增強型同軸套管換熱器熱響應試驗及換熱對比分析

梅新忠 王楠 王子瓏 孟德平 王華軍

摘要 以3口120 m深度鉆孔中的增強型同軸套管換熱器、單U形和雙U形地埋管換熱器為研究對象，開展了現場熱響應對比試驗。結果表明，與原狀土樣的實驗室測試值相比，單U形和雙U形地埋管鉆孔的現場測試巖土熱導率分別偏高約7.3%和14.7%。增強型同軸套管換熱器由于內管外側設置了螺旋肋片，其環(huán)狀槽道會不同程度增加流程長度，因此在利用線熱源模型進行數據處理時需要修正計算;修正后的測試巖土熱導率與U形地埋管測試結果吻合良好。就單位井深換熱量而言，大小順序如下：增強型同軸套管 > 雙U形地埋管 > 單U形地埋管。

關 鍵 詞 增強型同軸套管換熱器;熱響應實驗;熱導率;熱性能

中圖分類號 TU83? ? ?文獻標志碼 A

Abstract By using an enhanced coaxial heat exchanger （ECHE）， single-U and double -U ground heat exchanger （GHE） in three 120m-deep boreholes as examples， in-situ thermal response tests are carried out and compared. Results show that the test ground thermal conductivity of single-U and double-U GHE is higher by 7.3 % and 14.7 % compared with the laboratory measurement value of undisturbed soil samples from drilling. For the ECHE， spiral fins are installed on the outside wall of the inner pipe to form a series of continuous channels， thereby increasing the actual flow distance to different extent， and modification of the data is necessary when using the linear heat source model. After the depth modification， the test ground thermal conductivity of ECHE is in good agreement with that of U-shaped GHEs. The order of the heat transfer rate per the borehole depth is as follows： ECHE > double-U GHE > single-U GHE.

Key words enhanced coaxial heat exchanger; thermal response test; thermal conductivity; thermal performance

0 引言

近年來，以地埋管換熱器為核心的土壤源熱泵廣泛應用于各類建筑空調和采暖系統，成為可再生能源建筑應用領域的典型技術手段。國內外研究人員圍繞地埋管與周圍巖土體的傳熱性能強化問題先后開展了大量的理論與實驗工作。目前，強化傳熱的努力方向主要包括改善回填材料性能、利用含水層流動、優(yōu)化換熱器結構等方面[1-3]。

同軸套管換熱器是豎直地埋管換熱器的典型形式之一，與U形管地埋管相比，其應用雖然偏少，但近年來發(fā)展速度較快[4]。就同軸套管換熱器的實際性能而言，學術界仍存在一些爭議。例如，Wood等[5]測試表明，普通的同軸套管換熱器并不比傳統的U形地埋管更有性能優(yōu)勢。Zanchini等[6]計算表明，降低同軸套管內管熱導率可以顯著改善整體換熱性能。Raymond等[7]計算表明，通過改善同軸套管中外管材質的熱導率，可以獲得優(yōu)于單U形地埋管的換熱性能。在前人研究基礎上，作者單位提出了一種新的同軸套管換熱器結構形式，稱為“增強型同軸套管換熱器（ECHE）”，其核心在于內管外壁上敷設了周期性的螺旋環(huán)肋片，從而達到強化流體與外管傳熱的目的。與此同時，還對內管進行了必要的隔熱處理，進一步降低內外管之間的熱短路損失。基于上述背景，本文擬以增強型同軸套管換熱器為例開展熱響應試驗，并與單/雙U形地埋管以及原狀土樣實驗室分析結果進行綜合對比，旨在為進一步改進換熱器結構以及地源熱泵室外埋管系統的設計與優(yōu)化提供一定的參考依據。

