土壤源热泵埋管换热器形式及传热模型分析

摘要：阐述了土壤源热泵系统的工作原理,介绍了埋地换热器常见的形式,简要分析其研究现状,给出了几种典型的传热模型,并进行了分析.

全球范围内的环境污染和能源危机,使得人们更多地将目光转向了清洁环保的可再生能源.近些年,热泵空调技术逐渐成为建筑行业空调系统的新方向.其中应用广泛的地源热泵系统(图1)包括地下土壤热交换器地源热泵系统、地下水热泵系统、地表水热泵系统.由于我国大多数地区地下水资源缺乏,利用土壤作为热泵热(冷)源的土壤源热泵系统将更具适用性.资料表明大地5m以下的土壤温度基本上不随外界环境温度变化,恒定在当地年平均气温[1].与空气源热泵相比土壤源热泵没有风扇产生的能耗和噪声,更不会影响建筑物周围的环境温度.系统的埋管换热器可以布置在地下,不占用地上建筑面积。

1土壤源热泵系统的工作原理

土壤源热泵系统主要包括三个子系统.地热换热器子系统是水或防冻剂溶液埋于地下的强制循环的封闭环路,冬季从周围土壤吸收热量,夏季向土壤释放热量,其循环由1台低功率的循环泵来实现.制冷剂子系统是在热泵内部的循环,与其他热泵系统结构基本相同.用户子系统是把已调节好的空气或冷(热)水分配到建筑物中去的环路.

2土壤源热泵系统地下换热器的埋管形式

土壤源热泵设计应用的核心和难点主要在于地热换热器的传热问题:如何建立模型,才能更接近实际情况,加强换热效果,减小换热器热交换面积,减小钻孔深度,满足经济性的要求.目前全部采用国外产品和技术的地热换热器造价高达853元/kW[2],初期投资大是土壤源热泵空调系统推广应用的主要障碍之一.到目前为止,其主要埋管形式有水平和竖直两种布置方式[3],如图2所示.

2.1水平埋管

水平埋管常用的形式有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式[4].水平管埋的优点是通常为浅层埋管,初期投资少.其缺点是:①由于埋管深度较浅,埋管换热器性能不如垂直埋管;②施工时,占用场地大;③为了提高性能,而采用单层与多层互相搭配,或采用螺旋管则不易施工.

2.2垂直埋管

根据埋管形式的不同,一般有单形管,双U形管,小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管,立式柱状管、蜘蛛状管、套管式管等形式;按埋设深度不同分为浅埋(≤30 m)、中埋(31~80 m)和深埋(>80 m).目前使用最多的是U形管、套管和单管式.垂直埋管形式由于其占地面积小,深层土壤的全年温度比较稳定,热泵运行稳定等优点,在实际工程中应用的比较广泛.

3连接方式

地下换热器中流体流动的回路形式有串联和并联两种[5],如图3所示.

3.1串联系统

其特点是管径较大,管道费用较高,并且压降特性限制了系统能力.

3.2并联系统

其特点是管径较小,管道费用较低,且常常布置成同程式,当每个并联环路之间流量平衡时,其换热量相同,其压降特性有利于提高系统能力.因此,实际工程一般都采用并联同程式.

4地下埋

管换热器的研究现状及传热模型

4.1地下埋管换热器的研究现状

在地源热泵系统中地下埋管换热器的研究始终是该系统研究的重要主题.1946年,美国进行了12个地下换热器的研究项目,这些研究项目测试了埋地盘管的几何尺寸、管间距、埋管深度等,并将热电偶埋入地下,测试了土壤温度随时间变化和受传热过程影响的情况,但这些试验还没有提供可用于地下换热器的设计方程.1974年,欧洲实施了30个工程开发研究项目,发展了地源热泵的设计、安装技术,并积累了运行经验.美国和欧洲国家设计安装的土壤源热泵系统大多参照类似的已建工程设计安装,另一些工程的设计则采用估算方法.

已提出的换热器传热模型大约有30种,基本理论有三种:①1948年,Ingersoll和Plass提出的线源理论,目前大多数地热源热泵设计是利用该理论基础;②1983年,BNL修改过的线源理论,是将埋管周围的岩土划分为两个区,即严格区和自由区,在埋管运行时,不同区之间的热传导引起该区的温度变化;③1986年,V.C.Mei提出三维瞬态远边界传热模型,该理论建立在能量平衡基础上,区别于线源理论.国内目前对土壤源热泵的研究方向主要包括地下换热器的传热计算模型的建立,地下换热器传热计算的模拟研究,地下换热器的筛选及埋地盘管合理管间距的理论分析,土壤冻结对地下换热器传热的影响,地下换热器间歇运行工况的分析.

4.2地下埋管换热器的传热模型

以下对工程应用中较多采用的垂直埋管换热器的传热模型[6]进行介绍分析.

4.2.1线热源模型

模型假设:①埋地盘管的中心轴线视为线热源;②按辐射状拟定热流量向周围传热;③将管子周围的大地土壤连同回填部分看作一个无限大的实体.

在以上假设的前提下,土壤中的温度场的数学描述为：

4.2.2圆柱热源模型

1948年,Carslaw和Jaeger首次提出圆柱热源模型,模型假设:①将钻孔以外的土壤看成无限大的实体;②钻孔孔壁处有一恒定热流,将钻孔看作一均匀柱热源;③将传热过程单纯看成热传导.该模型温度场的数学描述为：

式中,r为钻孔的半径,ql为孔壁处的恒定热流密度,λ为大地的导热系数,a为导温系数,θ=t-t0为过余温度,t0为大地初始温度.

