不同形式地埋管換熱器運(yùn)行性能影響因素研究

崔煜蓉，陳 帥

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,上海 201620)

0 引言

地源熱泵系統(tǒng)具有節(jié)能、環(huán)保，節(jié)省建筑面積，經(jīng)濟(jì)效益高，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外收到廣泛使用。近些年來，我國地源熱泵技術(shù)增長迅速，2015年的數(shù)據(jù)表明，我國淺層地?zé)崮芄┡?制冷)面積已達(dá)到3.92億m2。雖然影響地源熱泵系統(tǒng)性能因素有很多，但地埋管換熱器是其核心部件。因此提高地埋管換熱器的換熱性能成為了熱門研究方向。在我國，地埋管換熱器埋管形式主要有單U型、雙U型和W型[2]，埋管方式主要有水平和豎直兩種[3]。其中，豎直U型管效率高、性能穩(wěn)定，是目前地源熱泵換熱器的首選形式[4]。

針對地埋管換熱器，國內(nèi)外學(xué)者作了大量研究。在國內(nèi)，蔡穎玲等學(xué)者[5]建立了基于地埋管儲熱模型的瞬時模型。刁乃仁等學(xué)者[6]根據(jù)計(jì)算得出了雙U型埋管換熱器的鉆孔內(nèi)熱阻比單U小的結(jié)論。傅俊萍等學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)地埋管的換熱能力隨著管內(nèi)流速的增大而增強(qiáng)[7]。李新國等學(xué)者則通過實(shí)驗(yàn)得出，在排熱工況下，雙U型地埋管的單位井深換熱量大于單U型埋管的結(jié)論[8]。在國外，Jamest[9]研究了地埋管換熱器的位置布置的優(yōu)化問題；Gcorgios[10]則對豎直U型地埋管的現(xiàn)場傳熱性能進(jìn)行了相關(guān)研究。

本文則利用TRNSYS軟件模擬單U和雙U地埋管換熱過程，對其傳熱特性進(jìn)行研究。

1 TRNSYS模型的建立

圖1為TRNSYS結(jié)構(gòu)模型圖，TRNSYS主要用于瞬時模擬分析[11]。該模型由若干模塊組成，每個模塊有各自特定的功能。對各模塊進(jìn)行編輯，輸入適當(dāng)參數(shù)，系統(tǒng)就會調(diào)用相應(yīng)模塊進(jìn)行仿真模擬。

圖1 地源熱泵仿真模型

本次仿真實(shí)驗(yàn)中，用到的主要模塊如下：

Type557，豎直地埋管換熱器；Type114，單速水泵；Type6，輔助加熱器；Type15-2，氣象資料讀??；Type25，數(shù)據(jù)輸出；Type65，在線顯示。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)

浙江省紹興市，該市為夏熱冬冷地區(qū)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用恒熱流法進(jìn)行排熱工況測試。其中，加熱器的功率和進(jìn)出地埋管的循環(huán)水泵流量為設(shè)定參數(shù)。在測試過程中保證加熱功率和循環(huán)流量穩(wěn)定不變，并使用 Data Management 讀寫軟件每間隔1 min進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫與處理。測量參數(shù)主要包括地埋管進(jìn)口水溫、地埋管出口水溫、地埋管循環(huán)水流量、實(shí)際加熱功率等。其中，兩口測試井因埋管形式的不同選用不同的加熱器功率，具體參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測試參數(shù)表

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次巖土體熱物性計(jì)算采用線熱源模型，將鉆井內(nèi)外地層作為一個整體，將地埋管換熱器看作一個當(dāng)量直徑的線熱源以此確定線源徑向某一平面位置上的地層溫度。之后，進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選并利用最小二乘法得到進(jìn)出口平均溫度在時間對數(shù)坐標(biāo)系下的線性擬合結(jié)果，如圖2和圖3所示，即可到直線斜率k和截距b，繼而計(jì)算出土壤導(dǎo)熱系數(shù)、鉆孔熱阻和鉆井單位延米換熱量，其結(jié)果如表2所示。

圖2 單U型測試井進(jìn)出口平均水溫—ln(t)直線擬合圖

圖3 雙U型測試井進(jìn)出口平均水溫—ln(t)直線擬合圖

表2 巖土熱物性參數(shù)表

3 模擬結(jié)果驗(yàn)證

以現(xiàn)場試驗(yàn)的運(yùn)行參數(shù)為依據(jù)，進(jìn)行仿真模擬，將得到的地埋管進(jìn)出口平均溫度隨時間變化趨勢與現(xiàn)場試驗(yàn)測得的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如上述圖4所示，發(fā)現(xiàn)其趨勢大致吻合。即驗(yàn)證了模型有效性。

圖4 單U型地埋管進(jìn)出口溫度變化情況

4 地埋管換熱器影響因素研究

在實(shí)際工程中，能效系數(shù)表征了地埋管換熱器與土壤換熱后，出水溫度能夠達(dá)到的最低或最高的能力，是地埋管換熱器傳熱能力的體現(xiàn)[12]。因此，在上述TRNSYS能耗模型的基礎(chǔ)上，以能效系數(shù)為指標(biāo)，模擬分析埋管深度，管間距和回填材料導(dǎo)熱系數(shù)等因素對單U、雙U地埋管換熱器換熱性能的影響。

