地源热泵地埋管换热影响因素的实验研究

文章编号:1009-6825(2011)24-0112-02 地源热泵地埋管换热影响因素的实验研究 收稿日期:2011-04-22 作者简介:王松松(1985-)，女，扬州大学硕士研究生，江苏 扬州 225127 刘光远(1958-)，男，硕士生导师，副教授，扬州大学，江苏 扬州 225127 杨卫波(1975-)，男，硕士生导师，副教授，扬州大学，江苏 扬州 225127 王松松 刘光远 杨卫波 摘 要:通过搭建模型试验台对地下埋管换热器换热性能进行测试，分析了回填材料导热系数、热泵系统不同运行模式 以及不同进口温度对埋管换热器换热性能的影响，并提出了一些对 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 实践有用的结论。 关键词:地源热泵，埋管换热器，温度场 中图分类号:TU831． 3 文献标识码:A 0 引言 地源热泵系统是随着全球性的能源危机和环境问题的出现 而逐渐兴起的一门热泵技术［1］。地源热泵空调系统是利用土壤 作为冷热源，通过地埋管换热器与土壤进行热量交换，进而由热 泵对建筑物进行供冷和供暖，它实现的只是一种单纯的能量“搬 运”过程，并具有可再生、适用范围广、经济环保等几大优点［2］。 而地源热泵的地埋管换热器是地源热泵系统的关键部件，地埋管 换热能力的大小直接影响地源热泵系统的能效［3-5］。 1 实验台简介 模型实验台主要由地层模拟装置，换热器模拟装置，换热流 体动力模拟装置和数据采集装置等几部分组成。模型试验台的 原理图如图 1 所示。 2 1 3 5 4 1 注：1—手动调节阀；2—流量计；3—电加热水箱；4—循环水泵；5— 温度传感器。 连接设备的水管为 PVC塑料管，要进行管道保温 图 1 试验台系统连接示意图 1)地层模拟装置:采用 0． 8 m × 0． 8 m × 1． 2 m 木质箱体，装 满质量比为 2∶ 1 的土和砂混合物模拟实际的地层，同时为了减少 热损失，在箱体的顶部和底部用发泡橡胶保温棉保温。 2)换热器模拟装置:模拟换热器的埋管采用导热性能好的铜 管，内径为 0． 5 cm，外径 0． 7 cm。埋管周围填充实验所需的回填 材料。 3)换热流体动力装置:进水温度由 501A型超级恒温器提供， 操作方便，控温精确;管内换热介质流量由转子流量计控制;循环 动力由小型水泵提供。 4)数据采集装置:采用 Agilent 34970A数据采集仪，采集间隔 为 10 s，可以达到实验采集所要求的速度和精度。铜—康铜(T 型)热电耦作为测温元件，布置在 U 形换热管和换热器周围土壤 中。U形换热管上布置的测点，主要测定埋管内水温的变化。 2 实验结果与分析 2． 1 回填材料导热性能对 U形埋管换热性能的影响 以夏季工况下埋管换热器传热性能为研究对象，分别采用三 种不同热物性的回填材料:原土(λ1 = 0． 4 W/(m·K) )、添加鹅 卵石的回填材料(λ2 = 0． 73 W/(m·K) )和添加铁屑的回填材料 (λ3 = 1． 02 W/(m·K) ) ，在同等条件下(相同的进水温度 30 ℃ 和流速 36 L /h) ，连续运行 7 h后 U形管管壁各个测点温度如图 2 所示。 图 2 U形管管壁各个测点温度 30.5 30 29.5 29 28.5 28 27.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 沿水流方向 温 度 /℃ λ1=0.4 λ2=0.73 λ3=1.02 1)从实验结果反映的情况看，在同等运行条件下，选用导热 性能好的回填材料，可以提高 U 形埋管进回水的温差，从而提高 了地埋管的换热能力。 2)当回填材料导热系数由 0． 4 增加到 1． 02 时，地埋管进回 水温度则相应地由 1． 88 ℃增加到 2． 15 ℃;单位管长换热量由 59． 8 W/m增至 70． 2 W/m。相应的变化趋势如图 3 所示。 图 3 回填材料导热系数与单位管长换热量的变化关系 72 70 68 66 64 62 60 58 56 54 回填材料导热系数/W·（m·K）-1 单 位 井 深 换 热 量 /W · m -1 0.4 0.73 1.02 3)由图 3还可以看出，回填材料导热系数与单位管长换热量 并非呈现线性增长关系，回填材料导热系数由 0． 73 W/(m·K)增 至 1． 02 W/(m·K)所增加的换热量比导热系数由 0． 4 W/(m·K) 增至 0． 73 W/(m·K)所增加的换热量要小，增量减少了 5%。因 此，在地埋管换热系统中并不是选择导热系数越大的回填材料， 强化换热效果就越好。 2． 2 不同运行模式对 U形埋管换热性能的影响 在地源热泵系统运行过程中，地埋管换热器与周围土壤进行 热交换的过程是非稳态的。随着热泵机组运行时间的增长，热量 持续不断地被带走或释放，土壤温度持续变化，连续运行时间越 长，土壤温度会发生很大变化，换热器内循环流体的温度也会相 ·211· 第 37 卷 第 24 期 2 0 1 1 年 8 月 山 西 建 筑 SHANXI ARCHITECTURE Vol． 37 No． 24 Aug． 2011 应变化，最后直接导致机组运行工况恶化。为了能够优化机组运 行工况，应给土壤一定的时间进行温度恢复，即应考虑非连续运 行模式。 图 4 连续运行工况下埋管单位长度换热量 单 位 管 长 换 热 量 /W · m -1 时间 110.000 100.000 90.000 80.000 70.000 60.000 50.000 40.000 30.000 1 301 601 901 1 201 1 501 1 801 2 101 2 401 单 位 管 长 换 热 量 /W · m -1 时间 110.000 100.000 90.000 80.000 70.000 60.000 50.000 40.000 30.000 1 301 601 901 1 201 1 501 1 801 2 101 2 401 图 5 开停比为 1 1间歇运行工况下埋管单位长度换热量: 单 位 管 长 换 热 量 /W · m -1 时间 110.000 100.000 90.000 80.000 70.000 60.000 50.000 40.000 30.000 1 301 601 901 1 201 1 501 1 801 2 101 2 401 图 6 开停比为 2 1间歇运行工况下埋管单位长度换热量: 图 4 ～图 6 给出了不同运行模式下单位管长换热量随时间的 变化，从图中可以看出，在连续运行工况下，单位管长换热量是逐 渐下降的，但下降的幅度逐渐减小。