后来在1954年将圆柱热源模型引入地源热泵系统的研究,包括定壁温和定热流量2种模型.

4.2.3V.C.Mei传热模型

1986年,V.C.Mei提出三维瞬态远边界传热模型,该模型建立在能量平衡基础上,区别于线热源模型.下面以套管式换热器在热泵运行时的传热过程为例来建立传热模型.其横断面图见图4.模型假设如下:①岩土是均匀的;②埋管内同一截面流体温度、速度相同;③岩土热物理参数不变;④不考虑热湿迁移影响;⑤忽略埋管与岩土的接触热阻.热泵运行时,管内的流体从内管流入,外腔流出,与内外管壁发生对流换热.进入内管的流体与内管内壁的对流换热:

环腔内流体与内管管壁处和环腔内流体与外管管壁处的边界条件以及外管与大地交界处的边界条件形同于式(12).

以上各式中:v1,v2为内管和环腔内流体的速度,m/s;z为沿管长方向坐标,m;Tf1,Tf2为内管和环腔中的流体温度,℃;r1~r

5为距管中心处的半径尺寸,m;r为径向坐标,m;λ1,λ2为内管管壁、外管管壁的导热系数,W/(m·℃);ρf为流体的密度,kg/m3; cpf为流体的比热容,J/(kg·℃);T1,T2为内管管壁、外管管壁及埋管附近大地的温度,℃;a1为内管管壁导温系数,m2/s;α1为内管中流体与内管内壁的对流传热系数,W/(m2·℃);t为从运行时开始计算的时间,s.

4.3传热模型的分析

影响换热器传热过程的物性参数很多,如果实际情况与模型的假设间出现较大偏差,会引起计算结果的较大出入.

(1)线热源模型只适用于埋管地区在钻孔深度范围内的土壤物性纵向分布较均匀的场合,并且需要保证原土回填,与钻孔外土壤接触性好,可见该模型对应用条件要求比较苛刻.在上述条件下,可以认为钻孔内外的土壤具有相同的热物性,选择线源模型误差不大,且计算简便、快捷.

(2)圆柱热源模型以钻孔壁为界,考虑了钻孔回填部分和大地土壤存在的差异,更具有实用性.因为:①在分层地质结构条件下,钻孔时挖出的土壤,在回填时,不可能与原来土壤沿深度方向的分层相同,因此钻孔内外土壤的热物性有较大差异.②由于回填材料的热特性对钻孔内换热效率的影响,往往不再直接使用钻孔时挖出的土壤进行回填,而是在回填土中加入有较高热传导率的材料.因此,选择圆柱热源模型更接近实际情况,计算便捷、精确.

(3) V.C.Mei传热模型考虑了流体沿深度方向的温度梯度,其主要优点是:①对各个截面的半径方向传热建立方程,通过截面沿深度方向推移得到三维温度场,从而可以对埋管深度对埋管周围温度场的影响进行分析;②由于方程中考虑了流体与管壁的对流项,因此可以对埋管内流速的大小对换热效果的影响进行分析;③方程考虑了埋管的管径,可以对不同管径配置对埋地换热器传热效果的影响进行分析;④对不同流体进口温度以及由于两管中流体温度不同而引起的“热短路”现象对传热效果的影响也可以在此模型的基础上进行分析.其缺点是:求解过程计算量大,需要在数学模型的基础上使用数值解法并借助于计算机进行编程来求解,设计周期较长.

5结语

土壤源热泵由于理论研究的相对滞后、地理条件的差异、经济发展水平总体较低等原因,在一定程度上阻碍了土壤源热泵技术在我国的应用.为此急需科研工作者解决的主要问题有:①虽然地下换热器传热机理的理论研究繁多,但缺乏理论与实践的有效结合,应加强多环境下应用技术的系统研究,提出实际有效的强化传热方法.②加强对土壤特性、回填材料热物性的试验研究.③提高不同冷、热负荷条件下的地下换热器与热泵系统最佳匹配技术的研究水平.目前尽管存在较多问题,但以其节能、环保、可持续发展的优点一定会吸引越来越多的科研和工程工作者投入到该领域的研究探索中,其技术会日益成熟,在我国的应用一定会越来越广泛.

参考文献:

[1]张旭.土壤源热泵的实验及相关基础理论研究[J].现代空调, 2001(3):75-87.

[2]张佩芳.浅议地源热泵国内外的发展概况[J].通用机械,2003(5):13-16.

[3]万仁里.谈地源热泵[J].建筑热能通风空调, 2002,21(1):46-47.

[4] ASHRAE. Commercial/Institutional G round-Source HeatPump

Engineering Manual[M]. N.E. Atlanta, GA:1791Tullie Circle, 1995.

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bsp;[5]丁勇,李百战,卢军,等.地源热泵系统地下换热器设计讨论[J].工程建设与设计, 2005(12):10-14.

[6]刘宪英,胡鸣明,魏康棣.地热源热泵地下埋管换热器传热模型的综述[J].重庆建筑大学学报, 1999(4):106-110.

作者：韩春福1,2,丁旭3

(1.东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110004; 2.沈阳工程学院能源与动力工程系,辽宁沈阳110136;3.沈阳大学工商管理学院辽宁沈阳110041)