導(dǎo)語(yǔ)：源土混合作為回填材料實(shí)驗(yàn)研究論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：超強(qiáng)吸水樹(shù)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(duì)螺旋盤管、U型管單獨(dú)運(yùn)行以及整個(gè)系統(tǒng)間歇運(yùn)行進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，詳細(xì)分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出系統(tǒng)性能變化曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超強(qiáng)吸水樹(shù)脂與源土混合作為回填材料，特別是對(duì)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(shù)脂螺旋盤管U型管制熱系數(shù)

0前言

新能源的研究、開(kāi)發(fā)和利用已經(jīng)成為世界各個(gè)先進(jìn)國(guó)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(wú)污染，以及其巨大的儲(chǔ)存量（地表淺層吸收了47%的太陽(yáng)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(shí)到了淺層地能的利用價(jià)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(yùn)行工況下，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(dòng)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(fèi)用比較高，占初投資中很大比例。針對(duì)這一現(xiàn)狀，對(duì)螺旋管和U型管在超強(qiáng)吸水樹(shù)脂與源土混合作為回填材料的情況下，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1超強(qiáng)吸水樹(shù)脂及回填材料性能描述

超強(qiáng)吸水樹(shù)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500~700（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(wú)論加多大壓力也不會(huì)脫水，但會(huì)隨時(shí)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，理論計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)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(duì)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=ƒ（ρ，ω）（1）

ρ——回填材料密度(Kg/m3)；

ω——回填材料的含水率(%)

如果把回填材料作為一種能量傳遞介質(zhì)考慮，它把自己儲(chǔ)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(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，水分起到了能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存的作用，所以回填材料中含水率的大小對(duì)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(shù)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(shí)驗(yàn)研究和分析。

2試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

實(shí)驗(yàn)臺(tái)由地源熱泵、地下?lián)Q熱器等組成，主要設(shè)備見(jiàn)表1，采暖空調(diào)房間面積65m2積，

實(shí)驗(yàn)共打井4口，其中1、2號(hào)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(jì)注水裝置[2]，具體結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖（1）；3、4號(hào)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(zhǎng)80m的PE管。整個(gè)系統(tǒng)見(jiàn)圖(2)。

實(shí)驗(yàn)所選地地勢(shì)相對(duì)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(duì)螺旋盤管打井源土采樣測(cè)試，土壤密度約為1450Kg/m3，土壤含水率約為18%-20%。其中1號(hào)井，采用源土回填，2、3、4號(hào)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(shù)脂。整個(gè)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(hào)和2號(hào)井熱電偶對(duì)稱布置，具體位置如圖（3）

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建完畢后，測(cè)得換熱器周圍土壤初始平均溫度為21.50C,10月底開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)在制冷、制熱工況下進(jìn)行了運(yùn)行調(diào)試。調(diào)試完畢，通過(guò)注水器向1、2號(hào)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

工況1：12月6日在制熱工況下系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行24個(gè)小時(shí)后，于12月9日至23日期間，夜間平均室外溫度100C，開(kāi)啟部分或全部房間門窗，室內(nèi)溫度保持在22-240C，熱泵機(jī)組熱水出水溫度設(shè)定為最高溫500C的條件下，調(diào)節(jié)各個(gè)管路閥門，使每套管井中的流量基本相同（0.8m3/H）,分別以U型管和螺旋盤管單獨(dú)作為地下?lián)Q熱器，各自連續(xù)運(yùn)行7天，每天運(yùn)行10小時(shí)，對(duì)所測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較如下：

為定流量系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中螺旋盤管不同位置處熱電偶溫度變化曲線。圖4中，混合超強(qiáng)吸水樹(shù)脂的2號(hào)井，出水管外壁溫度明顯高于1號(hào)井，且隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，1號(hào)井溫度變化大于2號(hào)井。