在间歇运行模式下，单位管 长的换热量总体趋势也是下降的，但在每次间歇后，土壤的温度 得到一定程度的恢复，因此换热量也有所提高。在 7 h运行后，三 种不同运行模式所对应的单位管长换热量分别为 50． 62 W/m， 54． 51 W/m和 60． 11 W/m。两种间歇运行模式下换热量比连续 运行模式下分别高 7%和 18． 8%。这也说明了间歇时间越长，对 土壤换热能力的影响越小，结束时刻钻孔壁面的平均温度越小， 而单位换热量越大。 进水温度/℃ 68 66 64 62 60 58 56 54 52 50 图 7 不同进口水温对单位管长换热量的影响 单 位 管 长 换 热 量 /W · m -1 22 3530 因此，合理的开停比能够使土壤温度得到较好的恢复，有利 于地下换热器的长期、有效运行，且能够提高系统的换热效率，达 到节约运行费用的目的。 2． 3 进口水温对 U形埋管换热性能的影响 为研究进口水温对 U形埋管换热器换热性能的影响，将进口 水温分别设在 22 ℃，30 ℃和 35 ℃，对埋管换热性能影响结果如 图 7 所示。由图 7 可知，当入口流体温度由 22 ℃增加到 35 ℃时， 换热量由 56． 6 W/m 增加到 66． 4 W/m，增幅为 17． 4%，这说明: 在相同进水流量条件下，单位管长换热量随进口水温的升高而增 大。这主要是由于进口水温较高时，水与周围土壤的可利用温差 较大，换热得到加强所致。还应该看到的是，夏季工况下进口水 温较高时，虽然可以使换热得到加强，减小换热器的设计容量，但 热量在土壤中的扩散非常缓慢，如果地源热泵长期连续运行，土 壤温度的升高将导致热泵机组换热条件变得恶劣，热泵机组的 COP会降低，因此需要在实际工程设计当中根据热泵机组的出口 水温设计合适的地埋管系统。 3 结语 1)在相同条件的进水温度情况下，进出口温差随着回填材料 导热系数的增大而增加，从而提高了地埋管的换热能力。但回填 材料导热系数与单位管长换热量并非呈现线性增长关系，回填材 料导热系数由 0． 73 W/(m·K)增至 1． 02 W/(m·K)所增加的换 热量比导热系数由 0． 4 W/(m·K)增至 0． 73 W/(m·K)所增加 的换热量要小，增量减少了 5%。因此，在地埋管换热系统中并不 是选择导热系数越大的回填材料，强化换热效果就越好。 2)间歇运行能使土壤温度得到一定程度的恢复，换热量也有 所提高。在 7 h 运行后，开停比为 1∶ 1 和开停比为 2∶ 1 间歇运行 模式下换热量比连续运行模式下分别高 7%和 18． 8%。因此，合 理的开停比能够使土壤温度得到较好的恢复，提高了地热能的利 用率，有利于地下换热器的长期、有效运行。 3)夏季运行工况下，单位管长换热量随着进口水温的升高而 增大。这主要是由于进口水温较高时，水与周围土壤的可利用温 差较大，换热得到加强所致。但埋管进口水温较高，热泵机组的 效率越低，因此，应综合考虑选择适宜的水温。 参考文献: ［1］ 徐 伟．可再生能源建筑应用技术指南［M］． 北京:中国建 筑工业出版社，2008． ［2］ 刘建柱．地源热泵的应用与前景［J］． 中国高新技术企业， 2010(1) :33-34． ［3］ 庄迎春，孙友宏，谢康和，等．直埋闭式地源热泵回填土性能 研究［J］．太阳能学报，2004，25(2) :216-220． ［4］ Ingersoll L． R，Plass H． J． Theroy of the ground pipe heat source for the heat pump［J］． Heating，Piping and Air Conditioning， 1948，20(7) :119-122． ［5］ 赵 军，戴传山．地源热泵技术与建筑节能应用［M］．北京: 中国建筑工业出版社，2007． ［6］ 李 琼．地源热泵及其优越性［J］．山西建筑，2010，36(19) : 170-171． Experimental research on factors influencing Ground Heat Exchanger of Ground Source Heat Pump WANG Song-song LIU Guang-yuan YANG Wei-bo Abstract:Through setting up model experimental platform，it tests the heat transfer property of the Ground Heat Exchanger，analyzes the impact of thermal conductivity of backfilling material，different operation mode of heat pump system，and different entering temperature on the heat transfer property of Ground Heat Exchanger，and puts forward some conclusions which are helpful for engineering practice． Key words:Ground Source Heat Pump(GSHP) ，Ground Heat Exchanger(GHE) ，temperature field ·311· 第 37 卷 第 24 期 2 0 1 1 年 8 月 王松松等:地源热泵地埋管换热影响因素的实验研究