哈雷釬焊板式換熱器
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                不同垂直埋管形式地源熱泵熱水系統換熱性能研究

                點擊:1477 日期:[ 2014-04-26 21:13:50 ]
                               不同垂直埋管形式地源熱泵熱水系統換熱性能研究                           胡映寧,熊理國,劉淵                   (廣西大學機械工程學院,南寧530004)     【摘要】富水土壤條件下,采用單因素方法,研究了3種不同垂直地埋管換熱器--單U型、雙U型和套管型的地源熱泵熱水系統。3種小型熱泵熱水系統在穩定運行情況下,系統能效比分別為3.5、4.1、4.5。小型地源熱泵熱水系統在夏熱冬暖地區具有良好的適應性,能滿足制取生活熱水的需求。     【關鍵詞】垂直地埋管換熱器;地源熱泵熱水系統;套管;U型     【中圖分類號】TU833+.3;TU96+2【文獻標識碼】A【文章編號】1004-9467(2012)05-0117-04     1·引言     地源熱泵熱水系統是一種利用淺層地熱資源(也稱地能,包括地下水、土壤或地表水等),將低溫位熱能提升為滿足生活供熱需求的熱能的高效節能的生活熱水供給系統。以土壤源為熱源制備生活熱水的地源熱泵熱水系統,地埋管換熱器是其核心組成部分。地埋管分為水平式和垂直式。水平式地埋管施工簡易,但地埋管深度較淺容易受外界氣溫的影響,而且占用較大面積;垂直式地埋管單位井深換熱量高,占地面積少,但施工難度加大,成本增加[1~3]。由于工業化和城鎮化進程加快,以及人口增長,土地資源愈來愈緊缺,因此在城市居住區和氣候變化明顯的區域,目前廣泛應用的是垂直地埋管。垂直地埋管最常見的三種形式為單U形管、雙U形管、套管式管。     文獻[4]通過單U型、雙U型和套管型的準三維傳熱模型分析了鉆孔內的傳熱過程,單U型管地熱換熱器的單位孔深換熱量比雙U型管低,套管式地熱換熱器的換熱性能優于U型管式地熱換熱器。文獻[5]對由單U型換熱器和套管型單井換熱器構成的土壤換熱系統進行了研究,發現滲流水有助于土壤換熱器的換熱,套管釋放的冷量主要沿滲流水流動方向擴散,且較長時間運行后的土壤換熱系統能夠保持穩定;管徑較大的套管換熱器的換熱性能明顯優于U型換熱器。     亞熱帶夏熱冬暖地區尤其是兩廣地區,雨水豐富,水源充足。豐富的水資源使得我國南方大部分地域屬于富水土壤,使得土壤具有較高的熱交換效率。富水土壤可以靠自然補充,保持一定的地溫[6]。     隨著人類生產生活水平的提高,越來越多的地方需要供應熱水,建筑節能技術越來越得到廣泛應用,因此針對亞熱帶夏熱冬暖地區的氣候特征和富水土壤的特性,設計節能與經濟效益較高的地源熱泵熱水系統是滿足當前需求和建筑節能措施的有效途徑之一。筆者設計了3種小型不同垂直埋管形式的地源熱泵熱水系統,探索小型地源熱泵系統在夏熱冬暖地區,尤其是富水土壤地質條件下作為熱水系統的適應性和節能效果,為該地區的地源熱泵熱水系統理論研究和工程實踐提供參考依據。     2·測試系統簡介     本次測試的三種小型地源熱泵熱水系統原理如圖1所示,熱水系統位于距廣西———邕江500m左右的區域,各系統地埋管換熱器管群相距5m~10m。由南寧市水文地質圖和現場地質勘查報告,該區域屬低級階地孔隙水亞區,屬孔隙潛水,水量豐富,屬富水土壤??辈靾蟾娼Y果顯示:地下0~5.75m為雜填土;5.75m~20.21m為黏土;20.21m~28.04m為粉質黏土;28.04m~37.36m為粉土;37.36m~51.06m為粉砂;地下水位約為地面以下4.5m,場地土層的分布如圖2所示。3種熱水系統的熱泵機組參數分別為,單U型熱泵機組為T15-036型,額定功率為3.62kW;雙U型熱泵機組為T10-028型,額定功率為2.59kW;套管型熱泵機組為T20-028型,額定功率為2.59kW;循環泵的額定功率均為250W。垂直地埋管材質與管徑參數如表1所示。                              3·實驗儀器和方案     實驗中使用的儀器有:精度為±0.1℃的TP3001型電子溫度計;TR118型定時器;等級精度為一級的埃美柯牌熱水表;VICTOR DM-6266型卡鉗式萬用表。     實驗采用單因素實驗方法,通過測試系統循環冷卻水流量和進出溫度、熱水溫度、自來水流量和溫度、循環泵、系統耗電功率,分析地源熱泵熱水系統運行情況。     4·實驗數據處理     在本實驗中,計算如下:     1)地埋管換熱器單位時間獲得熱量Q     Q=C·v·ρΔT/3600(W)(1)     式中,v為地埋管循環水流量,m3/h,;ΔT為熱泵機組地埋管循環水的溫差,℃。     2)地埋管換熱器單位井深換熱量q     q=Q/n·h(W/m)(2)     5·實驗結果和分析     1)單U型、雙U型、套管型垂直地埋管地源熱泵熱水系統比較將3種小型地源熱泵熱水系統的循環冷卻水流量通過閥門調節為2 000L/h,連續運行一定時間使其達到穩定狀態,對比各系統的運行特性。                  