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不同垂直埋管形式地源热泵热水系统换热性能研究点击：1805 日期：[ 2014-04-26 21:13:50 ] |
| 不同垂直埋管形式地源热泵热水系统换热性能研究 胡映宁，熊理国，刘渊 （广西大学机械工程学院，南宁530004） 【摘要】富水土壤条件下，采用单因素方法，研究了3种不同垂直地埋管换热器--单U型、双U型和套管型的地源热泵热水系统。3种小型热泵热水系统在稳定运行情况下，系统能效比分别为3.5、4.1、4.5。小型地源热泵热水系统在夏热冬暖地区具有良好的适应性，能满足制取生活热水的需求。 【关键词】垂直地埋管换热器；地源热泵热水系统；套管；U型 【中图分类号】TU833+.3;TU96+2【文献标识码】A【文章编号】1004-9467（2012）05-0117-04 1·引言 地源热泵热水系统是一种利用浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等），将低温位热能提升为满足生活供热需求的热能的高效节能的生活热水供给系统。以土壤源为热源制备生活热水的地源热泵热水系统，地埋管换热器是其核心组成部分。地埋管分为水平式和垂直式。水平式地埋管施工简易，但地埋管深度较浅容易受外界气温的影响，而且占用较大面积；垂直式地埋管单位井深换热量高，占地面积少，但施工难度加大，成本增加[1～3]。由于工业化和城镇化进程加快，以及人口增长，土地资源愈来愈紧缺，因此在城市居住区和气候变化明显的区域，目前广泛应用的是垂直地埋管。垂直地埋管最常见的三种形式为单U形管、双U形管、套管式管。 文献[4]通过单U型、双U型和套管型的准三维传热模型分析了钻孔内的传热过程，单U型管地热换热器的单位孔深换热量比双U型管低，套管式地热换热器的换热性能优于U型管式地热换热器。文献[5]对由单U型换热器和套管型单井换热器构成的土壤换热系统进行了研究，发现渗流水有助于土壤换热器的换热，套管释放的冷量主要沿渗流水流动方向扩散，且较长时间运行后的土壤换热系统能够保持稳定；管径较大的套管换热器的换热性能明显优于U型换热器。 亚热带夏热冬暖地区尤其是两广地区，雨水丰富，水源充足。丰富的水资源使得我国南方大部分地域属于富水土壤，使得土壤具有较高的热交换效率。富水土壤可以靠自然补充，保持一定的地温[6]。 随着人类生产生活水平的提高，越来越多的地方需要供应热水，建筑节能技术越来越得到广泛应用，因此针对亚热带夏热冬暖地区的气候特征和富水土壤的特性，设计节能与经济效益较高的地源热泵热水系统是满足当前需求和建筑节能措施的有效途径之一。笔者设计了3种小型不同垂直埋管形式的地源热泵热水系统，探索小型地源热泵系统在夏热冬暖地区，尤其是富水土壤地质条件下作为热水系统的适应性和节能效果，为该地区的地源热泵热水系统理论研究和工程实践提供参考依据。 2·测试系统简介 本次测试的三种小型地源热泵热水系统原理如图1所示，热水系统位于距广西———邕江500m左右的区域，各系统地埋管换热器管群相距5m～10m。由南宁市水文地质图和现场地质勘查报告，该区域属低级阶地孔隙水亚区，属孔隙潜水，水量丰富，属富水土壤。勘察报告结果显示：地下0～5.75m为杂填土；5.75m～20.21m为黏土；20.21m～28.04m为粉质黏土；28.04m～37.36m为粉土；37.36m～51.06m为粉砂；地下水位约为地面以下4.5m，场地土层的分布如图2所示。3种热水系统的热泵机组参数分别为，单U型热泵机组为T15-036型，额定功率为3.62kW；双U型热泵机组为T10-028型，额定功率为2.59kW；套管型热泵机组为T20-028型，额定功率为2.59kW；循环泵的额定功率均为250W。垂直地埋管材质与管径参数如表1所示。 3·实验仪器和方案 实验中使用的仪器有：精度为±0.1℃的TP3001型电子温度计；TR118型定时器；等级精度为一级的埃美柯牌热水表；VICTOR DM-6266型卡钳式万用表。 实验采用单因素实验方法，通过测试系统循环冷却水流量和进出温度、热水温度、自来水流量和温度、循环泵、系统耗电功率，分析地源热泵热水系统运行情况。 4·实验数据处理 在本实验中，计算如下： 1）地埋管换热器单位时间获得热量Q Q=C·v·ρΔT/3600(W)（1） 式中，v为地埋管循环水流量,m3/h，；ΔT为热泵机组地埋管循环水的温差，℃。 