導語：源土混合作為回填材料實驗研究論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：超強吸水樹脂具有極強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)間歇運行進行了實驗測試，詳細分析了實驗數(shù)據(jù)，得出系統(tǒng)性能變化曲線。實驗結(jié)果表明，超強吸水樹脂與源土混合作為回填材料，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)。

關鍵詞：地源熱泵超強吸樹脂螺旋盤管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)成為世界各個先進國家能源戰(zhàn)略的共同目標，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)使得人們認識到了淺層地能的利用價值。能夠一機多用的地源熱泵系統(tǒng)則在淺層地能應用中日趨活躍，廣泛應用于供暖，空調(diào)領域中。然而地源熱泵系統(tǒng)中埋地換熱器受土壤性能影響較大，在連續(xù)運行工況下，熱泵的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度受周圍土壤溫度變化發(fā)生波動而不穩(wěn)定。為了達到換熱效果，目前大多采用垂直U型埋管，這需要鉆相當深度的井，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型管在超強吸水樹脂與源土混合作為回填材料的情況下，進行了實驗研究。

1超強吸水樹脂及回填材料性能描述

超強吸水樹脂是一種吸水能力特別強的高分子材料，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，理論計算以及實驗研究表明，回填材料的導熱系數(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，對回填材料導熱系數(shù)起決定作用的是密度和含水率，函數(shù)關系可表示為[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，進行實驗研究和分析。

2試驗系統(tǒng)介紹

實驗臺由地源熱泵、地下?lián)Q熱器等組成，主要設備見表1，采暖空調(diào)房間面積65m2積，

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)。

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超強吸水樹脂。整個系統(tǒng)中，在熱泵冷卻水，冷凍水進出口，螺旋盤管和U型管進出口管外壁以及其他不同位置設置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）

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，熱泵機組熱水出水溫度設定為最高溫500C的條件下，調(diào)節(jié)各個管路閥門，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作為地下?lián)Q熱器，各自連續(xù)運行7天，每天運行10小時，對所測得數(shù)據(jù)進行分析比較如下：

為定流量系統(tǒng)運行過程中螺旋盤管不同位置處熱電偶溫度變化曲線。圖4中，混合超強吸水樹脂的2號井，出水管外壁溫度明顯高于1號井，且隨運行時間的延長，1號井溫度變化大于2號井。

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#）土壤溫度在測試期間，基本沒有變化，300mm處（15#、25#），溫度變化比較小，如圖5，外側(cè)100mm處（16#、26#），土壤溫度則隨時間變化明顯。流量相同的情況下，隨測試時間的延長，圖4中可以看出，2號吸熱量大于1號，周圍土壤熱量隨水分遷移，第四天開始，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)嶒炃白⑺譂B透，起始溫度低于原來土壤溫度。運行過程中，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吸水樹脂，增大了土壤的導熱系數(shù)，增強了系統(tǒng)停止期間土壤熱恢復性能。

為U型管和螺旋盤管單獨作為地下?lián)Q熱器時換熱器總管進出水溫變化曲線。螺旋盤管進、出口水溫隨時間變化比U型管小。實驗測得系統(tǒng)COPs和壓縮機COP平均值，螺旋盤管大于U型管，但兩套系統(tǒng)單獨運行時，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，關閉所有門窗，室內(nèi)溫度保持在20-230C,熱泵機組熱水出水溫度設定為460C，螺旋盤管和U型管作為地下?lián)Q熱器同時運行，壓縮機每30分鐘開停一次，開停時間比為1：2，間歇性連續(xù)運行50小時，取10-40小時之間測試數(shù)值

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

4結(jié)論

通過供暖實驗表明：超強吸水樹脂與源土混合，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，增大源土壤的導熱系數(shù)，提高了土壤的熱恢復性能，很明顯地增大了單位管長的吸熱量，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用，可以極大地降低地源熱泵系統(tǒng)初投資，值得推廣和應用。

[參考文獻]

[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.太陽能學報，2004，25(4)：216-220.

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

[3]鄒新禧.超強吸水劑.北京：化學工業(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研究[J].重慶建筑大學學報,1999,21(5):21—26.