由圖3可知,系統運行一段時間后基本趨于穩定狀態,各系統從土壤中提取的熱量在此段時間內基本保持恒定。3個系統的地埋管循環冷卻水進出溫差,套管型的溫差比較大,維持在5℃左右;單U型和雙U型地埋管循環冷卻水進出溫差約為2.5℃。                  由圖4可知,單U型、雙U型和套管型地源熱泵熱水系統的地埋管換熱器單位井深換熱量分別約為31W/m、40W/m、62W/m。                     由圖5可知套管型和雙U型的熱泵機組COP大于單U型的,在4.7左右,套管型的略大于雙U型,單U型在3.7左右。圖6中單U型、雙U型、套管型地埋管地源熱泵熱水系統COP分別為3.5、4.1、4.5,單U型、雙U型比套管型系統COP低23%、9%。                   綜合以上分析,套管型地埋管地源熱泵熱水系統能效比高于單U型和雙U型系統,雙U型高于單U型。套管型、雙U型、單U型地埋管地源熱泵熱水系統節能效果依次下降。套管型地埋管的外管為鍍鋅鋼管,導熱性較高的埋管材料,單位井深換熱量較高,提高了系統能效比,在制熱功率較高、埋管空間有限的情況下,較為適用,而制熱功率較低、埋管空間足夠時,宜采用雙U型埋管方式。     因此,以下考察循環冷卻水流量對套管型地埋管換熱器地源熱泵熱水系統的影響。     2)流量對套管型地埋管地源熱泵熱水系統的影響                  由圖7流量為1 000L/h、1 500L/h、2 000L/h、2 500L/h、3 000L/h時,所對應的進出口溫差分別約為8.4℃、6.6℃、5.6℃、4.9℃、4.8℃,說明循環水的進出口溫差會隨著流量的增大而變小。     從圖8流量對套管地埋管換熱器單位井深換熱量的影響來看,流量為1 000L/h、1500L/h、2 000L/h、2 500L/h、3000L/h時對應的換熱量分別約為51W/m、52W/m、62W/m、60W/m、54W/m,流量增大,單位井深換熱量隨之增大,增大到一定程度,換熱量下降。                    由圖9可以看出流量變化下,套管型地源熱泵熱水系統的系統循環冷卻水流量在2 000L/h時,系統COP達到較大值。     由以上分析可知,即使再增加通過套管換熱器的流量,穩定時套管的單位井深換熱量也不會再提高,這主要是由土壤的熱物性造成的,隨著套管周圍土壤溫度的降低,更遠距離的熱量不能較快地擴散過來,因此不能夠使套管換熱器獲得更多的熱量[7]。從以上分析可知,此套管型地埋管換熱器的系統循環冷卻水流量選擇為2 000L/h時,系統穩定工作且保持較高的工作效率。     6·結論     1)通過對單U型(PPR),雙U型(PPR),套管型(鍍鋅鋼管)垂直地埋管地源熱泵熱水系統進行測試,3種系統的機組COP和系統COP依次遞增。套管型地埋管地源熱泵熱水系統適用于制熱功率較高、埋管空間有限的情況,而制熱功率較低、埋管空間足夠時,宜采用雙U型埋管方式。     2)套管型垂直地埋管的單位井深換熱量隨著流量的增大而增大,在低流量時換熱量基本處于穩定狀態,當流量大到一定程度的時候,換熱量會逐漸降低到一定數值然后穩定。因此,從提高系統能效考慮,設定合理的系統循環冷卻水流量也是提高系統效率的重要途徑之一。 【參考文獻】 【1】NRCan,Commercial Earth Energy Systems:A Buyer’s Guide,Natural  Resources Canada’s Renewable and Electrical Energy Division,ISBN0- 662-32808-6,Cat.No.M92-251/2002E,Ottawa,ON,Canada,99 pages,2002. 【2】Shonder,A.S.,Hughes,P.J.,Baxter,V.D.and Thornton,J.W.,AComparison of  Vertical Ground Heat Exchanger Design Methods forResidential Applications, ASHRAE Transactions 105,SE-99-20-01,1999. 【3】覃有志,李常春,胡映寧.廣西發展大廈東樓地源熱泵空調熱水冷熱聯供系統優化設計[J].裝備制造技術,2009(11):37-39. 【4】康龍.地源熱泵不同地熱換熱器形式的性能分析[J].供熱制冷,2009(7):29-32. 【5】胡映寧,林俊,尹向明.富水土壤地區土壤換熱器換熱性能的實驗研究[J].太陽能學報,2009,30(1):5-11. 【6】陳文明,王成勇,王雁生,胡映寧,林俊.廣州地區地源熱泵熱水系統的應用研究[J].節能,2008(3):55-57. 【7】梅奎,張小松.地源熱泵熱水系統設計及經濟性分析[J].制冷與空調,2009,9(4):53-57.
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