2）地埋管换热器单位井深换热量q q=Q/n·h(W/m)（2） 5·实验结果和分析 1)单U型、双U型、套管型垂直地埋管地源热泵热水系统比较将3种小型地源热泵热水系统的循环冷却水流量通过阀门调节为2 000L/h，连续运行一定时间使其达到稳定状态，对比各系统的运行特性。 由图3可知，系统运行一段时间后基本趋于稳定状态，各系统从土壤中提取的热量在此段时间内基本保持恒定。3个系统的地埋管循环冷却水进出温差，套管型的温差比较大，维持在5℃左右；单U型和双U型地埋管循环冷却水进出温差约为2.5℃。 由图4可知，单U型、双U型和套管型地源热泵热水系统的地埋管换热器单位井深换热量分别约为31W/m、40W/m、62W/m。 由图5可知套管型和双U型的热泵机组COP大于单U型的，在4.7左右，套管型的略大于双U型，单U型在3.7左右。图6中单U型、双U型、套管型地埋管地源热泵热水系统COP分别为3.5、4.1、4.5，单U型、双U型比套管型系统COP低23%、9%。 综合以上分析，套管型地埋管地源热泵热水系统能效比高于单U型和双U型系统，双U型高于单U型。套管型、双U型、单U型地埋管地源热泵热水系统节能效果依次下降。套管型地埋管的外管为镀锌钢管，导热性较高的埋管材料，单位井深换热量较高，提高了系统能效比，在制热功率较高、埋管空间有限的情况下，较为适用，而制热功率较低、埋管空间足够时，宜采用双U型埋管方式。 因此，以下考察循环冷却水流量对套管型地埋管换热器地源热泵热水系统的影响。 2）流量对套管型地埋管地源热泵热水系统的影响 由图7流量为1 000L/h、1 500L/h、2 000L/h、2 500L/h、3 000L/h时，所对应的进出口温差分别约为8.4℃、6.6℃、5.6℃、4.9℃、4.8℃，说明循环水的进出口温差会随着流量的增大而变小。 从图8流量对套管地埋管换热器单位井深换热量的影响来看，流量为1 000L/h、1500L/h、2 000L/h、2 500L/h、3000L/h时对应的换热量分别约为51W/m、52W/m、62W/m、60W/m、54W/m，流量增大，单位井深换热量随之增大，增大到一定程度，换热量下降。 由图9可以看出流量变化下，套管型地源热泵热水系统的系统循环冷却水流量在2 000L/h时，系统COP达到较大值。 由以上分析可知，即使再增加通过套管换热器的流量，稳定时套管的单位井深换热量也不会再提高，这主要是由土壤的热物性造成的，随着套管周围土壤温度的降低，更远距离的热量不能较快地扩散过来，因此不能够使套管换热器获得更多的热量[7]。从以上分析可知，此套管型地埋管换热器的系统循环冷却水流量选择为2 000L/h时，系统稳定工作且保持较高的工作效率。 6·结论 1）通过对单U型（PPR），双U型（PPR），套管型（镀锌钢管）垂直地埋管地源热泵热水系统进行测试，3种系统的机组COP和系统COP依次递增。套管型地埋管地源热泵热水系统适用于制热功率较高、埋管空间有限的情况，而制热功率较低、埋管空间足够时，宜采用双U型埋管方式。 2）套管型垂直地埋管的单位井深换热量随着流量的增大而增大，在低流量时换热量基本处于稳定状态，当流量大到一定程度的时候，换热量会逐渐降低到一定数值然后稳定。因此，从提高系统能效考虑，设定合理的系统循环冷却水流量也是提高系统效率的重要途径之一。 【参考文献】 【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,胡映宁.广西发展大厦东楼地源热泵空调热水冷热联供系统优化设计[J].装备制造技术，2009（11）:37-39. 【4】康龙.地源热泵不同地热换热器形式的性能分析[J].供热制冷，2009（7）:29-32. 【5】胡映宁,林俊,尹向明.富水土壤地区土壤换热器换热性能的实验研究[J].太阳能学报，2009,30(1):5-11. 【6】陈文明,王成勇,王雁生,胡映宁,林俊.广州地区地源热泵热水系统的应用研究[J].节能,2008（3）:55-57. 【7】梅奎,张小松.地源热泵热水系统设计及经济性分析[J].制冷与空调,2009,9(4):53-57. |
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