地源熱泵地埋管換熱影響因素的實(shí)驗(yàn)研究

王松松 劉光遠(yuǎn) 楊衛(wèi)波

0 引言

地源熱泵系統(tǒng)是隨著全球性的能源危機(jī)和環(huán)境問題的出現(xiàn)而逐漸興起的一門熱泵技術(shù)［1］。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是利用土壤作為冷熱源，通過地埋管換熱器與土壤進(jìn)行熱量交換，進(jìn)而由熱泵對(duì)建筑物進(jìn)行供冷和供暖，它實(shí)現(xiàn)的只是一種單純的能量“搬運(yùn)”過程，并具有可再生、適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等幾大優(yōu)點(diǎn)［2］。而地源熱泵的地埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，地埋管換熱能力的大小直接影響地源熱泵系統(tǒng)的能效［3-5］。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡介

模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由地層模擬裝置，換熱器模擬裝置，換熱流體動(dòng)力模擬裝置和數(shù)據(jù)采集裝置等幾部分組成。模型試驗(yàn)臺(tái)的原理圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)連接示意圖

1)地層模擬裝置:采用 0.8 m ×0.8 m ×1.2 m 木質(zhì)箱體，裝滿質(zhì)量比為2∶1的土和砂混合物模擬實(shí)際的地層，同時(shí)為了減少熱損失，在箱體的頂部和底部用發(fā)泡橡膠保溫棉保溫。

2)換熱器模擬裝置:模擬換熱器的埋管采用導(dǎo)熱性能好的銅管，內(nèi)徑為0.5cm，外徑0.7cm。埋管周圍填充實(shí)驗(yàn)所需的回填材料。

3)換熱流體動(dòng)力裝置:進(jìn)水溫度由501A型超級(jí)恒溫器提供，操作方便，控溫精確;管內(nèi)換熱介質(zhì)流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制;循環(huán)動(dòng)力由小型水泵提供。

4)數(shù)據(jù)采集裝置:采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀，采集間隔為10 s，可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)采集所要求的速度和精度。銅—康銅(T型)熱電耦作為測(cè)溫元件，布置在U形換熱管和換熱器周圍土壤中。U形換熱管上布置的測(cè)點(diǎn)，主要測(cè)定埋管內(nèi)水溫的變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 回填材料導(dǎo)熱性能對(duì)U形埋管換熱性能的影響

以夏季工況下埋管換熱器傳熱性能為研究對(duì)象，分別采用三種不同熱物性的回填材料:原土(λ1=0.4 W/(m·K))、添加鵝卵石的回填材料(λ2=0.73 W/(m·K))和添加鐵屑的回填材料(λ3=1.02 W/(m·K))，在同等條件下(相同的進(jìn)水溫度30℃和流速36 L/h)，連續(xù)運(yùn)行7 h后U形管管壁各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度如圖2所示。

圖2 U形管管壁各個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度

1)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映的情況看，在同等運(yùn)行條件下，選用導(dǎo)熱性能好的回填材料，可以提高U形埋管進(jìn)回水的溫差，從而提高了地埋管的換熱能力。

2)當(dāng)回填材料導(dǎo)熱系數(shù)由0.4增加到1.02時(shí)，地埋管進(jìn)回水溫度則相應(yīng)地由1.88℃增加到2.15℃;單位管長換熱量由59.8 W/m增至70.2 W/m。相應(yīng)的變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 回填材料導(dǎo)熱系數(shù)與單位管長換熱量的變化關(guān)系

3)由圖3還可以看出，回填材料導(dǎo)熱系數(shù)與單位管長換熱量并非呈現(xiàn)線性增長關(guān)系，回填材料導(dǎo)熱系數(shù)由0.73 W/(m·K)增至1.02 W/(m·K)所增加的換熱量比導(dǎo)熱系數(shù)由0.4 W/(m·K)增至0.73 W/(m·K)所增加的換熱量要小，增量減少了5%。因此，在地埋管換熱系統(tǒng)中并不是選擇導(dǎo)熱系數(shù)越大的回填材料，強(qiáng)化換熱效果就越好。

2.2 不同運(yùn)行模式對(duì)U形埋管換熱性能的影響

在地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中，地埋管換熱器與周圍土壤進(jìn)行熱交換的過程是非穩(wěn)態(tài)的。隨著熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增長，熱量持續(xù)不斷地被帶走或釋放，土壤溫度持續(xù)變化，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間越長，土壤溫度會(huì)發(fā)生很大變化，換熱器內(nèi)循環(huán)流體的溫度也會(huì)相應(yīng)變化，最后直接導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行工況惡化。為了能夠優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行工況，應(yīng)給土壤一定的時(shí)間進(jìn)行溫度恢復(fù)，即應(yīng)考慮非連續(xù)運(yùn)行模式。