1 試驗部分

1.1 鉆孔及換熱器

測試地點為于河北省邯鄲市黃粱夢鎮(zhèn)，鉆孔數量為3口（勘查孔標準），井徑為200 mm，井間距為10 m，深度均為120 m，其中分別安裝增強型同軸套管換熱器、單U形地埋管換熱器和雙U形地埋管換熱器，采用細砂密實回填。U形地埋管材質均為高密度聚乙烯管（HDPE，DN32規(guī)格）。增強型同軸套管換熱器外管采用鋼制石油套管，外/內徑分別為127 mm/115 mm;內管由DN50規(guī)格的PVC材質直管和增強管熱熔連接組成，其中每段增強管（圖1）長度為40 cm，上覆螺旋環(huán)肋片，環(huán)肋厚度和高度分別為2 mm和23.5 mm，螺旋上升角為20°，螺距為50 mm。直管段和增強管段呈交替連接方式，兩段增強管之間相距1.6 m。

1.2 地層狀況

根據鉆孔野外編錄描述，試驗地點120 m深度范圍內均屬于第四系地層，其中黏質巖土主要由黏土、粉質黏土、粉土等組成，其中粉土主要分布如下：9.8～10.9 m、33.9～36.2 m、41.6～45.4 m、73.0～73.7 m、80.2～82.0 m、66.2～67.3 m、112.2～114.7 m，累計厚度為13.3 m;砂質巖土主要由粉砂和細砂組成，主要分布如下：10.9～16.5 m（細砂）、25.4～27.0 m（粉砂）、36.2～37.0 m（細砂）、43.0～44.6 m（粉砂）、75.6～77.1 m（粉砂）、82.0～83.7 m（粉砂）、96.3～106.1 m（細砂），累計厚度為22.6 m。鉆孔過程對原狀土樣進行了取芯，然后送往實驗室進行物理性質測試[8]。對于砂層，由于鉆孔擾動較大，未取得原狀土樣（擾動樣）。取樣數量共計10件，巖性以粉質黏土、粉土為主。

1.3 試驗數據處理

熱響應試驗采用自行研制的測試裝置（圖2），其中最大加熱和制冷功率分別為24 kW和9 kW，溫度和流量分別采用Pt100熱電阻和電磁流量計測量，精度分別為0.1 ℃和0.01 m3/h，相關數據由計算機自動采集完成，每組工況測試時間為48～50 h。初始地溫通過空轉循環(huán)獲得。試驗結果處理采用國家標準《地源熱泵系統工程技術規(guī)范》（GB50366—2009）建議的線熱源模型方法，即在一定條件下，地下換熱器進出口流體平均溫度隨對數時間變化可滿足以下模型：

式中：[tf]為進出口流體算術平均溫度（℃）;[q]為平均換熱動率（W）;[λ]為巖土平均熱導率（W/m·K）;[L]為有效深度（m）;[α]為巖土熱擴散率（m2/s）;[rb]為鉆孔半徑（m）;[to]為初始地溫（℃）;[γ]為歐拉常數（[γ]= 0.577 2）;[ln（τ）]為對數時間。對于[τ≥5r2b/α]，式（1）的最大誤差可以控制在2%以內[8]。

地下換熱器的平均換熱功率[q]計算為

式中：[G]為循環(huán)流量（kg/s）;[cp]為水的比熱容（kJ/（kg[?]K））;[t1]和[t2]分別為進出口水溫（℃）。

通過線性擬合可以獲得[tf]-[ln（t）]曲線的線性變化斜率[k]，從而計算出巖土平均熱導率

2 結果與討論

2.1 土樣測試結果分析

室內測試結果表明，原狀土樣的自然密度在1 900～2 200 kg/m3，飽和度均大于90%，其中黏土和粉質黏土熱導率為1.17～1.32 W/（m·K），粉土熱導率為1.73～1.89 W/（m·K）。砂質土樣由于擾動較大，已不能反映原始狀態(tài)，故參考以往地質調查工作的結果，取平均值2.25 ± 0.15 W/（m·K）。結合各地層深度，按照加權平均原則，可以獲得120 m深度范圍內地層的平均熱導率，即1.50 ± 0.03 W/（m·K）。實際上，由于樣品水分損失以及忽略地下水滲流影響，上述熱導率可以視為一個下限數值。

