但两套系统单独运行时，COP数值并不高，且连续下降，如图7。其原因主要是由于单独作为地下换热器，换热面积小，吸热量满足不了系统要求。

图6 地下换热器进出口平均水温 图7系统和压缩机制热系数

　　工况2：12月27日至12月30日，室外平均温度7⁰C，关闭所有门窗，室内温度保持在20-23⁰C, 热泵机组热水出水温度设定为46⁰C，螺旋盘管和U型管作为地下换热器同时运行，压缩机每30分钟开停一次，开停时间比为1：2，间歇性连续运行50小时，取10-40小时之间测试数值，见图8

图8 间歇运行时地下换热器进出口水温

　　图8显示，间歇运行期间，整个系统比较稳定，地下换热器进、出水温程周期性变化，并随时间延长逐渐降低，系统和压缩机制热系数都比较高，具体见表2。相比之下，其它地区不同形式埋管如天津商学院对单层水平蛇形管冬季取热实验得到单位管长吸热量为14W/ m^[4] ,重庆建筑大学对垂直套管得到单位孔深换热量为55. 67W/ m ^[5]。

表2 系统运行参数

	日平均吸	单位米数	系统制热	压缩机制热
	热量（Kw)	换热量（w/m）	系数COPs	系数COP
U型管(独立)	6.12	36.2-42.2	2.65-2.72	3.27-3.48
螺旋盘管（独立）	6.15	36.8-41.6	2.66-2.71	3.32-3.41
同时运行	7.08	19.4-24.2	2.76-2.80	3.68-4.22

4 结论

　　通过供暖实验表明：超强吸水树脂与源土混合，作为回填材料，在注入少量水的情况下，能够很好地改善土壤的非饱和性，增大源土壤的导热系数，提高了土壤的热恢复性能，很明显地增大了单位管长的吸热量，适合于干旱、土壤非饱和以及地下水位比较低的地区，特别有利于螺旋盘管的应用，可以极大地降低地源热泵系统初投资，值得推广和应用。

[]

　　[1] 庄迎春，孙友宏，谢康和.直埋闭式地源热泵回填土性能研究.太阳能学报，2004，25(4)：216-220.
　　[2] Yuehong Bi,Lingen Chen,Chih Wu.Ground Heat Exchanger Temperature Distribution Analysis and Experimental Verification.Apllied Thermeral Engineering,2002,22,183-189.
　　[3] 邹新禧.超强吸水剂.北京：化学出版社：1991年.9.
　　[4] 高祖锟. 用于供暖的土壤2水热泵系统[J ] . 暖通空调,1995 ,4 ,9 —12.
　　[5] 刘宪英,王　勇,胡鸣明. 地源热泵地下垂直埋管换热器的试验研究[J ]. 重庆建筑大学学报,1999 ,21(5) :21 —26.