圖4 連續(xù)運(yùn)行工況下埋管單位長度換熱量

圖5 開停比為1: 1間歇運(yùn)行工況下埋管單位長度換熱量

圖6 開停比為2: 1間歇運(yùn)行工況下埋管單位長度換熱量

圖4～圖6給出了不同運(yùn)行模式下單位管長換熱量隨時(shí)間的變化，從圖中可以看出，在連續(xù)運(yùn)行工況下，單位管長換熱量是逐漸下降的，但下降的幅度逐漸減小。在間歇運(yùn)行模式下，單位管長的換熱量總體趨勢(shì)也是下降的，但在每次間歇后，土壤的溫度得到一定程度的恢復(fù)，因此換熱量也有所提高。在7 h運(yùn)行后，三種不同運(yùn)行模式所對(duì)應(yīng)的單位管長換熱量分別為50.62 W/m，54.51 W/m和60.11 W/m。兩種間歇運(yùn)行模式下?lián)Q熱量比連續(xù)運(yùn)行模式下分別高7%和18.8%。這也說明了間歇時(shí)間越長，對(duì)土壤換熱能力的影響越小，結(jié)束時(shí)刻鉆孔壁面的平均溫度越小，而單位換熱量越大。

圖7 不同進(jìn)口水溫對(duì)單位管長換熱量的影響

因此，合理的開停比能夠使土壤溫度得到較好的恢復(fù)，有利于地下?lián)Q熱器的長期、有效運(yùn)行，且能夠提高系統(tǒng)的換熱效率，達(dá)到節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用的目的。

2.3 進(jìn)口水溫對(duì)U形埋管換熱性能的影響

為研究進(jìn)口水溫對(duì)U形埋管換熱器換熱性能的影響，將進(jìn)口水溫分別設(shè)在22℃，30℃和35℃，對(duì)埋管換熱性能影響結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)入口流體溫度由22℃增加到35℃時(shí)，換熱量由56.6 W/m增加到66.4 W/m，增幅為17.4%，這說明:在相同進(jìn)水流量條件下，單位管長換熱量隨進(jìn)口水溫的升高而增大。這主要是由于進(jìn)口水溫較高時(shí)，水與周圍土壤的可利用溫差較大，換熱得到加強(qiáng)所致。還應(yīng)該看到的是，夏季工況下進(jìn)口水溫較高時(shí)，雖然可以使換熱得到加強(qiáng)，減小換熱器的設(shè)計(jì)容量，但熱量在土壤中的擴(kuò)散非常緩慢，如果地源熱泵長期連續(xù)運(yùn)行，土壤溫度的升高將導(dǎo)致熱泵機(jī)組換熱條件變得惡劣，熱泵機(jī)組的COP會(huì)降低，因此需要在實(shí)際工程設(shè)計(jì)當(dāng)中根據(jù)熱泵機(jī)組的出口水溫設(shè)計(jì)合適的地埋管系統(tǒng)。

3 結(jié)語

1)在相同條件的進(jìn)水溫度情況下，進(jìn)出口溫差隨著回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的增大而增加，從而提高了地埋管的換熱能力。但回填材料導(dǎo)熱系數(shù)與單位管長換熱量并非呈現(xiàn)線性增長關(guān)系，回填材料導(dǎo)熱系數(shù)由0.73 W/(m·K)增至1.02 W/(m·K)所增加的換熱量比導(dǎo)熱系數(shù)由0.4 W/(m·K)增至0.73 W/(m·K)所增加的換熱量要小，增量減少了5%。因此，在地埋管換熱系統(tǒng)中并不是選擇導(dǎo)熱系數(shù)越大的回填材料，強(qiáng)化換熱效果就越好。

2)間歇運(yùn)行能使土壤溫度得到一定程度的恢復(fù)，換熱量也有所提高。在7 h運(yùn)行后，開停比為1∶1和開停比為2∶1間歇運(yùn)行模式下?lián)Q熱量比連續(xù)運(yùn)行模式下分別高7%和18.8%。因此，合理的開停比能夠使土壤溫度得到較好的恢復(fù)，提高了地?zé)崮艿睦寐剩欣诘叵聯(lián)Q熱器的長期、有效運(yùn)行。

3)夏季運(yùn)行工況下，單位管長換熱量隨著進(jìn)口水溫的升高而增大。這主要是由于進(jìn)口水溫較高時(shí)，水與周圍土壤的可利用溫差較大，換熱得到加強(qiáng)所致。但埋管進(jìn)口水溫較高，熱泵機(jī)組的效率越低，因此，應(yīng)綜合考慮選擇適宜的水溫。

［1］ 徐 偉.可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)指南［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］ 劉建柱.地源熱泵的應(yīng)用與前景［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2010(1):33-34.

［3］ 莊迎春，孫友宏，謝康和，等.直埋閉式地源熱泵回填土性能研究［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2004，25(2):216-220.

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