套管式地埋管换热器换热性能实验研究

2012年07月18 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网

摘要：以深度为60m的镀锌钢管套管式地埋管换热器地源热泵系统和热电阻测温系统为实验平台,对土壤温度、套管式地埋管换热器换热性能及换热器对周围土壤的热影响进行了实验研究。研究表明,南宁市地下5~60 m的土壤温度为23.2~23.7℃;Φ80和Φ65套管式地埋管换热器的合理流量分别为1 500 L/h和1 200 L/h,对应的单位井深换热量分别为107.5W/m和81.4 W/m;不同内管导热系数对套管式地埋管换热器换热性能的影响很小;内进外出流动模式换热器的换热性能优于外进内出模式;间歇运行有利于土壤温度的恢复。

面积要小于U形管换热器,比较适合我国的国情,开展套管式地埋管换热器换热性能的实验研究具有非常重大的意义和实用价值。国内外众多学者对套管式换热器进行了相关研究。Mei等人在能量守恒基础上建立了竖直套管式换热器的瞬态传热模型[3]。赵军等人利用能量平衡建立了地下浅埋套管式换热器传热平衡式[4]。魏紫娟运用数学解析法得出了套管内换热介质在内进外出和外进内出两种不同流动模式下的温度随埋深变化的函数表达式[5]。陈文明开展了套管流动模式和外、内管管材导热系数之比对套管式地埋管换热器换热能力影响的实验研究,研究表明内进外出模式及外、内管导热系数比(λ)较大的有利于提高套管式地埋管换热器的换热量[6]。胡映宁等人对Φ65和Φ80套管的换热性能进行了研究,得出Φ65套管式换热器的经济性较好[7]。以上研究的对象都是埋管深度小于30m的套管式地埋管换热器,并且套管外管的材质大都是PVC或PE塑胶材料,对埋管深度比较大的镀锌钢管套管式换热器开展的研究比较少,这与实际相脱节。实际工程中大都是在埋管面积不充足的情况下才选用套管式换热器,因此套管很少浅埋,埋管深度一般都在60 m以上,而且大都是镀锌钢管套管。笔者以自主设计的埋管深度为60 m的镀锌套管式地埋管换热器地源热泵热水系统和热电阻测温系统为实验平台,对亚热带地区土壤温度、套管式换热器换热性能及套管式换热器对周围土壤的热影响进行实验研究,为地源热泵系统套管式地埋管换热器传热模型的建立及实际工程应用提供参考依据。

1实验平台及实验仪器介绍

1.1实验平台

实验平台位于广西自治区南宁市发展大厦小区,由2个系统组成:一个是埋管深度为60 m的镀锌套管式地埋管换热器地源热泵热水系统,套管之间距离为6 m,主要用来研究套管式换热器的换热性能,图1为其原理图;另一个是热电阻测温系统,由温度测试井、1号套管和2号套管里的热电阻组成,主要用来监测地下土壤温度分布和套管环腔内不同深度的水温,图2为其示意图。

1.2实验设备及器材

实验设备:型号为JFHRDQT10-028的地源热泵热水机组,名义制热量为11.1 kW,制热输入功率为2.59 kW;型号为401的循环水泵,扬程为9 m,流量为2 000 L/h。实验仪器:精度为±0.1℃的HI98501Checktemp C型温度计;TR118型定时器;精度等级为一级的水表;Pt100热电阻;XMD-100温度巡回检测仪。

2套管式地埋管换热器地下土壤温度场实验研究

地埋管换热器是地源热泵系统的关键部件,换热器与土壤之间的换热关系到整个热泵系统的性能,因此在设计地埋管换热器之前必须进行试验井的勘察和测试,以了解当地的地质、水文及土壤温度等情况。

南宁地矿地质勘察院对南宁发展大厦小区进行勘察的结果显示:地下0~3 m为填土;3~10 m为黏土、粉质黏土;10~28 m为砂、砾卵石层,以中粗砂为主,松散,强透水,含丰富的孔隙水;28~60m为泥岩、粉砂质泥岩;地下水位为-6 m。

;2009年1—12月对测温井进行了监测。图3显示了地下5~40 m的土壤月平均温度随时间的变化,图4显示了地下土壤温度随深度的变化。

从图3可以看出,地下10 m的土壤温度全年比较恒定,并略低于南宁市年平均气温(23.9℃)。从图4可以看出,地下5~30 m的土壤温度随深度增大而略有降低,40~60 m深的土壤温度随着深度的增大而略有升高。