不同位置處熱電偶日平均溫度顯示，距離螺旋盤管外側(cè)600mm處（14#、24#）土壤溫度在測(cè)試期間，基本沒(méi)有變化，300mm處（15#、25#），溫度變化比較小，如圖5，外側(cè)100mm處（16#、26#），土壤溫度則隨時(shí)間變化明顯。流量相同的情況下，隨測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，圖4中可以看出，2號(hào)吸熱量大于1號(hào)，周圍土壤熱量隨水分遷移，第四天開(kāi)始，26#溫度降低更加明顯，16#溫度變化則比較穩(wěn)定；距離管內(nèi)側(cè)250mm(17#、27#)處，因?qū)嶒?yàn)前注水，水分滲透，起始溫度低于原來(lái)土壤溫度。運(yùn)行過(guò)程中，17#日平均溫度變化小于27#熱電偶，圖4和圖5可以看出源土中混合超強(qiáng)吸水樹(shù)脂，增大了土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)停止期間土壤熱恢復(fù)性能。

為U型管和螺旋盤管單獨(dú)作為地下?lián)Q熱器時(shí)換熱器總管進(jìn)出水溫變化曲線。螺旋盤管進(jìn)、出口水溫隨時(shí)間變化比U型管小。實(shí)驗(yàn)測(cè)得系統(tǒng)COPs和壓縮機(jī)COP平均值，螺旋盤管大于U型管，但兩套系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，COP數(shù)值并不高，且連續(xù)下降，如圖7。其原因主要是由于單獨(dú)作為地下?lián)Q熱器，換熱面積小，吸熱量滿足不了系統(tǒng)要求。

工況2：12月27日至12月30日，室外平均溫度70C，關(guān)閉所有門窗，室內(nèi)溫度保持在20-230C,熱泵機(jī)組熱水出水溫度設(shè)定為460C，螺旋盤管和U型管作為地下?lián)Q熱器同時(shí)運(yùn)行，壓縮機(jī)每30分鐘開(kāi)停一次，開(kāi)停時(shí)間比為1：2，間歇性連續(xù)運(yùn)行50小時(shí)，取10-40小時(shí)之間測(cè)試數(shù)值

間歇運(yùn)行期間，整個(gè)系統(tǒng)比較穩(wěn)定，地下?lián)Q熱器進(jìn)、出水溫程周期性變化，并隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸降低，系統(tǒng)和壓縮機(jī)制熱系數(shù)都比較高，具體見(jiàn)表2。相比之下，其它地區(qū)不同形式埋管如天津商學(xué)院對(duì)單層水平蛇形管冬季取熱實(shí)驗(yàn)得到單位管長(zhǎng)吸熱量為14W/m[4],重慶建筑大學(xué)對(duì)垂直套管得到單位孔深換熱量為55.67W/m[5]。

4結(jié)論

通過(guò)供暖實(shí)驗(yàn)表明：超強(qiáng)吸水樹(shù)脂與源土混合，作為回填材料，在注入少量水的情況下，能夠很好地改善土壤的非飽和性，增大源土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，提高了土壤的熱恢復(fù)性能，很明顯地增大了單位管長(zhǎng)的吸熱量，適合于干旱、土壤非飽和以及地下水位比較低的地區(qū)，特別有利于螺旋盤管的應(yīng)用，可以極大地降低地源熱泵系統(tǒng)初投資，值得推廣和應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]莊迎春，孫友宏，謝康和.直埋閉式地源熱泵回填土性能研究.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2004，25(4)：216-220.

[2]YuehongBi,LingenChen,ChihWu.GroundHeatExchangerTemperatureDistributionAnalysisandExperimentalVerification.AplliedThermeralEngineering,2002,22,183-189.

[3]鄒新禧.超強(qiáng)吸水劑.北京：化學(xué)工業(yè)出版社：1991年.9.

[4]高祖錕.用于供暖的土壤2水熱泵系統(tǒng)[J].暖通空調(diào),1995,4,9—12.

[5]劉憲英,王勇,胡鳴明.地源熱泵地下垂直埋管換熱器的試驗(yàn)研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào),1999,21(5):21—26.