2.2 熱響應試驗結果對比

圖3和圖4分別給出了單U形和雙U形地埋管的熱響應試驗曲線，其中施加功率和循環(huán)流量分別為6.8 kW和1.57 m3/h，計算深度取120 m。經過近50 h運行，地埋管與周圍巖土換熱逐漸達到相對平穩(wěn)狀態(tài)，地埋管進出水溫度也基本處于平穩(wěn)。對于單U形地埋管，進出水溫度分別為36.7 ℃和33.0 ℃;對于雙U形地埋管，進出水溫度分別為33.3 ℃和29.6 ℃。根據計算，單U孔和雙U孔的巖土熱導率測試值分別1.61 W/（m·K）和1.72 W/（m·K）。若以1.50 W/（m·K）為基準，上述測試結果分別偏高7.3%和14.7%，前者相對偏差更小一些。

圖5給出了不同工況下增強型同軸套管的熱響應試驗曲線，其中施加功率分別為17.5 kW和21.4 kW，循環(huán)流量分別為6.73 m3/h和8.24 m3/h，循環(huán)方式為外管流進、內管流出?？梢钥闯?，運行50 h左右時，增強型同軸套管的進出水溫度分別為35.3 ℃/33.0 ℃（17.5 kW）和38.1 ℃/36.1 ℃（21.4 kW）。值得注意的是，對于增強型同軸套管，若計算深度取120 m，巖土熱導率測試值分別為3.26 W/（m·K）和2.92 W/（m·K）。很顯然，此測試結果已經遠遠偏離正常測試值，這一點與常規(guī)同軸套管換熱器有很大差異[9]。實際上，對于增強型同軸套管，由于內管外側設置了螺旋環(huán)肋片，從而形成人工環(huán)狀流動槽道，這在一定程度上增加了流程長度，強化了換熱，使得軸向方向上熱流不均衡，有所偏離理想的線熱源模型。若忽略此因素，會造成單位井深換熱量偏大，進而導致測試結果偏大，甚至不可信。因此，本文采取修正計算深度的方法來對巖土熱導率計算進行修正處理。增強型同軸套管的沿程流動長度可以通過管徑、肋片高度、肋片厚度、螺距等幾何尺寸來進行計算[10]。對于本次試驗中的增強型同軸套管結構形式，計算流程長度為215.5 m。以此特征尺度為依據，巖土熱導率測試值分別為1.81 W/（m·K）和1.63 W/（m·K），平均值為1.72 W/（m·K），與上述單U孔和雙U孔的巖土熱導率測試值吻合良好。表1進一步匯總了全部熱響應試驗結果，其中4組試驗的熱導率平均值為1.69 W/（m·K），與室內土樣測試結果1.50 ± 0.03 W/（m·K）相比，偏高約12.7%，基本能夠滿足地源熱泵工程設計和應用的精度要求。

2.3 換熱性能綜合對比

圖6給出了不同地下換熱器單位井深換熱量隨管內流體平均溫度的變化曲線?？梢钥闯?，在地下換熱器正常工作范圍（5～40 ℃）內，單位井深換熱量與管內流體平均溫度呈線性變化規(guī)律，其斜率大小可反映地下換熱性能。就整體換熱能力而言，大小順序如下：增強型同軸套管>雙U形地埋管>單U形地埋管。對于典型的排熱工況（以流體溫度30 ℃為例，流量為1.56 m3/h），單U形和雙U形地埋管換熱量分別為40.0 W/m和50.5 W/m，后者偏高26.3%;對于典型的取熱工況（以流體溫度7 ℃為例，流量為1.57 m3/h），單U形和雙U形地埋管換熱量分別為38.2 W/m和49.6 W/m，后者偏高29.8%，這符合黏-粉-砂質地層條件下地埋管的換熱能力。相比之下，相同排熱工況下（流體溫度30 ℃，流量為6～8 m3/h）的增強型同軸套管換熱量為103.7 W/m，分別是單U形和雙U形地埋管的2.59倍和2.05倍。《地源熱泵系統工程技術規(guī)范》（GB50366—2005）建議，夏季地埋管出口溫度不宜高于33 ℃。若以此為依據，增強型同軸套管換熱量為137.7 W/m，分別是單U形和雙U形地埋管的2.57倍和2.03倍。對于本試驗中的雙U形地埋管和增強型同軸套管，其外管壁與周圍巖土的總接觸面積理論上是基本接近的，分別為480πd1和120πd2，其中d1和d2分別取0.032 m和0.127 m。但是，后者換熱能力優(yōu)勢較為明顯，在實際應用中可以一定程度上緩解U形地埋管群占地面積較大的問題。需要特別說明的是，由于目前測試裝置制冷功率有限，暫無法全面開展增強型同軸套管換熱器的取熱能力試驗（如 5～8 ℃），這部分工作還有待于今后進一步改進。此外，對于增強型同軸套管換熱器而言，盡管換熱性能得到強化，但同時也增加了一定的流動阻力。如何在強化換熱與減小阻力之間尋優(yōu)將會是下一步的主要努力方向。