3套管式地埋管换热器换热性能实验研究

3.1流量和管径对套管式地埋管换热器换热性能的影响

3.1.1实验方案

为了研究流量和管径对套管式地埋管换热器换热性能的影响,以Φ65和Φ80套管式地埋管换热器为研究对象。图5为Φ65和Φ80套管式地埋管换热器示意图。实验对Φ65镀锌套管式地埋管换热器分别施以700,1 200,1 500 L/h 3种不同的流量,对Φ80套管式地埋管换热器分别施以1 200,1 500,1 700 L/h 3种不同的流量,测试出不同流量下Φ65和Φ80套管式地埋管换热器的进、出口水温和单位井深换热量。热泵系统在每种流量下连续运行15 h,1 h记录一次套管式地埋管换热器的进、出水温度并计算出单位井深换热量。为确保实验数据的准确性,做完一种流量实验后间隔1 d再做下一种流量的实验,并且每种流量的实验重复一次。

3.1.2实验结果与分析

实验于2009年7月15日开始,8月15日结束,环境温度为32~37℃,自来水温度为20℃,实验结果如图6~10所示。

从图6,7可以看出,无论是Φ65还是Φ80套管式地埋管换热器运行6~8 h后换热都趋于稳定。

从图8,9可以看出,随着流量的增大,Φ65和Φ80套管式地埋管换热器的进、出口水温及进出口水温差都有明显下降,流量越大,进、出口水温越低,进出口水温差越小。

从图10可以看出,两种套管式地埋管换热器的换热量随着流量的增加都快速增大,当流量增加到一定程度后,换热量增幅很小;在流量为1 200L/h时,Φ80和Φ65套管式地埋管换热器的单位井深换热量分别为95.3 W/m和81.4 W/m,Φ80比Φ65多17%。

综合图6~10来看,在本实验条件下,Φ65套管式地埋管换热器比较合理的流量为1 200 L/h左右,此时套管与土壤的单位井深换热量为81.4W/m,进水温度为13.7℃,出水温度为17.2℃,进出口水温差为3.5℃;Φ80套管式地埋管换热器比较合理的流量为1 500 L/h左右,此时套管与土壤的单位井深换热量为107.5 W/m,进水温度为13.2℃,出水温度为16.9℃,进出口水温差为3.7℃。

3.1.3两种外管管径的经济性比较

引用投资成本指标[8]作为评价标准。投资成本指标I即单位换热量投资成本,是单位井深的总投资C与单位井深换热量q的比值,将投资成本与换热性能综合在一

个指标I中。

投资成本指标越高,单位换热量投资成本就越大。表1显示,Φ80和Φ65套管式地埋管换热器的单位换热量投资成本分别为1.67元/W和1.72元/W,从投资成本来看,在本实验条件下,Φ80套管优于Φ65套管。

3.2不同内管导热系数对套管式地埋管换热器换热性能的影响

3.2.1实验方案

1号套管和2号套管地埋管换热器的内管材质分别为PP-R和PE,PP-R和PE的导热系数分别为0.24 W/(m·K)和0.41 W/(m·K),通过比较两种不同换热器运行时的进出口水温、单位井深换热量及套管环腔内同一深度换热介质的温度来研究套管式地埋管换热器内管导热系数对换热性能的影响。图11为两种套管式换热器的示意图。

实验系统在两种套管流量同为1 200 L/h条件下连续运行15 h,1 h记录一次两种换热器各自的进、出口水温并计算换热器的单位井深换热量,同时通过温度巡检仪记录套管环腔内不同深度换热介质的温度。为确保实验数据的准确性,重复实验一次。

3.2.2实验结果与分析

实验于2009年8月20—23日进行,环境温度为32~37℃,自来水温度为20℃,实验结果如图12~14所示。

从图12可以看出,两种套管式地埋管换热器的进水温度一样,这是因为两种套管换热器的进水都是来自经热泵机组换热后的水;1号套管比2号套管的出水温度大约高0.1℃。

从图13可以看出,两种套管式地埋管换热器环腔内同一深度的水温几乎相同。从图14可以看出,在系统运行之初两种套管式地埋管换热器的单位井深换热量都随着运行时间的延长而减小,运行6 h后趋于稳定,稳定后1号套管的单位井深换热量比2号套管约高2 W/m。

综合图12~14可以看出,虽然PP-R管和PE管的导热系数相差较大,但对套管式地埋管换热器换热性能的影响区别不大。分析原因主要是套管外管的导热系数约为40 W/(m·K),而PP-R管和PE管的导热系数分别只有0.24 W/(m·K)和0.41 W/(m·K),内、外管导热系数相差非常大,内管导热系数相对外管导热系数可以忽略不计,因此不同内管导热系数对套管式地埋管换热器的换热性能影响很小。