4.1 地埋管換熱器能效系數(shù)

以能效系數(shù)E[13]來表示地埋管換熱器的換熱能力

式中E——地埋管換熱器能效系數(shù);

φ——地埋管換熱器與土壤的實(shí)際傳熱量/kW;

φ′——地埋管換熱器與土壤的最大理論傳熱量/kW;

Tin——地面管換熱器進(jìn)水溫度/℃;

Tout——地埋管換熱器出水溫度/℃;

T0——土壤初始溫度/℃。

如圖5所示，單U型和雙U型管能效系數(shù)均逐漸降低，這是因?yàn)槌跗诘芈窆苤車寥罍囟扰c初始地溫相同，處于理想換熱狀態(tài)。之后，由于換熱器與土壤之間不斷換熱，使土壤溫度升高，由能效系數(shù)計(jì)算公式可知，此時，能效系數(shù)將會不斷降低。直至換熱趨于平衡時，能效系數(shù)也將接近平穩(wěn)狀態(tài)。

圖5 能效系數(shù)變化情況

4.2 埋管深度的影響

選取鉆孔深度分別為70 m，100 m和130 m，保持其他參數(shù)不變，在這三種鉆孔深度下，分析單U，雙U地埋管換熱器換熱效果的差異。分析圖6模擬結(jié)果得到：不論單U還是雙U型管，地埋管能效系數(shù)都隨埋管深度加深而增大。其具體數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 不同管深下地埋管能效系數(shù)變化情況

表2 地埋管能效系數(shù)隨鉆孔深度變化情況

由表2和圖6可看出，隨著埋管深度的增大，雙U的能效系數(shù)均高于單U，說明隨著埋管深度的增加，雙U的整體換熱效果優(yōu)于單U。但是，隨著埋管加深，這種優(yōu)勢逐漸變小，即不可一味追求埋管深度，還應(yīng)綜合考慮換熱效果及相應(yīng)的成本，選取合適深度的埋管鉆井深度。

4.3 埋管間距的影響

選取管間距分別為0.096 m、0.076 m、0.056 m。保持其他參數(shù)不變，在這三種管間距下，分析單U、雙U地埋管換熱器換熱效果的差異。分析圖7的模擬結(jié)果得到：不論單U還是雙U，地埋管的能效系數(shù)均隨管間距增大而變大，這說明增大管間距對整體換熱有促進(jìn)作用。其具體數(shù)據(jù)如表3所示。

圖7 不同管間距下地埋管換熱系數(shù)變化情況

表3 地埋管能效系數(shù)隨管間距變化情況

由表3和圖7可知隨著管間距的增大，雙U型管能效系數(shù)變化幅度均大于單U型管，即在換熱情況較好的雙U條件下，適當(dāng)增大管間距，對整體換熱的促進(jìn)效果更為顯著。

4.4 回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

選取導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.5 W/(m·℃)、2 W/(m·℃)和2.5 W/(m·℃)的回填材料，保持其他條件不變，分析回填材料導(dǎo)熱系數(shù)對整體換熱效果的影響。分析圖8的模擬結(jié)果得到：不論單U型還是雙U型管，地埋管能效系數(shù)均隨回填材料導(dǎo)熱系數(shù)增大而增大，說明回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的增大對整體換熱有促進(jìn)作用。其具體數(shù)據(jù)如表4所示。

圖8 不同回填導(dǎo)熱系數(shù)下地埋管能效系數(shù)變化情況

表4 地埋管能效系數(shù)隨回填導(dǎo)熱系數(shù)變化情況

由表4和圖8可知，相同回填材料導(dǎo)熱系數(shù)下，雙U的換熱效果總是高于單U的，但雙U型管與單U型管能效系數(shù)變化逐漸減小并且隨著回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的增大，兩者差異逐漸減小，說明回填材料對整體換熱效果有一定影響作用，整體換熱效果越好，其影響越??；整體換熱效果越差，其影響越明顯。

5 結(jié)論

(1)由現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)計(jì)算可得：單U型埋管測試井的導(dǎo)熱系數(shù)為2.27 W/(m·℃)，鉆井熱阻為0.123 m·℃/W，排熱工況下單位延米換熱量為86.39 W/m；雙U型埋管測試井的導(dǎo)熱系數(shù)為3.31 W/(m·℃)，鉆井熱阻為0.119 m·℃/W，單位延米換熱量為106.72 W/m。

(2)在負(fù)荷一定的情況下，隨著埋管深度的增加，雙U型管能效系數(shù)均大于單U型管。故在一些山地等打井費(fèi)用較高的地區(qū)，可使用雙U地埋管換熱器以減少打井?dāng)?shù)量，提高經(jīng)濟(jì)效益和機(jī)組運(yùn)行效率。

(3)管間距越大，埋管進(jìn)出口平均溫度越低，能效系數(shù)越高，地埋管換熱器換熱效果越好且雙U整體換熱效果要好于單U。

(4)相同回填材料導(dǎo)熱系數(shù)下，雙U的換熱效果總是高于單U，且回填材料對整體換熱效果有一定影響作用，整體換熱效果越好，其影響越?。徽w換熱效果越差，其影響越明顯。