3 結論

對邯鄲地區(qū)3口120 m深度鉆孔中的增強型同軸套管換熱器、單U形和雙U形地埋管換熱器為對象，開展了現場熱響應試驗與室內原狀巖土樣品測試，主要結果如下：

1）由于樣品內部水分損失及忽略地下水滲流影響，鉆孔取芯土樣的實驗室熱導率分析結果可以視為一個下限數值。與室內結果相比，單U形和雙U形地埋管鉆孔的現場測試巖土熱導率分別偏高7.3%和14.7%。

2）增強型同軸套管換熱器由于內管外側設置了螺旋肋片，其環(huán)狀槽道會不同程度增加實際流程，軸向熱流不均衡，偏離理想的線熱源模型。因此在利用線熱源模型計算巖土熱導率時需要進行修正計算，修正后的巖土熱導率與U形地埋管測試結果吻合良好。

3）就單位井深換熱量而言，大小順序如下：增強型同軸套管>雙U形地埋管>單U形地埋管。在典型排熱工況條件下，增強型同軸套管換熱量可達到單U形和雙U形地埋管的2.6倍和2.0倍。

參考文獻：

[1]? ? 陳衛(wèi)翠，劉巧玲，賈立群，等. 高性能地埋管換熱器鉆孔回填材料的實驗研究[J]. 暖通空調，2006，36（9）：1-6.

[2]? ? 王松濤，吳振，王華軍. 基巖地區(qū)地埋管換熱器傳熱特性的測試研究[J]. 河北工業(yè)大學學報，2012，41（6）：69-73.

[3]? ? 肖益民，劉希臣，張華廷，等. 豎直地埋管換熱器的結構改進與性能試驗[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報，2015，47（2）：92-97.

[4]? ? HOLMBERG H，ACU?A J，N?SS E，et al. Thermal evaluation of coaxial deep borehole heat exchangers[J]. Renewable Energy，2016，97：65-76.

[5]? ? WOOD C J，LIU H，RIFFAT S B. Comparative performance of ‘U-tube’ and ‘coaxial’ loop designs for use with a ground source heat pump[J]. Applied Thermal Engineering，2012，37（1）：190-195.

[6]? ? RAYMOND J，MERCIER S，NGUYEN L. Designing coaxial ground heat exchangers with a thermally enhanced outer pipe[J]. Geothermal Energy，2015，3（1）：7-20.

[7]? ? ZANCHINI E，LAZZARI S，PRIARONE A. Improving the thermal performance of coaxial borehole heat exchangers[J]. Energy，2010，35（2）：657-666

[8]? ? WANG H J，LIU L B，QI C Y. Comparisons of test methods to determine the ground thermal conductivity for geothermal applications [J]. Geothermal Resource Council Transactions，2010，34（1）：969-973.

[9]? ? 劉婧，高科，孟祥瑞，等. 地下同軸套管式換熱器取熱工況熱響應實驗分析[J]. 探礦工程（巖土鉆掘工程），2012，39（10）：53-57.

[10]? 鄧靜. 螺旋纏繞管換熱器流動傳熱性能研究[D]. 鄭州：鄭州大學，2016.

[責任編輯 田 豐]