3.3不同流动模式对套管式地埋管换热器换热性能的影响

3.3.1实验方案

实验以流动模式分别为内进外出的1号套管式换热器和外进内出的4号套管式换热器为研究对象,通过比较两种不同流动模式的换热器运行时的进、出口水温来研究不同流动模式对套管式地埋管换热器换热性能的影响。图15为两种不同流动模式的套管式换热器的示意图。实验系统在两种套管式换热器流量同为1 200 L/h条件下连续运行15 h,1 h记录一次两种套管式换热器各自的进、出口水温并计算出换热器的单位井深换热量。为确保实验数据的准确和可靠,重复实验一次。

3.3.2实验结果与分析

实验于2009年8月25—27日进行,环境温度为32~37℃,自来水温度为20℃,实验结果如图16,17所示。

从图16可以看出,不同流动模式的两种套管式换热器进水温度相同,流动模式为内进外出的1号套管式换热器的出水温度比流动模式为外进内出的4号套管式换热器高0.3~0.4℃。从图17可以看出,系统运行稳定后,内进外出流动模式的套管式换热器的单位井深换热量约比外进内出流动模式的套管式换热器高10W。综合图16,17,内进外出流动模式的套管式换热器的换热性能比外进内出流动模式的套管式换热器好。

3.4套管式换热器对周围土壤的热影响

3.4.1套管式换热器周围土壤热恢复时间

1号套式管换热器运行15 h后停机,记录下此时套管环腔内不同深度段的水温,并每隔1 h记录一次套管内各深度段的水温变化,直到水温恢复到系统运行前的初始温度。实验于2009年8月27日23:00点开始进行,到8月28日11:00结束,实验结果如图18所示。

从图18可以看出,套管内各深度段的温度在开始的前4 h恢复得非常快,因为此时温差比较大,随着温差的减小恢复得比较缓慢,10 h后各深度段温度都恢复到初始温度。鉴于这个实验结果,实际工程设计中地源热泵机组每天连续运行最好不超过15 h,这样有利于土壤的热恢复。

3.4.2周围土壤受套管换热器影响的热半径

测温井距离1号套管式地埋管换热器2.5 m,2009年7月15—27日(即1号套管式换热器运行期间)对1号测温井进行连续监测,监测结果如图19所示。从图19可以看出,在1号套管式换热器运行期间,距离1号套管2.5 m远处的地下各深度段土壤温度几乎没有发生变化,这表明在本实验条件下套管式换热器对周围土壤产生热影响的范围不超过2.5 m,因此在本实验条件下套管式换热器间隔5 m就可以避免相互间的热影响了。

4结论

4.1地下5 m以下的土壤温度全年基本不受外界气温影响,南宁市地下5~60 m的土壤温度为23.2~23.7℃,略低于南宁市年平均气温。

4.2不同外管管径的套管式地埋管换热器对应的比较合理的流量不同,单位井深换热量也不同。Φ80和Φ65套管式换热器比较合理的流量分别为1 500 L/h和1 200 L/h,对应的单位井深换热量分别为107.5 W/m和81.4 W/m,Φ80套管式换热器比Φ65套管式换热器多32%;在流量为1 200L/h时,Φ80和Φ65套管式换热器的单位井深换热量分别为95.3 W/m和81.4 W/m,Φ80比Φ65多17%;Φ80套管式换热器的投资成本为1.67元/W,Φ65套管式换热器的投资成本为1.72元/W,从投资成本来看,在本实验条件下Φ80套管式换热器优于Φ65套管式换热器。

4.3虽然材质分别为PP-R和PE的内管的导热系数相差较大,但对于镀锌套管式地埋管换热器,外管与内管的导热系数比非常大,内管导热系数相对外管导热系数可以忽略不计,因此不同内管导热系数对套管式换热器换热性能的影响很小。

4.4不

同流动模式对套管式地埋管换热器换热性能有较显著影响,在本实验条件下,内进外出流动模式的套管式换热器的单位井深换热量比外进内出流动模式的套管式换热器约高10 W/m。

4.5地源热泵系统间歇运行有利于地埋管换热器周围土壤的热恢复,本实验条件下,Φ65套管式换热器连续运行15 h,土壤温度恢复到初始状态需要10 h左右;套管式地埋管换热器对周围土壤影响的热半径在2.5 m内。

参考文献:

[1]Bierbaum A C. Water source heat pump closed loopperformance of

Iowa suggested equipment sizingadjustments due to winter and summer

looptemperatures [C]∥7th Heat Pump TechnologyConference,1984

[2]王勇,付祥钊.地源热泵的套管式地下换热器研究[J].重庆建筑大学学报,1997,19(5):13-17

[3]Mei V C, Fischer S K. Vertical concentric tubeground coupled heat

exchangers [G]∥ASHRAETrans,1983,89(2):391-406

[4]赵军,袁伟峰,朱强,等.地源热泵的套管式地下换热器传热研究[J].天津大学学报,2002,35(3):345-347