竖直地埋管换热器传热性能模拟与实验分析

摘要：以北京地区竖直单(双)U形地埋管换热器为分析对象,运用两种模拟计算方法,对管内水流速、土壤导热系数、回填材料导热系数、埋管进口温度、钻孔深度以及钻孔间距等因素在冬夏不同工况下,对钻孔深度分别为40 m和100 m地埋管换热器换热性能的影响规律进行了比较研究,并在此基础上结合典型工程案例的实测运行数据,提出系统优化运行策略.结果表明:管内水流速、土壤导热系数以及地埋管进口温度对单位钻孔深换热量的影响最为显著;回填材料导热性能增加,对减少钻孔热阻、提高地埋管换热器传热性能的作用有限.

地埋管换热器是地埋管地源热泵空调系统的重要组成部分,其换热性能优劣直接影响地埋管地源热泵空调系统的技术性能与经济性[1-2].工程中最常见的地埋管换热器为竖直U型地埋管换热器[3],影响其换热性能的因素大致有:地埋管内流速和进口温度、土壤导热系数、回填材料导热系数、地埋管深度以及钻孔间距等[4-7].把握这些因素的影响规律,尤其是对权重大的因素的影响规律的分析,将对实际工程应用具有很重要的参考意义.为此,本研究将以钻孔深度分别为40 m和100m的竖直单(双)U型地埋管换热器为分析对象,采用瞬时系统模拟程序—TRNSYS软件(40 m钻孔深)以及参考文献[8]计算方法(100 m钻孔深),并结合现场实际运行数据,对上述因素的影响规律及其特性进行分析,以期为地埋管换热器的优化设计提供参考依据.

1·计算条件

根据北京地区水文地质条件和工程场地的实际条件[9-10],以表1作为基本计算条件,按6种模式(见表2)分别讨论管内水流速、土壤导热系数、回填材料导热系数、埋管进口温度、钻孔深度以及钻孔间距等参数变化对地埋管换热器传热性能也即单位钻孔深换热量的影响规律.

2·计算结果

2·1管内水流速(Mode1)

由图1可见,无论是TRNSYS软件(40 m钻孔深),还是参考文献[8](100 m钻孔深)的计算结果,管内水流速变化对单位钻孔深换热量的影响都有相似的规律.管内流速的增大,可强化地埋管换热器的换热能力.但当流速大于0.6m/s时,这种影响已基本趋缓.综合考虑流速与系统阻力的关系,管内流速可在0.4~0.6 m/s的范围取值.且在此计算条件下,双U管单位钻孔深换热量是单U管的1.2倍.

2·2土壤导热系数(Mode2)

图2可见,土壤导热系数的高低直接影响地埋管换热器的换热能力,尤其当土壤导热系数大于1.6W/(m·K)时,采用双U管更有利于增强地埋管换热器的传热性能.当其他条件不变,土壤导热系数每增加0.1W/(m·K),单位钻孔深换热量平均增加5%,见图2(a).由此也说明,选择导热性能高的工程场地,对提高地埋管热泵空调系统的传热性能及经济性至关重要.不但可减少地埋管换热器的总长度,同时也降低了地埋管热泵空调系统的初投资.

2·3回填材料导热系数(Mode3)

采用导热性能优于土壤的回填材料,对减少钻孔热阻、提高地埋管换热器的传热性能是有利的,但这种作用有限.计算结果表明,当其他条件一定,回填材料导热系数每增加0.1W/(m·K),单位钻孔深换热量仅增加1%,见图3(a).因此,选择导热性能适当的回填材料是科学合理的.

2·4地埋管进口温度(Mode4)

由图4可见,进口温度对地埋管换热器换热性能的影响非常明显.地埋管换热器中热媒体与周围土壤的传热温差增大,单位钻孔深 换热量随之增大,但同时增加了热泵装置的运行费用.因此,在工程应用中应进行技术经济比较,选择适宜的地埋管进口温度.

2·5钻孔深度(Mode5)

单位钻孔深换热量随着钻孔深度的增加而减小,钻孔深度每增加20 m,单位钻孔深换热量平均减少2%,见图5(a).不过对应单个钻孔的总换热量仍是线性增加的.因此,在有条件的工程场地,选取较深的钻孔深度是有利于减少工程投资的.

2·6钻孔间距(Mode6)

系统连续运行一个制热(冷)季,单位钻孔深换热量随着钻孔间距的增大而增大,但增幅不明显(图6a).这是由于钻孔深度较浅,此时U形管群间的热干扰现象已经不明显,因此,对于钻孔深度较浅的井,钻孔间距大于4m,其对单位钻孔深换热量的影响很小.系统连续运行20 h,U形管群间的热干扰现象不明显(图6b).

3·系统优化运行策略

3·1工程概况

本研究将以一实际工程为分析对象,将上述研究结果应用于该工程,并提出关于该工程的优化运行策略.该工程为北京地区某公园管理用办公建筑,建筑面积为1 364 m2,共设有68口钻井,钻孔深40m,钻井直径为150 mm,井间距为3.9 m,井内埋设双U型管.

2008年11月~2009年3月对该系统进行了实验测试,测试结果如图7和图8所示.从图中可以看出,该系统单位钻孔深换热量为4.3W/m,地埋管侧供/回水平均温差为0.5℃.这是由于:1)系统实际负荷比设计负荷偏小,仅为设计负荷的36%;2)系统低负荷运行分布率高;3)每支U形管管内水流速过小.TRNSYS软件的计算结果与实测结果比较,见如图9,计算值与实测值吻合较好,误差在1.7%~6.5%以内.

3·2系统优化运行策略

根据上述影响因素分析,综合考虑工程场地条件限制,只可改变管内水流速进行系统优化运行计算.图10为系统全年优化运行结果.当管内水流速0.4 m/s时,系统连续运行一个制冷(热)季,单位钻孔深换热量分别为20 W/m和34 W/m,埋管侧进出口温差分别为1.7℃和4.2℃,与原设计相比,换热性能大大提高.

4·结论

TRNSYS软件(40 m钻孔深)和参考文献[8](100 m钻孔深)的计算结果表明,各因素对单位钻孔深换热量的影响都有相似的规律,以管内水流速、土壤导热系数以及地埋管进口温度对单位钻孔深换热量的影响最为显著.根据分析与计算结果,得到如下初步认识.

1)管内水流速的增大可强化地埋管换热器的换热能力,综合考虑流速与系统阻力的关系,管内流速可在0.4~0.6 m/s的范围取值.

2)当土壤导热系数大于1.6 W/(m·K)时,采用双U管比单U管更有利于增强地埋管换热器的传热性能;土壤导热系数不变时,双U管单位钻孔深换热量约为单U管的1.2倍.

3)采用导热性能优于土壤的回填材料, 对减少钻孔热阻、提高地埋管换热器的传热性能是有利的,但作用有限.当其他条件一定,回填材料导热系数每增加0.1 W/(m·K),单位钻孔深换热量仅增加1%.建议根据工程场地的水文地质条件,科学合理的选择导热性能适当的回填材料.

4)单位井深换热量随着钻孔深度的增加而减小,钻井深度每增加20m,单位井深换热量平均减少2%,但是其总换热量仍是线性增加的.因此,采用较深的井可以减少占地面积,充分发挥竖直埋管系统的优势.

参考文献：略

作者：陈超 ,任艳,王永菲,陈疆,尹龙滨张羽

(北京工业大学建筑工程学院建筑环境与设备工程系,北京100124)