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                地源熱泵系統豎直U形管換熱器設計中的問題探討

                點擊:1759 日期:[ 2014-04-26 22:14:16 ]
                                          地源熱泵系統豎直U形管換熱器設計中的問題探討                                               鄒慧明                                          北京愛華冷氣公司      摘要:介紹了地源熱泵系統豎直U形管換熱器的設計理論。分析了U形管管徑、單孔內U形管數量及熱泵機組設計進水溫度對換熱器換熱效果的影響。     關鍵詞:地源熱泵系統 豎直U形管換熱器 熱阻 導熱系數     在地源熱泵系統中,豎直U形管換熱器由于相對于水平鋪設的換熱器形式占地面積小,傳熱效率高,在工程中得到了廣泛的應用。地熱換熱器的設計一直是地源熱泵技術的難點,由于缺乏對換熱器在土壤中復雜的傳熱機理的深入研究,基礎數據又少,因而實際的工程設計還沒有統一的規范措施。筆者根據近幾年的工程實踐經驗,總結了幾個主要參數對豎直U形管換熱器系統換熱能力的影響情況。     1 豎直U形管換熱器管路設計的理論基礎     由于影響地熱換熱器傳熱效果的因素較多,很多因素的邊界條件又很難確定,地熱換熱器的傳熱問題至今還是行業學術界研究的重要課題。目前國際上現有的傳熱模型大體上可分為兩大類,第一類是采用有限元或有限差分法求解地下的溫度響應,并進行傳熱分析,以離散化數值計算為基礎的數值解模型;第二類是采用Kelvin的線熱源模型或無限長圓柱模型,以熱阻概念為基礎的解析解模型。由于地熱換熱器傳熱問題涉及的空間、時間的范圍大,用第一類方法按三維非穩態問題求解實際工程問題在當前的計算條件下很不現實,不適合用作工程設計和優化。第二類方法將一些參數進行簡化,用這種模糊化的方法計算鉆孔外熱阻主要是以無限長線熱源作為模型,即一維模型,雖然忽略了鉆孔有限深度和地表面作為邊界的影響,在處理長時間的傳熱問題時會造成一定的誤差,但對于以滿足最不利條件為宗旨的工程設計來說還是比較適合的,目前在工程中得到了比較廣泛的應用,本文中也采用這種方法作為豎直U形管換熱器設計的理論基礎。     1.1 傳熱模型的簡化     1)豎直U形管內液體介質與土壤之間的傳熱熱阻由三部分組成:液體與管壁之間的表面傳熱熱阻,管壁的導熱熱阻,土壤的傳熱熱阻。其中液體與管壁之間的表面傳熱熱阻與其他兩項相比很小,只要在設計中確定管徑時保證液體流態為湍流(雷諾數最好大于2900),液體與管壁之間的表面傳熱熱阻對換熱器管長計算的影響很小,可以忽略。     2)液體熱介質溫度在管道深度方向是變化的,實際工程中這個溫差通常在5℃左右,而管道較長,溫度變化率很小,為簡化計算,忽略沿管道深度方向的溫度變化,將液體溫度考慮為某個定值。                 4)由于大地具有強大的蓄熱能力,土壤溫度全年波動很小。根據測定,10~15m深的土壤溫度相當于該地區全年的平均氣溫,多數情況下比氣溫要高1~2℃;當深度達到100m以下時,土壤的溫度隨深度增加而升高的趨勢開始減緩。為簡化計算,豎直U形管換熱器系統土壤溫度取定值(比氣溫高1~2℃)。     5)土壤熱阻的影響因素較多,系統運行情況(運行時間長短,是否間歇運行)對土壤熱阻有一定的影響,對于地源熱泵系統,由于建筑冷熱負荷的變化,系統的運行通常都是間歇性的,為簡化計算,土壤熱阻值通常是以系統持續運行的土壤熱阻為基數,考慮系統的運行百分率(實際間歇運行時間與持續運行時間的比值),而得到土壤的計算熱阻。     1.2 設計計算方法     1)孔深計算公式由傳熱學原理,豎直U形管換熱器的埋設深度可以由式(1)確定。                               由式(1)可以看出,豎直犝形管換熱器的埋設深度與管道當量熱阻、土壤熱阻成正比,與土壤溫度和管道水溫間的溫差成反比。     2)管道當量熱阻RpE     管道當量熱阻計算公式為                        式中 Di為管內徑,mm;Kp為管道導熱系數,W/(m·℃)。     3)土壤熱阻Rs     土壤熱阻的計算是個很復雜的過程,目前設計主要是通過參考國內外一些現有的研究資料來進行。     2 豎直U形管換熱器換熱量影響因素分析目前行業內應用較廣的地熱換熱器材料為高密度聚乙烯管(HDPE),這里以常用的19mm(3/4in)和25mm(1in)兩種管徑(PE100,SDR11),導熱系數為0.4W/(m·℃)。的U形管為例,計算出相應管道的當量熱阻,見表1。                   傳熱效果較好的飽和砂土和傳熱效果較差的干性砂土在系統持續運行1500h后的土壤熱阻參數見表2。                   2.1 U形管管徑     從表1,2可以看出,19mm(3/4in)和25mm(1in)兩種不同的管徑對于降低管道熱阻和土壤熱阻的作用很小,對于綜合傳熱熱阻基本上只能降低5%左右。在設計過程中,由于確定了系統的供回水溫度,也就確定了系統的水流量,采用25mm(1in)管徑的管內流速要小于19mm(3/4in)管徑的管內流速,這在一定程度上對地熱換熱器的換熱有不利影響。     從經濟角度來說,25mm(1in)管徑的管材價格比19mm(3/4in)管徑的管材價格高,所以一般宜選擇19mm(3/4in)管徑。     2.2 單孔內U形管數量     據表1,雙U形管的管道當量熱阻大致為單U形管的70%;據表2,雙U形管的土壤熱阻大致為單U形管的90%。采用雙U形管對提高換熱量有一定的作用,但由于土壤熱阻相對管道當量熱阻要大很多,在綜合傳熱熱阻中占較大比例,與采用單U形管相比,雙U形管的換熱量大約提高10%~25%,從相應計算結果可以看出,單孔內采用兩個以上單U形管時,換熱效果比雙U形管的換熱效果提高不多。     2.3 熱泵機組設計進水溫度     在設計過程中,熱泵機組進水溫度對系統設計有一定影響,以某型號熱泵機組為例,設計計算結果如表3,4所示。從表中可以看出,供熱工況時進水溫度降低,U形管內液體與土壤之間的溫差增大,單位長度管道的換熱量增大,但熱泵機組的能效比降低,能耗增加,機組出力降低;制冷工況時,進水溫度升高,U形管內液體與土壤之間的溫差增大,單位長度管道的換熱量增大,但熱泵機組的能效比降低,能耗增大,機組出力降低。                               3 結論     3.1 增大U形管管徑對提高豎直U形管換熱器換熱效果的影響較小,與提高的管材造價相比,是不經濟的。     3.2 增加單孔內U形管數量對提高垂直U形管換熱器的換熱效果有一定的作用,但單孔內U形管數量越多,換熱效果的提高越不明顯。     3.3 進水溫度與土壤溫度之間的溫差越大,管道換熱效果越好,但熱泵機組的耗電量增大,出力下降,在設計時需綜合考慮系統的初投資和運行費用,選擇最佳進水溫度。     參考文獻[1] 章熙民,任澤霈,梅飛鳴.傳熱學[M].北京:中國建筑工業出版社,1993
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